华东师范大学葛建平教授：基于光子晶体（PC）涂层的喷涂工艺

颗粒在线讯：传统纺织工业中，织物的染色通常是通过使用化学染料来实现的，化学染料吸收特定波长的光并呈现各种颜色。虽然化学染料已经被人类使用了数千年，但由于染料会在不同的环境中分解或变化，人们仍然无法完全解决随着时间的推移而褪色的问题。随着世界进入工业文明，产生了大量含有残留染料的废水，对水和土壤造成了严重污染。最近，基于光子晶体（PC）涂层的染色技术被开发出来，作为上述挑战的解决方案，因为结构色是由光与周期结构的干涉产生的，并且在恶劣环境中长期非常稳定。由于在光子晶体中没有使用化学染料，因此肯定不会担心环境污染。因此，大规模生产具有饱和颜色和良好穿着体验的PC改性织物已成为材料、光学和纺织行业交叉的热门话题。

最近，华东师范大学葛建平教授课题组在《Advanced Functional Materials》上发表了题为“Precise Assembly of Highly Crystalline Colloidal Photonic Crystals inside the Polyester Yarns: A Spray Coating Synthesis for Breathable and Durable Fabrics with Saturated Structural Colors”的文章，开发了一种喷涂工艺，用于在聚酯（PET）织物的每根纱线内精确组装胶体光子晶体（PC）。胶体溶液的溶剂具有较高的表面张力和沸点，织物基体具有较低的扭曲角、较大的编织周期和较大的紧密度，有利于形成高质量的PC改性织物。此外，由于高度结晶的PC结构和聚丙烯酸酯粘合剂，制备的PC/PET织物具有饱和和耐久的颜色。它们还具有良好的柔软性和高透气性，因为纱线中精确的胶体组合避免了编织孔和裂缝的堵塞。

图文导读

作者开发了两步喷涂工艺。PET织物是由经纱和纬纱以特定的编织方式编织而成，每根纱线由一束直径几十微米的纤维组成。因此，织物可以被视为具有层级多孔结构，纱线之间有大裂缝，纱线内部有小间隙。在第一次喷洒SiO2胶体溶液时，PET织物表面迅速形成一层薄薄的液膜，然后通过毛细管力将有限体积的胶体溶液完全吸收到多孔纱线中。随着加热过程中溶剂的蒸发，粒子自发沉淀形成液体胶体PC，然后转化为位于纤维之间和纱线内部的固体PC。在随后的PA粘合剂喷涂中，由于相同的毛细管相互作用，PA纳米颗粒也富集在SiO2颗粒填充的PET纱线表面。当样品加热到玻璃化转变温度（Tg）以上，然后冷却到室温时，PA纳米颗粒熔化、固化，并包裹PC结构和PET纱线，最终生成彩色耐用的SiO2 PA/PET织物。

两步喷涂工艺

在实际合成中，经验证，喷涂工艺可生产出结构色均匀、饱和、多样的PC/PET织物。当入射角和反射角从0°变化到30°、45°和60°时，红色PC改性织物的反射波长相应地从650 nm变化到605 nm、555 nm和503 nm。

高度结晶的SiO2 PA/PET织物

在第一次喷涂过程中，通过毛细管力将胶体溶液吸收到具有小间隙的纱线中，从而使SiO2颗粒在纱线内准确地组装成PCs。为了实现精确组装，喷雾用胶体溶液的剂量和颗粒体积分数应控制在临界值（75µL cm−2）以下，以避免胶体材料的过量和到处形成胶体PC。在第二次喷涂过程中，PA粘合剂主要沉积在纱线表面或填充到纤维或胶体晶体之间的微米级裂缝中。在此，PA粘合剂是通过乳液聚合制备的平均直径为90 nm的聚（甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸丁酯）纳米粒子。在PA粘合剂的喷涂过程中，由于毛细作用，其水溶液也被多孔纱线吸收。然而，由于PA纳米颗粒比胶体晶体中的粒子间空隙大，它们被纤维之间的SiO2颗粒堵塞，因此它们只能沉积在纱线表面。另一方面，随着溶液在蒸发过程中的收缩，PA纳米颗粒可能会进入纤维或胶体晶体之间的微米级裂缝中。PA的喷涂和热固化完全不会影响PC的有序结构。通过PA粘合剂将SiO2胶体PC牢固地稳定在PET织物上，形成几乎独立的PC纱线，具有良好的机械稳定性。

SEM图

研究发现，在SiO2-PA/PET织物的喷雾合成中，胶体溶液的配方，尤其是溶剂的选择，对胶体组装至关重要。由N，N-二甲基甲酰胺（DMF）、二甲基亚砜（DMSO）、二甘醇（DEG）、乙二醇（EG）和水的胶体溶液制备的结构色织物显示出清晰的结构色。然而，由甲醇（MeOH）、乙醇（EtOH）、丙酮（ACE）和碳酸丙烯酯（PCb）制成的胶体溶液制备的织物几乎不具有结构色。当溶剂按增加表面张力（γ）和沸点（bp）的顺序排列时，可以发现它们与反射强度匹配，这表明组装质量相当好。高表面张力确保了SiO2颗粒随着溶液收缩和纤维间隙中的有效浓度而移动，从而在纱线内部实现精确组装，而不是在其表面。另一方面，高沸点为胶体组装留下了足够的时间，从而形成高度结晶的PCs，而不是无序堆积。

设计了五种耐用性测试，包括在水中浸泡2小时、用水冲洗10分钟、洗衣45分钟、刷50次，以及对SiO2/PET和SiO2-PA/PET织物进行10分钟的超声波处理。温和的浸泡操作对两种织物的影响都很小，干燥后织物的结构色保留得很好。当织物被水洗或洗衣机洗涤时，SiO2/PET织物在部分区域失去颜色。然而，SiO2 PA/PET织物的颜色保持不变。当对PC改性织物进行更猛烈的操作，如刷洗和超声波处理时，SiO2/PET上的PC结构受到严重破坏，但SiO2-PA/PET上的PC结构仍保留完好。

通过重力沉降、刮刀涂层和喷涂制备了四种PC/PET织物。测量了由水蒸气传输（WVT）值表示的渗透性。所有织物都表现出一些相同的特性，即颜色亮度随着颗粒负载量的增加而增加，其渗透性相应降低。

透气性

借助掩膜，可以在宠物织物上轻松制作树木、花朵和鹿的PC图案。

图案化

亮点小结:综上所述，已经开发了一种两步喷涂方法来制备基于光子晶体的PET及其混纺织物，其具有饱和结构色、耐久染色以及柔软透气的纹理。胶体溶液溶剂的高表面张力和高沸点，以及织物基体的低扭角、大编织周期和大紧密度，都有利于在PET织物上形成高结晶、高密度的PC结构。与以前的方法不同，目前的喷涂方法基于织物的毛细管相互作用和胶体溶液物理参数的调节，提供了一种精确、有约束和可控的方法，仅在纱线中沉积PC结构和粘合剂。胶粒仅在每根纱线内的纤维之间组装，随后的PA粘合剂沉积也仅在纱线周围富集，最终形成独立且固定的PC复合纱线。