微流控制备皮芯非晶结构色纤维及机理研究

The period of “the 13th Five-Year Plan” is the critical stage of China's construction of a powerful textile country. The green manufacturing technology in textile dyeing industry is an important implementation of the progress of science and technology. At the same time, the high pollution discharging enterprises in the dyeing industry are strictly restricted and banned by the State Council " Action plan for the prevention and control of water pollution" (2015). On the basis of our previous research, we propose a new idea to fabricate the core-shell structure color fibers: the core of the fibers is composed of amorphous photonic structure and coated by the specific transparent polymer materials. The novel fibers should have certain mechanical strength and excellent characteristics of color (hue, brightness and saturation). The research contents include: the precise regulation of the microfluidic spinning device and spinning parameters optimization are performed to control the amorphous photonic structure assembled by the colloidal microspheres in the core of the coaxial structure fibers. The coloration mechanism of the core-shell fibers is investigated in detail. Through the regulation of the microfluidic spinning parameters, the effect of the internal structure and of polymeric wrapping materials of the core-shell fibers on the optical properties is studied accordingly. Based on the material selection, structure design and additives, the synergistic mechanism and method to enhance the mechanical strength and characteristics of color of the core-shell fibers are understood and realized. Our goal of this project is to develop a fiber fabrication technology with strong mechanical strength (close to common fibers) and tunable color characteristics. Eventually, the continuous batch fabrication of the novel fibers and their typical application demonstration will be realized.

“十三五”时期（2016-2020年），是我国建成纺织强国的冲刺阶段，纺织印染行业的绿色制造技术作为科技进步的重要实施内容。同时印染行业的高污染排放企业受到国务院“水十条”（2015）的严格限制和取缔。在前期研究基础上，本项目提出一种皮芯结构色纤维制备新思路：芯层采用非晶光子晶体结构，皮层采用透明高分子材料对芯层进行包覆，获得具有一定力学强度和颜色特性（色调、亮度和饱和度等）较好的结构色纤维。研究内容包括：对微流控纺丝装置优化和纺丝参数的精确调控，将胶体微球自组装形成的非晶光子晶体结构封装到纤维内部形成同轴结构，研究皮芯结构纤维的显色机理；通过对微流控纺丝参数的调控，研究内部结构和皮层包裹材料影响光学性质的规律；通过材料选择、结构设计、添加剂等，研究协同提升皮芯结构纤维力学强度和结构色特性的方法和机理。目标是发展一种力学强度强（接近常用纤维）、颜色特性可调的纤维制备技术，并进行连续批量化制

中国是纺织大国，但传统纺织染整工艺带来的环境污染不容小觑。近年来，随着人们对于结构色的不断深入研究，环境友好型结构色在纺织领域也越来越被关注。结构色是一种由光与微纳结构的相互作用而形成的颜色。因其高亮度、不褪色和无污染的特性而引起人们的广泛关注，也成为一种有前景的纺织着色候选技术。但是目前制备出的结构色纤维大多存在着一些缺点，如：制备工艺复杂、成本高、纤维机械性能差、实用性不足等。本研究通过微流控技术制备得到一种皮芯同轴非晶结构色纤维，旨在通过简单工艺来得到性能良好的结构色纤维。主要研究结果及内容如下：.1、通过微流控技术成功制备了具有皮芯结构的非晶结构色纤维。该纤维的芯层为可以产生结构色的聚苯乙烯（PS）纳米微球及少量纳米炭黑，皮层是通过海藻酸钠和氯化钙交联反应得到的海藻酸钙纤维。透明皮层不但为纤维提供机械性能，而且包裹着芯层以保证芯层中的微球排列结构不会在使用中被破坏。.2、通过改变芯层加入的纳米炭黑的含量能够得到不同颜色饱和度的结构色纤维。探究了炭黑占PS微球的比例在0-2%范围之内纤维的颜色饱和度变化。在芯层无炭黑时，纤维颜色与PS微球水分散液的颜色相同接近白色。随着炭黑含量的增加，纤维颜色饱和度逐渐增加。.3、通过改变芯层中聚苯乙烯微球的尺寸能够得到不同颜色的结构色纤维。利用乳液聚合法合成了在150 nm至295 nm之间的十二种尺寸的PS微球，纺丝后得到了覆盖全部可见光谱的十二种颜色的结构色纤维。.4、通过该法制备的结构色纤维所对应的纺丝液分别是：浓度为3%的海藻酸钠水溶液作为外相纺丝液，浓度为10%的PS微球水分散液及少量炭黑作为内相纺丝液，浓度为4%的氯化钙溶液作为凝固浴。在微流控装置外相孔径为600 μm，内相孔径为120 μm，纺丝速度分别为外相4 mL/h和内相1 mL/h这样的纺丝参数下能够得到颜色性能和机械性能俱佳的结构色纤维。纤维的裂伸长率在80%以上，断裂强度为8 MPa左右，可以作为绣线在织物上进行绣花。