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漂亮!浙江理工大学邵建中/加州大学殷亚东《AFM》:大规模制备结构色纺织品!

高分子科学前沿

作者|高分子科学前沿 来源|高分子科学前沿(ID:Polymer-science)

自1856年威廉·亨利·珀金(William Henry Perkin)偶然发现了第一种合成染料(紫红色)以来,各种有机合成染料不断出现,大大丰富了我们的世界。然而,由染色过程引起的污染给环境带来了重大挑战。另外,化学染料的发色团容易被光照射破坏,导致光致漂白。结构色是由可见光与周期性亚微米介电结构之间的相互作用产生的,广泛存在于自然界的许多生物中,例如变色龙皮肤、蝴蝶翅膀、蜂鸟和孔雀羽毛。与染料的颜色相比,结构色具有许多优势,包括金属光泽、耐光性、低毒性和持久性。在过去的几十年中,为了模仿这些引人入胜的生物,已进行了许多研究工作,以开发具有人工周期性结构的结构色材料,例如胶体光子晶体(PC)、聚合物反蛋白石,光子玻璃、布拉格光栅和胆甾型液晶,用于涂料、显示器、化学或物理传感器、和防伪装置。在这些结构有色材料中,由于高质量的胶体构建基块方便易得以及所得结构的光学特性可调,因此已对胶体PC进行了深入研究。

最近,浙江理工大学邵建中教授和美国加州大学殷亚东教授在《Advanced Functional Materials》上发表了题为“Shear‐Induced Assembly of Liquid Colloidal Crystals for Large‐Scale Structural Coloration of Textiles”的文章,报告了通过剪切诱导的预结晶液态胶体晶体(LCC)的组装,在柔性织物基材上生产大面积胶体光子晶体的策略。加快组装过程并确保长程有序的关键策略是使用通过将稀释的聚苯乙烯(PS)胶体浓缩至高于临界体积分数而形成的预结晶LCC。 这些LCC是小胶体晶体在溶液中的分散体,通过晶体中相邻粒子的短程范德华吸引和晶体之间的长程静电排斥来稳定。当应用于柔性织物基材时,LCC可以在剪切力的作用下快速连接并有效地将其结构重新排列为远程有序PC。LCC的使用消除了主要单元的常规结晶步骤,该步骤很耗时,并且在强制加快溶剂蒸发速度时容易出现缺陷。更重要的是,有效的剪切诱导装配策略可以直接应用于具有复杂纹理的表面,从而有助于以适合工业应用的规模生产结构色织物或纸张。此外,这种剪切诱导的组装策略允许在具有可编程润湿性的织物上方便地打印结构色图案。

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图文导读

当PS球浓缩至高于临界分数时,由于球的高表面电荷,它们会自组装成LCC,并保持稳定的分散状态。由于可见光通过晶格的相干衍射,LCC呈现明亮的结构色。通过添加0.1 wt%的炭黑颗粒以吸收源自各个PS珠的散射光,可以增强色彩对比度。与相应的固态PC的带隙位置相比,LCC的更大。

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LCC的制备

随着PS球(ϕPS)的体积分数从30%增加到50%,可以观察到微观相从非晶态过渡到部分晶态然后再到全晶相的过程。由于微晶内的颗粒间距离减小,反射峰随ϕPS的增加而呈现蓝移。

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LCC与PS体积分数的依赖性

LCC的一个重要特征是它们的非密堆积和流体性质,这使它们在受到干扰时很容易分解,而在消除干扰后又重新组装成晶体。由于LCC以溶剂包裹的晶体胶体阵列形式存在,其排列结构稳定性较差。晶体中相邻带电PS球的范德华力吸引和静电排斥之间的平衡很容易被合并液体的流动所干扰,导致胶体晶体的崩塌和向非晶相的转变。

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LCC的“非晶”和“晶体”相之间的恢复转化

LCC的流体性质及其快速重新组装的能力可在剪切力的帮助下用于在织物基材上生产大规模PC涂层。原始的随机取向的LCC可以通过使用单向移动线棒施加的横向剪切力,很容易地在织物表面散布。剪切力还引起胶体组件的快速重构,以在亲水性织物基材上形成高度结晶的PC膜。 在铺展过程中,LCC首先会受到剪切力的干扰和分解,然后迅速重新组装成取向良好的LCC膜,其(111)面与基材平行。最后,定向的LCC在水蒸发后凝结成密排PC的固体膜。

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从LCC分散体制备大规模PC膜

组装对表面光滑度没有严格要求,可用于织物和纸张等有纹理的基材。可以在柔性织物衬底上制备出尺寸超过100cm×50cm的各种彩色PC膜。SEM显示,PC膜由高度有序的六方密排阵列的多个域组成。除了柔性织物外,其他基材,如聚酯(PET)、图纸和玻璃也可用于制造明亮的结构色涂层,验证了当前策略的普遍性。

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在不同基材上的大面积PC膜

除了使用炭黑粉末增强颜色对比度外,添加适量的P(MMA-BA)乳胶作为粘合剂,以增加所得结构彩涂层的机械稳定性。人工揉搓20次后,结构色涂层几乎保持完整,仅对褶皱区域有少量损伤。

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结构色织物的机械稳定性

通过控制基材的润湿性,可产生结构色的复杂图案。首先进行氟化处理,使整个基材具有疏水性,然后用掩膜覆盖基材并将其暴露于氧等离子体中,使所选区域具有亲水性。在剪切力下扩散时,LCC的重新组装被限制在亲水区域,从而在织物基材上形成结构色图案。

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控制基材润湿性实现结构色图案

亮点小结

综上所述,作者基于预结晶液晶的剪切诱导组装,开发了一种在柔性衬底上制备大规模结构色PC薄膜的有效策略。预结晶液晶的流体性质及其快速重构的能力使得它们能够在剪切力下很容易地在有纹理的衬底上扩散,并快速组装成具有明亮结构色的高度结晶的PC膜。结构色膜的有效形成还得益于LCC分散体中的最小溶剂量,溶剂快速蒸发并且在几分钟内产生大面积的高质量固体PC膜。在具有预定润湿性的衬底上还可以产生多种结构色图案。目前的策略允许在纸和织物等有纹理的基底上大面积快速生产高质量的PC膜,从而为纺织品的结构着色提供了一条经济有效的途径。

编者按:本文转载自微信公众号:高分子科学前沿(ID:Polymer-science)


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