蝴蝶鳞片结构生色理论在纺织品上的应用基础研究

结构生色是一种无需用染料、颜料就可使纺织品获得艳丽颜色的技术，并具有节水、节能的优点。本课题即利用仿生手段，探索了自然界蝴蝶翅膀鳞片结构与颜色之间关系，有效揭示了结构生色的机制，建立了几何结构和物理模型。在织物表面上尝试用静电自组装、溶胶-凝胶方法实现结构色，分析织物表面多层膜有效实现结构生色的机理。这极大地促进了纺织行业从传统的色素生色向结构生色拓展，为色彩设计开辟了更广阔的发展前景，为智能仿生服装的发展奠定了基础。

项目围绕结构生色的原理和实现开展工作，明晰了结构生色的产生机制，在一系列基材上实现结构色，为织物光学和色彩学的研究提供了崭新的思路，为仿生智能服装的发展打下了坚实的基础。. 首先取样分析了几种蝴蝶鳞片结构生色的机理，细致探索对应的结构特征和尺寸，建立其三维模型。并进行光学仿真分析，计算验证了模型对应的结构色符合试样的实际颜色，提出了可能的结构色纤维理论设计模型。. 同时，探求光子晶体和结构色的理论关系。利用Matlab软件，分别对传输矩阵法和平面波法推导的一维光子晶体模型进行数值计算，分析一维光子晶体反射率与入射光波长的关系，并推导对应颜色。同时也建立了一维光子晶体应用于织物后的反射率模型，根据色度学理论，计算出织物上制备有一维光子晶体后颜色的变化。在此基础上，深入研究了三维光子晶体，重点以面心立方密堆积结构的三维光子晶体为研究对象，建立了三维光子晶体与结构色之间的理论关系。计算晶体微球粒径、晶体堆积厚度对光子晶体反射率、带隙位置及宽度的影响。这些都有效指导实验过程中：控制微球粒径尺度可以调节光子禁带，进而调控光子晶体结构色。微球粒径增大，光子带隙中心波长增大，对应的光子晶体结构色波长也增大；控制晶体堆积厚度可以调节光子禁带的宽度，影响光子晶体结构色。. 重要地，项目中探讨了各种不同的实验方法在不同的基材上实现结构色。在不断深入过程中，光子晶体和结构色都可以成功获取。而且值得强调的是，织物上也实现了这种结构色光子晶体的组装，达到一定的颜色效果。. 在基材上成功实现结构色的关键前提是制得良好单分散性的纳米粒子。项目过程中首先进行的是一维光子晶体薄膜理论应用，使用的是TiO2和SiO2一维光子晶体的交替式排列，基材上有一定的颜色呈现。后续改进实验效果，利用静电自组装技术，在表面带电的基材上逐层吸附相反电荷的聚电解质溶液，有效控制调节前驱液浓度及PDDA/SiO2组装周期数，在基材上出现了明显的结构色。最后，尝试换用垂直沉积法，采用溶胶凝胶法制备SiO2胶体球，控制SiO2胶体球的粒径200nm-400nm，PDI均小于5%，这样明显地在基材上出现了稳定的金属亮色，尤其是在涤纶织物上组装出现了清晰的结构色。