基于光子晶体生色微球的结构色纤维的设计制备及其机理研究

This proposal aims to prepare photonic crystal structurally-colored fibers with robust and angle-independent structure colors, by constructing novel spherical photonic crystals with stable structures and angle-independent structural colors and utilizing covalent binding between photonic crystal and fiber polymer matrix. Firstly, spherical (SiO2@ZrO2@)n photonic crystals, which are characterized with layered stable structures and angle-independent structural colors, are grown through layer-by-layer hydrolyzing (alcoholyzing) method. The generation mechanism and the tuning principle of angle-independent structure colors of (SiO2@ZrO2@)n are investigated. Next, double bond is grafted onto the surface of (SiO2@ZrO2@)n photonic crystal, and then copolymerize with acrylonitrile with bifunctionality to prepare (SiO2@ZrO2@)n--polymer composites. Lastly, as-prepared (SiO2@ZrO2@)n--polymer composites are spinned to prepare the structurally-colored fibers with robust and angle-independent structure colors, in which (SiO2@ZrO2@)n photonic crystal spheres are dispersed, using electrospinning instrument. The distribution of (SiO2@ZrO2@)n and external effects on the stability of structural color of fibers are also revealed, which lay the foundation for the practical applications of this structurally-colored fibers.

针对目前光子晶体结构色纤维存在的角度依存性和结构色不稳定性问题，本项目拟通过构筑具有结构稳定、无角度依存性结构色的新型球形光子晶体和利用光子晶体与聚合物间的共价键结合，制备出颜色稳定、无角度依存性的光子晶体结构色纤维。首先，利用前驱体水解法层层交替生长构筑结构稳定、无角度依存结构色的球形层状(SiO2@ZrO2@)n光子晶体，探索其无角度依存结构色产生的原理及调控规律。其次，通过在(SiO2@ZrO2@)n表面接枝双键，与含有双键的两官能度单体丙烯腈共聚，实现生色结构表面与聚丙烯腈基体间的共价键链接，制备出光子晶体--聚合物复合材料；最后，将复合材料采用静电纺丝装置纺丝得到(SiO2@ZrO2@)n分散在聚合物基体中、颜色稳定、无角度依存的高分子结构色纤维；系统研究光子晶体在聚合物基体中的分布；探索各种外力因素对纤维结构色稳定性的影响规律，为推动光子晶体结构色纤维的实际应用奠定基础。

印染着色是纺织品实现功能化、高档化、新颖化、提高附加值和国际竞争力至关重要的加工环节。传统的纺织印染行业以有机染料分子进行染色，整个过程高能耗、高排放、高污染，对资源和环境造成了严重的负面影响。光子晶体结构色作为一种全新的着色显色方法，具有环保易得，颜色靓丽稳定等特点。本项目制备了系列具有单分散的系列高折射率微球，并组装成光子晶体，获得了系列亮丽可调的结构色。其次，通过层层交替生长构筑结构稳定、无角度依存结构色的球形层状光子晶体，深化了对角度无关结构色的认识；通过控制周期层后，可实现结构色的连续可调，可进一步应用于防伪等领域。最后，构建了具有颜色稳定、无角度依存的结构色纤维，其在各种外力因素如摩擦等作用下展示出良好的稳定性，具有一定的实用价值，为降低传统染色过程污染和推动光子晶体结构色纤维的实际应用奠定一定的基础。