聚合物相分离制备非晶结构色纤维与机制研究

Dyeing is one of the critical processes in the textile industry, which is also the main source of the heavy pollution, high energy-comsuming and resource spoiling. Our research on the photonic crystal fiber by the colloidal assembly has reveled that such photonic crystal fibers have the weak mechanical strength and their structural colors have the chromatic abberation depending on the observing angles.These disadvantages hinder the futher applications of the structurally colored fibers. In this proposal, we are going to understand the coloration mechanism of the fibers with the amorphorous photonic structures fabricated by the polymeric phase seperation, which are mimicking the structures of the natural fibers, such as the parrot feather. We are going to focus the following contents: the characterization and mathematical modeling of the natural feathers of the birds, and mechanism of the coloration of such amorphorous biophotoinc structures; comparison of the natural biophotonic structure and artifical structure produced by the phase separation,the adjustment of the parameters of phase separation and electrospinning and their effects on the structures of electrospun fibers,the relationship between the amorphorous structures and optical properties of electrospun fibers; the combination of the phase separation and existing wet spinning to fabricate the structurally-colored fibers with the satisfied strength, the development of enviroment-friendly and mass-production dyeing techique of the coloring fabrics.The knowledge obtained through the above research would be helpful to fabricate the colorful and strong fibers without the iridescent effect, and eventurally develop the break-through technique for the massively-producing and ecological dyeing processes.

印染是纺织行业中的关键工艺，同时也是纺织行业中高污染、高能耗和资源浪费的主要来源。前期关于胶体微球光子晶体纤维的研究表明，胶体微球组装形成的光子晶体纤维具有力学强度低、有色差（颜色随观察角度变化）的特点，制约了这种纤维的广泛应用。本项目拟通过相分离技术制备非晶结构色纤维，主要出发点是进行鹦鹉羽毛的结构仿生，了解无序非晶结构产生结构色的机理。研究内容包括：天然鸟类羽毛结构的精确表征和数值建模，以及非晶结构生色的机理；聚合物相分离人工结构与天然结构的比较，通过静电纺丝快速进行相分离参数的调控，从而研究结构影响光学性质的规律；聚合物相分离技术与现有的湿法纺丝结合制备具有一定力学强度的结构色纤维，以及织物批量生态染色技术的研究。项目成果有助于发展一种力学强度强（与普通合成纤维相当）、无色差的纤维制备技术，并有可能发展批量生产的生态纤维染色工艺。

印染是纺织行业中的关键工艺，同时也是纺织行业中高污染、高能耗和资源浪费的主要来源。前期关于胶体微球光子晶体纤维的研究表明，胶体微球组装形成的光子晶体纤维具有力学强度低、有色差（颜色随观察角度变化）的特点，制约了这种纤维的广泛应用。本项目实施过程中探索了非晶结构色纤维的机理和制备过程，通过包括静电纺丝等技术成功制备了结构色纤维以及结构色面料等物理显色材料。 在微观成型过程中利用相分离原理解释了无序非晶结构产生的机制与生色和光学性能的关联，聚合物相分离技术与现有的湿法纺丝结合制备具有一定力学强度的结构色纤维，以及利用原子层沉积、静电喷涂法和电子束沉积进行织物批量生态染色技术的研究。主要研究内容包括：1）对于天然鸟类羽毛和昆虫类（蝴蝶等）翅膀等天然非晶结构色样品进行了精确表征和数值建模计算，对于无序非晶结构产生结构色的机理有较为深入的理解。2）利用静电纺丝技术制备了结构色纤维，通过调节纺丝过程中聚合物相分离参数的调控，获得覆盖可见光谱的结构色纤维，并且显色机理是通过纳米颗粒的米散射共振所产生的。但是所得到的非晶结构色纤维所形成的无纺布的力学性能不是很理想，需要进一步增强。3）采用静电喷雾技术，实现了复杂表面的非晶纳米颗粒结构色镀层。纳米颗粒溶液在喷雾飞行过程中产生相分离、形成无方向性无序纳米颗粒团聚簇，在复杂表面形成均匀镀层。缺点是在非晶结构色镀层的牢度和耐洗性不好，在添加交联剂后得到大幅提升。4） 采用原子层沉积（ALD）技术，将高折射率材料前驱体通过调控相分离参数在复杂表面（包括纤维和面料）形成反射膜层，得到颜色可调的（调节镀层厚度）结构色面料。纤维和面料的其他性质没有受到影响，同时镀层的牢度具有很好的耐洗性。另外电子束蒸发沉积的技术也用来进行无机光学材料的沉积来制备结构色材料，具有较好的颜色和附着强度。项目已经发展了几种力学强度强（与普通合成纤维相当）、无色差的纤维和面料制备技术，并有可能发展批量生产的生态纤维染色工艺。