[发明专利]结构色纤维的制备方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及纤维制备领域，尤其涉及一种结构色纤维的制备方法及装置。

背景技术

我国是纺织服装进出口大国，约占全球此项贸易的25％。然而，巨大的经济效益并不能掩盖纺织印染行业对环境造成的破坏。据国家环保总局统计，印染行业排放的印染废水总量位于全国各工业部门排放总量的第5位。印染废水属于含有一定量难生物降解物质的有机性废水。其污染物浓度COD高(Chemical Oxygen Demand，COD)，色度深，氮磷含量低，是难处理的工业废水之一。此外，我国印染企业总体单位产品取水量与国外相比是发达国家的2～3倍，能源消耗量则为3倍左右。因此，我国印染行业节能减排降耗的任务十分艰巨。

印染是纺织产业链中的一环，通过施加化学有色物质(吸附染料或固着颜料)是使纺织品生色的主要途径。纺织品的颜色主要是取决于色素的分子结构，即染料或颜料分子结构与吸收光谱的关系，例如它们在水溶液或有机溶液中的吸收光谱。由于印染具有复杂的工艺流程，过程中需要大量新鲜水，最后大量未利用的化学染料及助剂残留形成污水，导致了传统纺织印染行业高污染、高能耗、低资源利用率的缺点。随着世界气候大会的召开对全球节能减排的任务提出了更高更紧迫的要求。为了适应这个全球化的节能减排潮流，迫切需要发展新的不同于传统化学染料着色的显色技术。

结构色是一种物理现象，颜色的显现是通过反射体的微结构与光相互作用，只反射一定波长的光并透射其他波长光来产生。反射体的微结构通常是三维周期性的异质阵列结构，其周期的尺度与所响应的光波长相同量级，具有这种结构的物体称为光子晶体。光子晶体的概念是1987年由Yablonovitch E.和John S.分别提出的，当光投射到折射率或者介电常数呈周期性变化的结构上时，在上述结构中通过多次反射和干涉使得一部分波段的光不能在该介质中传播而被反射回去，其现象类似于电子在半导体晶体中运动产生的禁带，称之为光子禁带。而如果这一部分被强烈反射的光波的波长范围落在可见光波段，那么这些反射的光就可以导致十分绚丽的颜色。自然界中天然蛋白石，鸟类羽毛和昆虫甲虫翅膀等都具有光子晶体结构，因此也能显现五彩斑斓的颜色。从上述分析，我们可以得出结构色的特点：1)由于结构色的成因仅仅是由于物质的微结构，其颜色并不与物质本身有任何关系。也就是说结构色的产生避免了化学染料和色素的参与，只要保持周期性有序阵列结构就能产生明亮的颜色；2)由于相干衍射产生的结构色相比于色素颜色具有色彩明亮鲜艳的优势；3)只要微结构不被破坏，结构色永不褪色。因此通过制备具有光子晶体结构的纤维并产生结构色是一种可能的绿色无污染的纤维显色技术。

对于结构色的研究，大部分集中在对自然界生物体的探索，Vukusic P.等研究了蝴蝶翅膀、资剑等研究了孔雀等鸟类羽毛、Srinivasarao M.等研究了昆虫的外壳等具有鲜艳结构色的生物样品，其结论是在这些生物体中存在一维或者二维的光子晶体结构，自然界一直在利用有序的介质结构产生颜色。但是自然界中存在的天然光子晶体比较少，大部分光子晶体所必需的周期性电介质结构需通过人为加工制备。目前，光子晶体的制备方法主要通过微加工、激光全息、胶体微球(Colloidal Sphere)自组装等办法。微加工办法工艺复杂、成本昂贵、所制得的结构较简单；激光全息办法所用的光敏树脂材料有限、所得到的光子晶体光学性能不理想。这两种方法不仅很难制备出结构良好的圆柱状光子晶体，并且制作工艺复杂，效率低下，因此不适合用来制备光子晶体纤维。而胶体微球自组装利用单分散胶体微球间的相互作用自发排列成有序结构，以经济简便的方法获得胶体(光子)晶体。亚微米量级的胶体微球决定了胶体晶体的晶格尺寸是在可见或红外光波段，很容易获得结构色。在受限空间内或外场协助下，胶体微球可以自组装成任意形状，包括纤维状的有序结构。基于以上分析，利用胶体微球受控自组装的办法来制备光子晶体纤维并控制结构色的改变似乎是最可行的途径。

目前结构色纤维制备方法主要包括两大类：(1)多层膜干涉；(2)三维光子晶体。有关多层膜干涉的现有技术，如美国专利US6326094，文献(Adv.Mater.2013,25,2239–2245)公开的技术，主要是严格选择两种具有不同折射率的高聚物，使得其相互交替周期性叠加，精确控制每一层聚合物的厚度，使得光与纤维薄层发生相干增强，反射出一定波长的光，从而使得纤维具有颜色。关于三维光子晶体(中国专利：201110213531.5)，主要是通过毛细管中胶体微球自组装形成纤维状的胶体晶体，通过控制胶体微球的大小，从而改变胶体晶体的晶格常数，来控制纤维的颜色。