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浙理工邵建中教授團(tuán)隊(duì) Small：基于高濃度納米微球合成的液態(tài)光子晶體及其在紡織品結(jié)構(gòu)生色中的應(yīng)用

2023-10-01 來(lái)源：高分子科技

關(guān)鍵詞：光子晶體結(jié)構(gòu)生色織物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高顏色飽和度納米微球

仿生光子晶體結(jié)構(gòu)生色無(wú)需應(yīng)用染料或顏料等化學(xué)著色劑，且不存在光化學(xué)反應(yīng)而褪色的問(wèn)題，有望成為紡織品等多種基材生態(tài)著色的重要途徑。通過(guò)液態(tài)光子晶體組裝可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)色紡織品的快速大面積制備，然而，液態(tài)光子晶體的高效制備仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。若能通過(guò)乳液聚合法直接制備高濃度的納米微球體系，并使其具備液態(tài)光子晶體的結(jié)晶特性，則可顯著提高液態(tài)光子晶體的制備效率，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)在紡織基材上快速制備結(jié)構(gòu)生色光子晶體的效果。然而，由乳液聚合法直接制備高濃度的膠體納米微球由于單體濃度較高，隨著聚合反應(yīng)的進(jìn)行，體系易轉(zhuǎn)相，導(dǎo)致粘度陡然增大，體系失去流動(dòng)性和穩(wěn)定性，從而使直接聚合反應(yīng)難以繼續(xù)進(jìn)行。

近期，浙江理工大學(xué)邵建中教授團(tuán)隊(duì)提出一種高濃度光子晶體基元納米微球分散液可控宏量制備的方法，該方法通過(guò)在乳液聚合過(guò)程中加入pH調(diào)節(jié)劑，解決因引發(fā)劑受熱分解產(chǎn)生氫離子（H⁺）而使聚合體系的pH降低，乳化劑的乳化能力下降，體系轉(zhuǎn)相的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)直接合成制得高質(zhì)量分?jǐn)?shù)（40 wt%）PS納米微球分散液的效果。進(jìn)而對(duì)高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米微球分散液進(jìn)行透析純化，去除體系中的低聚物及小分子鹽類等物質(zhì)，提高納米微球之間的靜電排斥勢(shì)能，制得了顏色鮮艷亮麗的液態(tài)光子晶體。得益于液態(tài)光子晶體優(yōu)異的動(dòng)態(tài)恢復(fù)性，通過(guò)外力剪切誘導(dǎo)組裝技術(shù)將液態(tài)光子晶體施加到柔性紡織基材上，實(shí)現(xiàn)光子晶體結(jié)構(gòu)生色織物的快速大面積制備；結(jié)合噴涂法實(shí)現(xiàn)具有虹彩效應(yīng)的圖案化光子晶體結(jié)構(gòu)生色織物的制備。并在光子晶體結(jié)構(gòu)生色織物表面構(gòu)建封裝層，實(shí)現(xiàn)光子晶體的高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和高顏色飽和度的一致性。在聚合反應(yīng)過(guò)程中，由于引發(fā)劑過(guò)硫酸鉀受熱分解會(huì)產(chǎn)生H⁺，在高濃度乳液聚合過(guò)程中，隨著聚合反應(yīng)的進(jìn)行，體系內(nèi)H⁺的濃度不斷增大，以致乳液的pH下降，使整個(gè)聚合體系呈強(qiáng)酸性。在較低的pH情況下，聚合過(guò)程中的微球表面吸附的表面活性劑陰離子結(jié)合H⁺質(zhì)子，導(dǎo)致陰離子表面活性劑的電荷效應(yīng)削弱，乳化分散能力下降，進(jìn)而直接影響聚合體系的穩(wěn)定性，產(chǎn)生微球間聚合和體系失穩(wěn)問(wèn)題，以致聚合反應(yīng)無(wú)法順利進(jìn)行。

圖1 陰離子表面活性劑在PS納米球表面隨pH變化示意圖

在分析和了解聚合反應(yīng)過(guò)程中體系不穩(wěn)定的內(nèi)在原因是低pH條件下陰離子表面活性劑SDS的乳化分散能力下降的問(wèn)題后，通過(guò)在反應(yīng)體系中加入pH調(diào)節(jié)劑Na₂CO₃，中和反應(yīng)體系中引發(fā)劑分解產(chǎn)生的H⁺，避免聚合體系處于強(qiáng)酸性狀態(tài)，保證表面活性劑SDS的乳化分散能力，使聚合反應(yīng)得以順利進(jìn)行，得到高濃度的納米微球分散液體系。

圖2 不同pH調(diào)節(jié)劑濃度下聚合反應(yīng)過(guò)程及其聚合反應(yīng)產(chǎn)物表征

通過(guò)乳液聚合法制備的高濃度納米微球分散液體系中存在著許多乳化劑分子以及少量的低聚物，這些物質(zhì)的存在會(huì)提高體系中的離子強(qiáng)度，降低介質(zhì)的介電常數(shù)，從而使納米微球之間的靜電斥力減小，影響膠體體系的穩(wěn)定性，并干擾體系內(nèi)納米微球的預(yù)結(jié)晶行為。因此將所制備的納米微球分散液進(jìn)行透析純化，去除體系中的一些低聚物及小分子鹽類等物質(zhì)，可以降低體系中的離子強(qiáng)度，提高介質(zhì)的介電常數(shù)，從而提高納米微球之間的靜電排斥勢(shì)能，使納米微球在靜電斥力（遠(yuǎn)程力）和范德華引力（近程力）的平衡作用下自發(fā)有序排列組裝，從而形成預(yù)結(jié)晶形態(tài)的液態(tài)光子晶體。

圖3 透析純化前后微球分散液體系的變化

研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)液態(tài)光子晶體中納米微球粒徑和質(zhì)量分?jǐn)?shù)的調(diào)控可得到不同結(jié)構(gòu)色效果的液態(tài)光子晶體。所制備的液態(tài)光子晶體當(dāng)受到外力擾動(dòng)作用時(shí)，液態(tài)光子晶體中納米微球有序排列結(jié)構(gòu)被破壞解組裝成無(wú)序排列結(jié)構(gòu)；當(dāng)外力釋去后，納米微球會(huì)在10 s重新自組裝成有序的晶體結(jié)構(gòu)，具有良好的流動(dòng)性與動(dòng)態(tài)恢復(fù)性。

圖4 不同粒徑的液態(tài)光子晶體

圖5 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的液態(tài)光子晶體

圖6液態(tài)光子晶體的動(dòng)態(tài)恢復(fù)性

以液態(tài)光子晶體為組裝中間體，結(jié)合外力剪切誘導(dǎo)作用下可以實(shí)現(xiàn)光子晶體結(jié)構(gòu)生色織物的大面積快速制備。結(jié)合噴涂法也可以制備具有虹彩效應(yīng)的光子晶體結(jié)構(gòu)生色織物。最后通過(guò)封裝聚合物對(duì)光子晶體結(jié)構(gòu)生色織物進(jìn)行封裝，可提高光子晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)光子晶體結(jié)構(gòu)生色織物的高穩(wěn)定性和高飽和度的一致性。

圖7 液態(tài)光子晶體在紡織基材上的應(yīng)用

圖8 光子晶體結(jié)構(gòu)生色織物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

相關(guān)研究成果以“Bionic Structural Coloration of Textiles Using the Synthetically Prepared Liquid Photonic Crystals”為題發(fā)表在國(guó)際知名期刊Small上。浙江理工大學(xué)博士生李新陽(yáng)為本論文的第一作者，浙江理工大學(xué)邵建中教授和蘇州大學(xué)李義臣博士為本論文的通訊作者。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No.52203275，52003242，51773181）、中國(guó)博士后面上基金（2022M712302），浙江省自然科學(xué)基金（LY20E030006）、浙江省公益技術(shù)研究項(xiàng)目（LGC20E030001）和江蘇省自然科學(xué)基金(BK20220503)等項(xiàng)目的支持。

全文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202302550

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（責(zé)任編輯：xu）

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