[发明专利]一种高折射率的ZnS纳米球自组装的结构色纤维及其制备方法

说明书

技术领域

    本发明涉及一种高折射率的ZnS纳米球自组装的结构色纤维及其制备方法，本发明属于光子晶体领域。

技术背景

基于光子晶体的结构色纤维是解决目前染整行业环境污染问题的一种新理念，这种方式产生的颜色不同于传统的染色：传统染色是通过物质对光的吸收作用产生颜色，所产生的颜色在光、热或溶剂的作用下容易褪去，且在制备及后处理过程容易对环境产生污染；借助胶体晶体产生结构色，可能是解决上述问题的可靠性办法，具有制备工艺简单、颜色可调和不易褪色等优点。但是利用已有的制备胶体晶体的方法对纤维进行结构染色，仍然存在一些必须解决的问题：K.Q. Zhang等在J. Fiber Bioeng. Inform. Vol.2 (2010) pp.214-218报道了在玻璃纤维的表面通过蘸取沉积的方法组装了一层SiO₂纳米球，实现了结构色，但是这种方法缺乏长程有序；申请人在Chemical Communications Vol.4 (2011) pp.12801-12803中报道了在玻璃纤维表面自组装一层蛋白石结构，从而实现玻璃纤维表面结构色的目标，但是采用的胶体球仅为SiO₂ (n=1.45)，难以实现全带隙的结构色纤维；申请人在Nanoscale Vol.5 (2013) pp. 6917-6922中报道了电泳沉积制备PMMA胶体球组装的结构色碳纤维，也仅采用了低折射率的高聚物材料 (n=1.49)，球与空气之间的相对折射率决定了它们不能制备宽带隙的光子晶体结构。

高射率的胶体球是获得完全光子带隙的主要手段，而目前能够制备的高质量胶体球的品种有限。已有的平面胶体晶体的研究表明，对于空气球堆积的反蛋白石结构胶体晶体，基体材料的折射率理论计算结果显示必须大于2.8 (Chemcal Reviews, Vol.110 (2010) pp. 547-574)，而在木柴状堆积的格子中要获得完全带隙的光子晶体材料折射率至少也要达到1.9 (Physical Review B, 68(2003) pp. 205102)。但是实验发现获得完全光子带隙的结构并非像理论计算的那么容易，如反蛋白石结构的低填充率(≤33%)时，会影响光子晶体的带隙性质，从而得不到完全带隙的结构。

目前尚无以ZnS纳米球作为组装单元制备的结构色纤维。

发明内容

本发明的目的为了提供一种高折射率的ZnS纳米球自组装的结构色纤维及其制备方法。

本发明的技术方案

一种高折射率的ZnS纳米球自组装的结构色纤维，通过包括如下步骤的方法制备而成：

（1）、ZnS纳米球的制备

以硝酸锌、硫代乙酰胺、聚乙烯吡咯烷酮为起始原料，控制温度60-100℃进行反应1-10h，得到粒径为100-400nm ZnS纳米球；

上述反应过程中所用的硝酸锌、硫代乙酰胺、聚乙烯吡咯烷酮的量，按质量比计算，即硝酸锌：硫代乙酰胺：聚乙烯吡咯烷酮为1：0.17-0.3：0.17-0.5，优选为1:0.17-0.25:0.17-0.33；

然后按ZnS纳米球：介电溶剂的质量比为1:20-200的比例，将ZnS纳米球分散到介电溶剂中，得到分散液；

所述的介电溶剂为高纯水、乙醇、聚乙二醇或聚乙二醇二丙烯酸酯；

（2）、ZnS纳米球自组装的结构色纤维的制备

室温下，采用提拉或电泳沉积的方式将普通高分子纤维或导电纤维在步骤（1）所得的分散液中进行提拉或电泳沉积，即得反射光谱范围为400-640nm的高折射率的ZnS纳米球自组装的结构色纤维；

其中所述的导电纤维为碳纤维或金属纤维；所述的普通高分子纤维为聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维或玻璃纤维；

其中所述的提拉沉积速度为1-100mm/min；电泳沉积过程中电压为2-12V，沉积时间为20-300s。

上述所得的高折射率的ZnS纳米球自组装的结构色纤维在具有完全带隙光子晶体纤维领域有着重要的应用，可用于制备基于结构显色技术的可穿戴设备、传感器等。

本发明的有益效果

本发明的一种高折射率ZnS纳米球自组装的结构色纤维的制备方法，由于采用提拉和电泳沉积的方法，在弧形的纤维表面组装了高折射率的粒径均一的ZnS纳米球，因此赋予普通高分子纤维和导电纤维结构显色的性质，颜色可覆盖可见光范围且色度较饱和，即本发明的制备方法所得的结构显色纤维具有光谱范围宽、饱和度高的优异技术效果，可实现完全带隙的光子晶体纤维。