第年期 纺织学报 Vol 38 No 8 Joumal of Textile Research Aug.2017 D0L10.134755.fh.20161000505 光子晶体在织物表面的色泽呈现 张慧'，刘晓艳2 (1.东华大学纺织学院，上海201620：2.东华大学纺织面料技术教有部重点实验室，上海201620) 摘要为探究结构色在织物显色方面的可行性以及织物组织结构对光子品体结构色显色效果方面的影响，选用 不同织物组织结构的黑色涤纶织物为基材，采用经典的 法制各高圆整度、单分散，粒径为150~300m的 法将微球组装在涤纶织物 二得到显色效果较佳的光子品体结构色。使用 光光度计进 一步验证不 织物组织结构上光子品体结构色的显色差异。结果表明：在相同白组 工艺条件下，织物组织结构不同造成的反射光强度差异将会影响光子品体结构色的呈现：相比于平纹织物表面的 结构色，缎纹织物的结构色亮度相对较暗， 关键词结构色：光子品体：织物：平纹组织：缎纹组织 中图分类号：TS190.8 文献标志码：A Color development of photonic crystals on fabric surface ZHANG Hui',LIU Xiaoyan' (1.College of Textiles.Donghua Unirersity.Shanghai 201620.China:2.Key Laboratory f Textile Science Technology.Ministry of Education.Donghua University,Shanghai 201620.China) Abstract Polyester fabries with different fabrie structures were chosen as the base material to explore the feasibility of structural color applied to textile coloration and the influences of the fabrie structure on the structural color development of photonic erystals.Black polyester fabrics with different structures were chosen as the base material.SiO,microspheres with high roundness,excellent monodispersity and diameter ranging from 150 nm to 300 nm.were prepared by Stober method.The photonic erystals on polyester fabries with ordered arrangement were prepared by vertical deposition self-assembly of SiO. microspheres.and exhibited brilliant structural colors.The Lambda-35 UV-VIS spectrometer were applied to confir the color difference of structural color on polyester fabrics with different fabric structures.It proved that under the same self-assembly process conditions,the reflection difference caused by different fabric surface structures influences the luster of structural color on the fabric.Compared with satin fabrics.the luster of structural color on plain fabrics is more shiny. Keywords structural color;photonie crystal:fabric:plain structure:satin structure 目前，传统的纺织印染行业已是我国高能耗、高 构色是通过微米、亚微米或纳米级规则排列的结构 污染和高排放危害的重要来源之一，因此，迫切需要 对光进行干涉、散射和衍射等作用而产 生的视觉 发展一种不同于传统色素染色的新型显色技术。自 果，有高饱和、高亮度，虹彩效应等特点同。对纺织 然界中许多生物的亮丽色彩激发国内外学者通过物 品采用结构色显色，可降低传统印染工艺对环境造 理手段得到相应的周期性结构，从而反射出彩虹般 成的污染，具有十分重要的意义4-1。 的效果，例如孔雀的羽毛川，蝴蝶的翅膀等。 结 在结构色的制备和沉积方面，最为常见的是将 收稿日期：2016 -10-04 作者简介：张慧(199一），女，士生。究方向为先子品体结构生色在舒织品上的应用。刘晓艳，道信作者，Em 994-2018 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.enki.ne
第 38 卷 第 8 期 2017 年 8 月 纺 织 学 报 Journal of Textile Ｒesearch Vol． 38，No． 8 Aug． ，2017 DOI: 10. 13475 /j． fzxb． 20161000505 光子晶体在织物表面的色泽呈现 张 慧1 ，刘晓艳1，2 ( 1． 东华大学 纺织学院，上海 201620; 2． 东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620) 摘 要 为探究结构色在织物显色方面的可行性以及织物组织结构对光子晶体结构色显色效果方面的影响，选用 不同织物组织结构的黑色涤纶织物为基材，采用经典的 Stber 法制备高圆整度、单分散、粒径为 150 ～ 300 nm 的 SiO2 微球，通过垂直沉积自组装法将微球组装在涤纶织物上得到显色效果较佳的光子晶体结构色。使用 Lambda- 35 紫外-可见-分光光度计进一步验证不同织物组织结构上光子晶体结构色的显色差异。结果表明: 在相同自组装 工艺条件下，织物组织结构不同造成的反射光强度差异将会影响光子晶体结构色的呈现; 相比于平纹织物表面的 结构色，缎纹织物的结构色亮度相对较暗。 关键词 结构色; 光子晶体; 织物; 平纹组织; 缎纹组织 中图分类号: TS 190. 8 文献标志码: A Color development of photonic crystals on fabric surface ZHANG Hui1 ，LIU Xiaoyan1，2 ( 1． College of Textiles，Donghua University，Shanghai 201620，China; 2． Key Laboratory of Textile Science ＆ Technology，Ministry of Education，Donghua University，Shanghai 201620，China) Abstract Polyester fabrics with different fabric structures were chosen as the base material to explore the feasibility of structural color applied to textile coloration and the influences of the fabric structure on the structural color development of photonic crystals． Black polyester fabrics with different structures were chosen as the base material． SiO2 microspheres with high roundness，excellent monodispersity and diameter ranging from 150 nm to 300 nm，were prepared by Stber method． The photonic crystals on polyester fabrics with ordered arrangement were prepared by vertical deposition self-assembly of SiO2 microspheres，and exhibited brilliant structural colors． The Lambda-35 UV-VIS spectrometer were applied to confirm the color difference of structural color on polyester fabrics with different fabric structures． It proved that under the same self-assembly process conditions，the reflection difference caused by different fabric surface structures influences the luster of structural color on the fabric． Compared with satin fabrics，the luster of structural color on plain fabrics is more shiny． Keywords structural color; photonic crystal; fabric; plain structure; satin structure 收稿日期: 2016 － 10 － 04 修回日期: 2017 － 04 － 11 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51103021) 作者简介: 张慧( 1989—) ，女，硕士生。研究方向为光子晶体结构生色在纺织品上的应用。刘 晓 艳，通 信 作 者，E-mail: xiaoyanliu@ dhu． edu． cn。 目前，传统的纺织印染行业已是我国高能耗、高 污染和高排放危害的重要来源之一，因此，迫切需要 发展一种不同于传统色素染色的新型显色技术。自 然界中许多生物的亮丽色彩激发国内外学者通过物 理手段得到相应的周期性结构，从而反射出彩虹般 的效果，例如孔雀的羽毛［1］，蝴蝶的翅膀等［2］。结 构色是通过微米、亚微米或纳米级规则排列的结构 对光进行干涉、散射和衍射等作用而产生的视觉效 果，有高饱和、高亮度、虹彩效应等特点［3］。对纺织 品采用结构色显色，可降低传统印染工艺对环境造 成的污染，具有十分重要的意义［4 － 5］。 在结构色的制备和沉积方面，最为常见的是将
·92 纺织学报 第38卷 二氧化硅微球网或聚苯乙烯微球过一定 后，真空干燥得到固体Si0,微球 法重力沉积法、垂直沉积法，静电自组装法等) 1.2.2织物的前处理 自组装成光子晶体。大多数研究致力于制备纳米微 织物表面的油污、灰尘等杂质会影响S0,粒 球乳液以及如何在织物上有效地沉积结构色一 在纤维表面的吸附及分布均匀性，实验前需对织物预 但对织物组织结构结物伍品色效果卉面鲜右讲 处理。首先将织物在丙酮溶液中超声清洗15min。 步的分析和探 ,而在纳米颗粒组装光 晶体的过 然后将织物在洗液 浓硫酸 双氧水和蒸馏水体积 程中，为寻求稳定的结构，胶体球会首先在纤维裙皱 比为4：1：20)中浸泡10~30min,用去离子水冲洗： 处组装，沿着皱纹纵向排列，组装成多层结构，试想 将其浸泡于洗液（氨水、双氧水和蒸馏水体积比为 能否通过改变纤维表面结构或织物组织结构后获得 1:4:20)中浸泡20min,去离子水冲洗。最后将织物 独特风格的结构色织物。 置于烘箱中烘干(40℃)，处理后的涤纶织物表面干 文采用S 法合成粒径在150-30 争无杂物且具有 定的亲水性 单分散二氧化硅胶体微球，应用垂直沉积自组装法 1.2.3S0,粒子在涤纶织物上的组装 在涤纶织物上构造三维光子品体结构，获得色泽鲜 采用垂直沉积法在涤纶织物上自组装二氧化硅 明的结构色，并初步探讨不同织物组织结构对结构 三维光子品体。以2cm×7cm的长方形涤纶织物 色显色效果的影响。 作为基底.示音图加图】所示。 1实验部分 溶剂挥》 1.1实验材料和仪器 基部材料：涤纶织物（平纹、纹，在面料市场 购得。 试剂：正硅酸四乙酯（分析.$0，含量大于空 于28.4%，国药集团化学试剂有限公司)，氨水（分 析纯，25.0%-28.0%，上海凌峰化学试剂有限么 图1钠米S0,粒子在涤纶织物上的 司)，无水乙醇（分析纯，常熟市鸿盛精细化工有网 垂直白组装示意图 Fig.1 Schematic d of、ertical depositio 公司)，丙酮（分析纯≥99.8%，永华化学科技有限 for Sio,colloidal micmspheres on polvester fabric 公司)，双氧水（分析纯，国药集团化学试剂有限公 司)，浓硫酸分析纯98%，昆山品科微电子材料有 首先将上述制备得到的固体SO,纳米微球用 限公司可)。 无水乙醇稀释至质量分数为1.5%的悬浊液，超声 仪器及测试方法：Y802型恒温烘箱（常州纺到 分散均匀，然后用去离子水超声清洗经前处理的涤 仪晷厂)：S3500型粒度分析仪（英国Malvern仪器 纶织物10min,最后将织物垂直插入Si02悬浊液 有限公司)：S4800型场发射扫描电子显微镜： 放入40℃的烘箱中.直至溶剂完全挥发后，在涤轮 Lambda35的紫外可见分光光度度 织物上得到二氧化硅光子品体结构。 1.2 实验方法 1.3测试方法 1.2.1纳米S0,微球的制备 采用S3500型粒度分析仪测溶胶凝胶法制备的 首先在烧杯中加入7mL正硅酸四乙酯，用乙醇 二氧化硅乙醇溶液的平均粒径和粒径分布。采用 将其稀释至50mL.超声分散20min使其均匀分散 S4800型场发射扫描电子显微镜(FSEM)观察Si0, 形成A溶液。然后在250 胶体微球的表面形态、粒径大小和分布情况（加速 馏水和 电压为5.0kV,扫描范围为10 0 40mL,高速搅拌均匀形成B溶液。最后将A溶液 35紫外可见-分光光度计测定由不同粒 快速加入B溶液，降低搅拌速度反应5山。反应结 的二氧化硅微球所形成的胶体品体的反射光谱（参 束后.离心分离15min(7S00r/min).倾倒上层清 考标准为空白基质，波长范围为200~800nm,狭缝 液得到白色固体。用无水乙醇清洗白色固体3次 寇度为0.5nm) m al Electronic Publishing Hous right ve www.cnki.ne
纺织学报 第 38 卷 二氧化 硅 微 球［6］ 或聚 苯 乙 烯［7］ 微球通过一定方 法( 重力沉积法、垂直沉积法，静电自组装法等) ［8］ 自组装成光子晶体。大多数研究致力于制备纳米微 球乳液以及如何在织物上有效地沉积结构色［9 － 10］， 但对织物组织结构对结构色显色效果方面鲜有进一 步的分析和探讨，而在纳米颗粒组装光子晶体的过 程中，为寻求稳定的结构，胶体球会首先在纤维褶皱 处组装，沿着皱纹纵向排列，组装成多层结构，试想 能否通过改变纤维表面结构或织物组织结构后获得 独特风格的结构色织物。 本文采用 Stber 法合成粒径在 150 ～ 300 nm的 单分散二氧化硅胶体微球，应用垂直沉积自组装法 在涤纶织物上构造三维光子晶体结构，获得色泽鲜 明的结构色，并初步探讨不同织物组织结构对结构 色显色效果的影响。 1 实验部分 1. 1 实验材料和仪器 基部材料: 涤纶织物( 平纹、缎纹) ，在面料市场 购得。 试剂: 正硅酸四乙酯( 分析纯，SiO2 含量大于等 于 28. 4% ，国药集团化学试剂有限公司) ，氨水( 分 析纯，25. 0% ～ 28. 0% ，上海凌峰化学试剂有限公 司) ，无水乙醇( 分析纯，常熟市鸿盛精细化工有限 公司) ，丙酮( 分析纯≥ 99. 8% ，永华化学科技有限 公司) ，双氧水( 分析纯，国药集团化学试剂有限公 司) ，浓硫酸( 分析纯 98% ，昆山晶科微电子材料有 限公司) 。 仪器及测试方法: Y802 型恒温烘箱( 常州纺织 仪器厂) ; S3500 型粒度分析仪( 英国 Malvern 仪器 有限 公 司) ; S-4800 型场发射扫描电子显微镜; Lambda-35 的紫外-可见-分光光度度。 1. 2 实验方法 1. 2. 1 纳米 SiO2 微球的制备 首先在烧杯中加入 7 mL 正硅酸四乙酯，用乙醇 将其稀释至 50 mL，超声分散 20 min 使其均匀分散 形成 A 溶液。然后在 250 mL 烧杯中加入 15 mL 蒸 馏水和 一 定 量 的 氨 水 ( 催 化 剂) ，用乙 醇 稀 释 至 40 mL，高速搅拌均匀形成 B 溶液。最后将 A 溶液 快速加入 B 溶液，降低搅拌速度反应 5 h。反应结 束后，离心分离 15 min ( 7 500 r /min) ，倾倒上层清 液得到白色固体。用无水乙醇清洗白色固体 3 次 后，真空干燥得到固体 SiO2 微球。 1. 2. 2 织物的前处理 织物表面的油污、灰尘等杂质会影响 SiO2 粒子 在纤维表面的吸附及分布均匀性，实验前需对织物预 处理。首先将织物在丙酮溶液中超声清洗 15 min。 然后将织物在洗液 I( 浓硫酸，双氧水和蒸馏水体积 比为 4∶ 1∶ 20) 中浸泡 10 ～ 30 min，用去离子水冲洗; 将其浸泡于洗液 II( 氨水、双氧水和蒸馏水体积比为 1∶ 4∶ 20) 中浸泡20 min，去离子水冲洗。最后将织物 置于烘箱中烘干( 40 ℃ ) ，处理后的涤纶织物表面干 净无杂物且具有一定的亲水性。 1. 2. 3 SiO2 粒子在涤纶织物上的组装 采用垂直沉积法在涤纶织物上自组装二氧化硅 三维光子晶体。以 2 cm × 7 cm 的长方形涤纶织物 作为基底，示意图如图 1 所示。 图 1 纳米 SiO2 粒子在涤纶织物上的 垂直自组装示意图 Fig． 1 Schematic diagram of vertical deposition method for SiO2 colloidal microspheres on polyester fabric 首先将上述制备得到的固体 SiO2 纳米微球用 无水乙醇稀释至质量分数为 1. 5% 的悬浊液，超声 分散均匀，然后用去离子水超声清洗经前处理的涤 纶织物 10 min，最后将织物垂直插入 SiO2 悬浊液， 放入 40 ℃的烘箱中，直至溶剂完全挥发后，在涤纶 织物上得到二氧化硅光子晶体结构。 1. 3 测试方法 采用 S3500 型粒度分析仪测溶胶凝胶法制备的 二氧化硅乙醇溶液的平均粒径和粒径分布。采用 S-4800 型场发射扫描电子显微镜( FSEM) 观察 SiO2 胶体微球的表面形态、粒径大小和分布情况( 加速 电压为 5. 0 kV，扫描范围为 10 μm × 10 μm) 。采用 Lambda-35 紫外-可见-分光光度计测定由不同粒径 的二氧化硅微球所形成的胶体晶体的反射光谱( 参 考标准为空白基质，波长范围为 200 ～ 800 nm，狭缝 宽度为 0. 5 nm) 。 · 29 ·
第8期 张慧等：光子晶体在织物表面的色泽呈现 93 2结果与分析 2.1Si02粒子在涤纶织物上的组装 粒径范围合话的纳米胶体球组装成的光子品休 在光学被段能够产生布拉格效应，当光子晶体带隙 范围落在可见光范围内时，光子晶体将反射不能 播的光在晶体表面发生相干衍射 产生结构色 本文实验中，当二氧化硅微球的重复周期与可见光 的波长相近时发生布拉格衍射导致结构色。 图2示出组装结构色前织物的扫指电镜(SEM 照片。分别采用平纹和缎纹涤纶织物作为基底，可 看出，涤纶织物纱线规则交替，表面平整光洁，纤 形状规整，表面光滑，有利于单分散纳米微球在其表 )面图 面自组装。 图3涤轮织物自组装后SEM照片(×2000) Fig.3 Images of colloidal erystals on polyester fabric(x 20 000 a)Top-town view:b)Cross-sectional view 米颗粒粒径D成正比，当纳米微粒的粒径D增加 时，光子品体的带隙随之发生变化，相应反射光普图 平织 的被峰会发生变化，直接结果就是光子品体结构色 不同组织黑色涤纶织物的扫描电镜照片州×100 的通色发生变化 本文实验通过改变氨水的含量合成不同粒径的 10o).（a)Plain wo 氧化硅微球，在其他条件不变的情况下，随若氨水 在垂直自组装过程中，随溶剂的蒸发，球体在受 用量的增大溶液中一OH浓度增大，一方面提高了 到重力、浮力、毛细管力和静电排斥力等的作用下不 正硅酸四乙酯的水解速率，单体密度的增大导致成 断下沉，自发组装成稳定性较高的面心立方结构。 核数目增加：另一方面促进核的聚集生长，最终所生 光子品体结物的趣整性决定著织物上结物色的忌色 成的二氧化硅粒子的粒径也逐渐增大 效果，高圆 度、粒径可控、单分散好的二氧化硅微球 图4示出制得的二氧化硅微球的粒径分布图。 是组装理想光子品体的前提。只有颗粒相对偏差小 氨水量 于10修时，木能得到效果较好的紧繁推积结构。 图3示出在涤纶织物上讲行垂直自组装后得到光子 品体SEM俯视图和载面图。可看出、 二氧化硅纳为 微球表面光洁，粒径均匀，且排列成长程有序的面心 立方结构。 对于面心立方排列的光子晶体结构，其反射光 谱的波峰位置A可根据布拉格衍射 A=2dns=(8/3)1Dm2+ (1-升n2-sin2o11h 式中：A为最大反射峰波长：d为晶面距离：n为脱 图4二氧化硅微球的粒径分布图 Fig.4 Size distribution of Si0,colloidal micerosphere 体晶体的有效折射率：D为胶体球粒径大小：「为面 心立方结构的填充因子：m,和m.分别指Si0,和空 由图4可看出，随氨水含量的增加，二氧化硅微 气的折射率：的为入射光角度。由公式可得，与 球粒径呈增加趋势。此外，微球颗粒粒径分布比较 1994-2018 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.ne
第 8 期 张 慧 等: 光子晶体在织物表面的色泽呈现 2 结果与分析 2. 1 SiO2 粒子在涤纶织物上的组装 粒径范围合适的纳米胶体球组装成的光子晶体 在光学波段能够产生布拉格效应，当光子晶体带隙 范围落在可见光范围内时，光子晶体将反射不能传 播的光在晶体表面发生相干衍射，产生结构色。在 本文实验中，当二氧化硅微球的重复周期与可见光 的波长相近时发生布拉格衍射导致结构色。 图2 示出组装结构色前织物的扫描电镜( SEM) 照片。分别采用平纹和缎纹涤纶织物作为基底，可 看出，涤纶织物纱线规则交替，表面平整光洁，纤维 形状规整，表面光滑，有利于单分散纳米微球在其表 面自组装。 图 2 不同组织黑色涤纶织物的扫描电镜照片( × 100) Fig． 2 SEM imagines of black polyester fabric with different fabric structure( × 100) ． ( a) Plain woven; ( b) Satin woven 在垂直自组装过程中，随溶剂的蒸发，球体在受 到重力、浮力、毛细管力和静电排斥力等的作用下不 断下沉，自发组装成稳定性较高的面心立方结构。 光子晶体结构的规整性决定着织物上结构色的显色 效果，高圆度、粒径可控、单分散好的二氧化硅微球 是组装理想光子晶体的前提。只有颗粒相对偏差小 于 10% 时，才能得到效果较好的紧密堆积结构。 图 3示出在涤纶织物上进行垂直自组装后得到光子 晶体 SEM 俯视图和截面图。可看出，二氧化硅纳米 微球表面光洁，粒径均匀，且排列成长程有序的面心 立方结构。 对于面心立方排列的光子晶体结构，其反射光 谱的波峰位置 λ 可根据布拉格衍射［11］: λ = 2dneff = ( 8 /3) 1 /2 D［fnp 2 + ( 1 － f) nm 2 － sin2 φ］1 /2 式中: λ 为最大反射峰波长; d 为晶面距离; neff为胶 体晶体的有效折射率; D 为胶体球粒径大小; f 为面 心立方结构的填充因子; np 和 nm 分别指 SiO2 和空 气的折射率; φ 为入射光角度。由公式可得，λ 与纳 图 3 涤纶织物自组装后 SEM 照片( × 20 000) Fig． 3 Images of colloidal crystals on polyester fabric( × 20 000) ． ( a) Top-down view; ( b) Cross-sectional view 米颗粒粒径 D 成正比，当纳米微粒的粒径 D 增加 时，光子晶体的带隙随之发生变化，相应反射光谱图 的波峰会发生变化，直接结果就是光子晶体结构色 的颜色发生变化。 本文实验通过改变氨水的含量合成不同粒径的 二氧化硅微球，在其他条件不变的情况下，随着氨水 用量的增大，溶液中—OH 浓度增大，一方面提高了 正硅酸四乙酯的水解速率，单体密度的增大导致成 核数目增加; 另一方面促进核的聚集生长，最终所生 成的二氧化硅粒子的粒径也逐渐增大。 图 4 示出制得的二氧化硅微球的粒径分布图。 图 4 二氧化硅微球的粒径分布图 Fig． 4 Size distribution of SiO2 colloidal miccrospheres 由图 4 可看出，随氨水含量的增加，二氧化硅微 球粒径呈增加趋势。此外，微球颗粒粒径分布比较 · 39 ·
·94 纺织学报 第38卷 窄、单分散性，为后续在织物上组装理想显色效果结 米颗粒在不同织物组织结构的涤纶织物上组装光了 构色做好准备。 品体后所得结构色的紫外可见光谱(UVS)图 图5示出在平纹涤纶织物上组装不同粒径S0 在光谱学中.峰位代表若波长，对应若额色的色调：峰 微球后得到的3种光子品体结构色。粒径大小依次 强代表着明度.强度较大的反射峰对应着的颜色亮度 为190,232、255nm.分别呈现蓝、绿、红3种颜色 较高：峰的半高宽则决定者色彩的饱和度，较宽的峰 颜色饱和度高，这说明组成光子晶体的纳米微球 所对应的颜色饱和度相对较低 分散性较好，所组装的光子品体是长程有序的，且有 255 到的结构色颜色随微球尺寸增大而红移，符合上述 布拉格衔射公式。 (b)232 nm e255 图5不同粒径下平纹涤纶织物上的结构色 Fig.5 Structural color on plain polvester fabrics by self- assembling SiO,microspheres of different diameters 2.2织物结构对光子晶体显色的影响 在自组装时利用垂直沉降法将涤轮织物垂直 入含有单分散微球的自组装溶液悬浊液中。当温度 恒定时，液体表面沿若基质绥慢下降，微球在基厨表 面自组装成具有周期性排列的光子晶体结构，光 品体整体比较均匀，但由于厚度比较薄，微球的排列 比较稀疏，受织物表面的组织结构影响大。 图6示出粒径大小依次为190、232、255nm的Si0 粒子在缎纹涤纶织物上的结构显色。与图5相比可看 出)种织物上的结构伍伍调基本一致但相比于平约 织物的结构色，纹织物的结构色相对暗淡， 图7不同组织结构涤纶织物结构色的UVs图 Fig.7 UV-VIS diagra structure on polvester fabrics with plain (a) and satin b)structure 由图7可看出，相同粒径自组装后织物结构色 的波峰波谷分布基本不变，即反射波长相同，这说明 b232 e0255 在相同入射角下观察，同一S0,光子晶体粒径大小 对应同一结构色显色色相，当光子晶体粒径增大时 图6组装不同粒径S02时缎纹涤轮织物上的结构色 结构色反射波长光子禁带向长波方向移动，即光于 Fig.6 Structural color on plain polyester fabrics by self-assembling Sio.microspheres of different diamete 晶体结构色发生红移。此外，在图中还可看到，平纹 织物的反射率比缎纹织物的反射率大，尤其经光了 2.3光谱分析 品体组装后反差更大，从而导致结构色亮度的差异 对可见光的感知范围和描述判断因人而异，仅凭 故织物组织结构不同造成的反射光差异将会影响薄 肉眼观察，靠人的视觉来评价色彩并不准确，为进 膜结构色的呈现。 步探讨织物表面纹路对光子晶体自组装的影响，利用 图8示出实验所用平纹和缎纹织物组织结构 紫外可见-分光光度仪进行测试。图7示出S0,纳 图。由图可看出，平纹织物交织点名且密，加上交织 1994-2018 China Aeademic Joumal Electronic Publishing House All rights erved http://www.cnki.ne
纺织学报 第 38 卷 窄、单分散性，为后续在织物上组装理想显色效果结 构色做好准备。 图 5 示出在平纹涤纶织物上组装不同粒径 SiO2 微球后得到的 3 种光子晶体结构色。粒径大小依次 为 190、232、255 nm，分别呈现蓝、绿、红 3 种颜色， 颜色饱和度高，这说明组成光子晶体的纳米微球单 分散性较好，所组装的光子晶体是长程有序的，且得 到的结构色颜色随微球尺寸增大而红移，符合上述 布拉格衍射公式。 图 5 不同粒径下平纹涤纶织物上的结构色 Fig． 5 Structural color on plain polyester fabrics by selfassembling SiO2microspheres of different diameters 2. 2 织物结构对光子晶体显色的影响 在自组装时利用垂直沉降法将涤纶织物垂直插 入含有单分散微球的自组装溶液悬浊液中。当温度 恒定时，液体表面沿着基质缓慢下降，微球在基质表 面自组装成具有周期性排列的光子晶体结构，光子 晶体整体比较均匀，但由于厚度比较薄，微球的排列 比较稀疏，受织物表面的组织结构影响大。 图6 示出粒径大小依次为190、232、255 nm 的 SiO2 粒子在缎纹涤纶织物上的结构显色。与图 5 相比可看 出，2 种织物上的结构色色调基本一致，但相比于平纹 织物的结构色，缎纹织物的结构色相对暗淡。 图 6 组装不同粒径 SiO2 时缎纹涤纶织物上的结构色 Fig． 6 Structural color on plain polyester fabrics by self-assembling SiO2 microspheres of different diameter 2. 3 光谱分析 对可见光的感知范围和描述判断因人而异，仅凭 肉眼观察，靠人的视觉来评价色彩并不准确，为进一 步探讨织物表面纹路对光子晶体自组装的影响，利用 紫外-可见-分光光度仪进行测试。图 7 示出 SiO2 纳 米颗粒在不同织物组织结构的涤纶织物上组装光子 晶体后所得结构色的紫外-可见光谱( UV-VIS) 图。 在光谱学中，峰位代表着波长，对应着颜色的色调; 峰 强代表着明度，强度较大的反射峰对应着的颜色亮度 较高; 峰的半高宽则决定着色彩的饱和度，较宽的峰 所对应的颜色饱和度相对较低。 图 7 不同组织结构涤纶织物结构色的 UV-VIS 图 Fig． 7 UV-VIS diagram of photonic crystal structure on polyester fabrics with plain ( a) and satin ( b) structure 由图 7 可看出，相同粒径自组装后织物结构色 的波峰波谷分布基本不变，即反射波长相同，这说明 在相同入射角下观察，同一 SiO2 光子晶体粒径大小 对应同一结构色显色色相，当光子晶体粒径增大时， 结构色反射波长光子禁带向长波方向移动，即光子 晶体结构色发生红移。此外，在图中还可看到，平纹 织物的反射率比缎纹织物的反射率大，尤其经光子 晶体组装后反差更大，从而导致结构色亮度的差异， 故织物组织结构不同造成的反射光差异将会影响薄 膜结构色的呈现。 图 8 示出实验所用平纹和缎纹织物组织结构 图。由图可看出，平纹织物交织点多且密，加上交织 · 49 ·
第8期 张慧等：光子晶体在织物表面的色泽呈现 ·95 点处经纬纱线屈曲波高小，在纤维非交织的区域微 球排列相当紧密、有序，凸起部分受纤维排列形态影 响较下凹部分大，可隐约看到纤维的排列，但总体来 看S0。粒子组装均匀有序，此外在交织点处由于屈 on the relationship hetween nanostructure and colr of 曲波高小，故对整体的成膜效果不影响：五枚三飞经 peacoek feather and its bi n Naturalium Universitatis Pekinensis.2010, 面缎纹涤纶织物的经向浮长线长，S0,粒子可在 面积范围内连续的组装有序的光子品体，在此范围 内结构鱼均匀日显鱼效果好但是在交织占处由于 ，butterdlics,inl.and moths【d]. Chemical Reviews.1999.99(7):1935 -1962 纱线的凸凹不整，Si0,纳米粒子排列相对较错乱 [3]刘志福.基于光子品体的结构色纤维制备及其显色 有些地方甚至有损坏甚至脱落现象 性能研究[D].上海：东华大学，2013：5-20. LIU Zhifu. coloratio 012.50 ]NASSAU K.The Physies and Chemistry of Colo [M] New York:Iohn Wiley Sons.Inc.2001:3-31 张警，表伟，周宁，等。结构生色及其染整应 a平纹组织 用： U刀.印染，2012(15)：44-46 ZHANG Ao,YUAN Wei,ZHOU Ning.et al.Structun 图8织物组织图 Fig.8 Weave diagram.a)Plain structure （b）Satin structure 2012/151.44=46 总体来看，缎纹织物表面光泽除受到正反射光 6) 李义臣，刘国金，邵建中，等. 一氢化硅/聚甲其丙矫 作用外，有规律的漫射光及散射使其光泽较平纹驾 酸甲酯光子品体在涤轮织物上的结构生色小].纺织 物暗淡，但另一方面是由于纤维及纱线是毫米级的 10):62-6 而需要组装的胶体颗粒是钠米级的，垂直沉积法制 的光子品体薄隙厚度处处相同，故织物组织结松 对织物结构色显色色相基本无影响。 62-67 [7 ZHOU L.LIU G.WU Y.et al.The synthesis of core 3结论 th tunab 1)本文采用S5her法制备单分散SiO,纳米微 2014.15:2-112 球 氧化硅纳米微球表面光洁，粒径均匀，且排列 [8 ZHANG J H.SUN Z Q.YANG B.Self-assembly of 成长程有序的面心立方结构 photonic crystals from 2)通过垂直沉积自组装法将不同粒径大小的 Opinion in Colloid Interface Science.2009.14: 0B-114 纳米S0,粒子组装在涤纶织物上，制备得到的织物 [9] TOH G 结构色品色规律符合布拉格衍射公式，结构色领色 DIAO Y Y.LIU X Y 随微球尺寸增大而红移。将仿生结构色应用于织物 色方面可解决传统染色生的环墙污染问颗 Functi0 nalMaterials.2013.23(43:5373-5380. 3)不同的织物组织结构影响着纳米颗粒在织 [10]叶丽华，杜文琴.结构色织物的光学性能，纺织 物表面的组装结构，从而影响织物表面进行选择性 相干衍射光的强度，导致观察到的结构色亮度差异 相比于平纹织物的结构色，缎纹织物的结构色亮度 Research.2016.378:83-88 相对暗淡。 FZXB [11]LU Y.YIN Li Zhivuan et al Colloidal crystals made of polystyrene spheroids:fabrication and 参考文献 ral/ootical eation [1】粪类，卢永凯，王红风，等。孔雀羽毛的纳米结构生色 2002.18(20):7722-7727 1994-2018 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.enki.ne
第 8 期 张 慧 等: 光子晶体在织物表面的色泽呈现 点处经纬纱线屈曲波高小，在纤维非交织的区域微 球排列相当紧密、有序，凸起部分受纤维排列形态影 响较下凹部分大，可隐约看到纤维的排列，但总体来 看 SiO2 粒子组装均匀有序，此外在交织点处由于屈 曲波高小，故对整体的成膜效果不影响; 五枚三飞经 面缎纹涤纶织物的经向浮长线长，SiO2 粒子可在大 面积范围内连续的组装有序的光子晶体，在此范围 内结构色均匀且显色效果好，但是在交织点处，由于 纱线的凸凹不整，SiO2 纳米粒子排列相对较错乱， 有些地方甚至有损坏甚至脱落现象。 图 8 织物组织图 Fig． 8 Weave diagram． ( a) Plain structure; ( b) Satin structure 总体来看，缎纹织物表面光泽除受到正反射光 作用外，有规律的漫射光及散射使其光泽较平纹织 物暗淡，但另一方面是由于纤维及纱线是毫米级的， 而需要组装的胶体颗粒是纳米级的，垂直沉积法制 备的光子晶体薄膜厚度处处相同，故织物组织结构 对织物结构色显色色相基本无影响。 3 结 论 1) 本文采用 Stber 法制备单分散 SiO2 纳米微 球，二氧化硅纳米微球表面光洁，粒径均匀，且排列 成长程有序的面心立方结构。 2) 通过垂直沉积自组装法将不同粒径大小的 纳米 SiO2 粒子组装在涤纶织物上，制备得到的织物 结构色显色规律符合布拉格衍射公式，结构色颜色 随微球尺寸增大而红移。将仿生结构色应用于织物 着色方面，可解决传统染色产生的环境污染问题。 3) 不同的织物组织结构影响着纳米颗粒在织 物表面的组装结构，从而影响织物表面进行选择性 相干衍射光的强度，导致观察到的结构色亮度差异， 相比于平纹织物的结构色，缎纹织物的结构色亮度 相对暗淡。 FZXB 参考文献: ［1］ 龚䶮，卢永凯，王红凤，等． 孔雀羽毛的纳米结构生色 机理及其仿生结构器件的应用初探［J］． 北京大学学 报( 自然科学版) ，2010，46( 5) : 859 － 862． GONG Yan，LU Yongkai，WANG Hongfeng，et al． Study on the relationship between nanostructure and color of peacock feather and its biomimetic application［J］． Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis，2010， 46( 5) : 859 － 862． ［2］ SＲINIVASAＲAO M． Nano-optics in the biological world: beetles， butterflies， birds， and moths ［J］． Chemical Ｒeviews，1999，99( 7) : 1935 － 1962． ［3］ 刘志福． 基于光子晶体的结构色纤维制备及其显色 性能研究［D］． 上海: 东华大学，2013: 5 － 20． LIU Zhifu． Preparation and coloration properties of thestructurally colored fiber based on photonic crystals［D］． Shanghai: Donghua University，2013: 5 － 20． ［4］ NASSAU K． The Physics and Chemistry of Color［M］． New York: John Wiley ＆ Sons，Inc，2001: 3 － 31． ［5］ 张 骜，袁 伟，周 宁，等． 结 构 生 色 及 其 染 整 应 用: 三 ［J］． 印染，2012( 15) : 44 － 46． ZHANG Ao，YUAN Wei，ZHOU Ning，et al． Structural coloration and its application prospect in dyeing and finishing industry: III ［J］． China Dyeing ＆ Finishing， 2012( 15) : 44 － 46． ［6］ 李义臣，刘国金，邵建中，等． 二氧化硅/聚甲基丙烯 酸甲酯光子晶体在涤纶织物上的结构生色［J］． 纺织 学报，2016，37( 10) : 62 － 67． LI Yichen，LIU Guojin，SHAO Jianzhong，et al． Structural colors of SiO2 /PMMA photonic crystals on polyester fabrics［J］． Journal of Textile Ｒesearch，2016，37( 10) : 62 － 67． ［7］ ZHOU L，LIU G，WU Y，et al． The synthesis of coreshell monodisperse p ( St-MAA ) microspheres and fabrication of photonic crystals structure with tunable colors on polyester fabrics［J］． Fibers ＆ Polymers， 2014，15( 6) : 1112 － 1122． ［8］ ZHANG J H，SUN Z Q，YANG B． Self-assembly of photonic crystals from polymer colloids［J］． Current Opinion in Colloid ＆ Interface Science，2009，14: 103 － 114． ［9］ DIAO Y Y，LIU X Y，TOH G W，et al． Multiple structural coloring of silk-fibroin photonic crystals and humidity-responsive color sensing［J］． Advanced Functional Materials，2013，23( 43) : 5373 － 5380． ［10］ 叶丽华，杜文琴． 结构色织物的光学性能［J］． 纺织 学报，2016，37( 8) : 83 － 88． YE Lihua，DU Wenqin． Optical properties of fabric with multiple structural colors［J］． Journal of Textile Ｒesearch，2016，37( 8) : 83 － 88． ［11］ LU Y， YIN Yadong． Li Zhiyuan，et al． Colloidal crystals made of polystyrene spheroids: fabrication and structural /optical characterization［J］． Langmuir， 2002，18( 20) : 7722 － 7727． · 59 ·