一种基于咖啡酸的结构色织物及其制备方法

摘要

本发明公开了一种基于咖啡酸的结构色织物的制备方法，包括以下步骤：S1.将聚苯乙烯纳米微球分散于水中，加入咖啡酸、可变价金属离子和氧化剂，混合均匀后于30‑60℃下搅拌反应1‑4h；反应完毕后，分散、超声、离心，收集得到聚咖啡酸包覆的纳米微球；S2.将所述聚咖啡酸包覆的纳米微球分散于水中，得到质量分数为3％‑10％的微球乳液；接着，将织物浸没于所述微球乳液中，在30‑80℃的条件下自组装1‑6小时；S3.将自组装完成后的织物于100‑120℃下干燥，即获得所述基于咖啡酸的结构色织物。本发明的基于咖啡酸的结构色织物的制备方法，可快速制备色谱齐全、颜色鲜艳、色牢度良好的结构色织物。

权利要求

1.一种基于咖啡酸的结构色织物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.将聚苯乙烯纳米微球分散于水中，加入咖啡酸、可变价金属离子和氧化剂，混合均匀后于30‑60℃下搅拌反应1‑4h；反应完毕后，分散、超声、离心，收集得到聚咖啡酸包覆的纳米微球；

S2.将所述聚咖啡酸包覆的纳米微球分散于水中，得到质量分数为3％‑10％的微球乳液；接着，将织物浸没于所述微球乳液中，在30‑80℃的条件下自组装1‑6小时；

S3.将自组装完成后的织物于100‑120℃下干燥，即得到所述基于咖啡酸的结构色织物。

2.根据权利要求1所述的一种基于咖啡酸的结构色织物的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述聚苯乙烯纳米微球的平均粒径为170‑350nm，且微球的单分散性指数小于0.1。

3.根据权利要求1所述的一种基于咖啡酸的结构色织物的制备方法，其特征在于，步骤S1中，混合液中聚苯乙烯纳米微球的浓度为1‑2g/L。

4.根据权利要求1所述的一种基于咖啡酸的结构色织物的制备方法，其特征在于，步骤S1中，混合液中咖啡酸的浓度为0.2‑0.5g/L。

5.根据权利要求1所述的一种基于咖啡酸的结构色织物的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述可变价金属离子为铜离子、铁离子中的一种。

6.根据权利要求1所述的一种基于咖啡酸的结构色织物的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述可变价金属离子的浓度范围为1mmol/L‑20mmol/L。

7.根据权利要求1所述的一种基于咖啡酸的结构色织物的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述氧化剂为过硼酸钠、过氧化氢、过硫酸钠、过碳酸钠中的一种。

8.根据权利要求1所述的一种基于咖啡酸的结构色织物的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述氧化剂的浓度为0.5mmol/L‑30mmol/L。

9.根据权利要求5所述的一种基于咖啡酸的结构色织物的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述织物为羊毛、蚕丝、棉、涤纶中的一种。

10.根据权利要求1‑9任一项所述的方法制备得到的基于咖啡酸的结构色织物。

说明书

一种基于咖啡酸的结构色织物及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及纺织技术领域，尤其涉及一种基于咖啡酸的结构色织物及其制备方法。

背景技术

[0002] 不同于色素，自然界中的结构色是光和生物体中与光波长量级相当的蜡层、刻点、沟缝或鳞片等细微结构发生相互作用，光波发生折射、漫反射、衍射或干涉从而产生特殊颜
色的光学效应。光子晶体是由不同折射率材料经过周期性的空间排布而形成，是自然界中
结构色的主要来源。由于介电常数的周期性排列会产生一定“势场”，当两种介质材料的折
射率比足够大时，就会产生强烈的布拉格散射，出现各向异性的光子带隙。由其产生的结构
色会随着观察角度的变化而发生变化，即虹彩效应，使得结构色材料的应用受到了一定的
限制。

[0003] 非晶光子晶体是光子晶体的特殊缺陷态结构，同样可以产生颜色，格点排列的有序度低，仅表现出短程有序。相比传统的光子晶体而言，非晶光子晶体其“自身缺陷”导致的
短程有序结构具备了各向同性的光子带隙、光局域化等特点，赋予材料柔和艳丽、无角度依
赖的显色效果，从而更能满足纺织行业对颜色的需求。近年来，为降低传统印染工艺对环境
造成的污染，采用在织物表面构建非晶光子晶体结构这一绿色环保的显色方法对纺织品进
行着色，越来越受到国内外纺织领域专家学者的关注。

[0004] 目前，基于自组装的方法制备非晶光子晶体主要通过采用两种不同大小或形状的球体自组装、加入盐电解质或者采用旋涂、渗透辅助法等方法促进溶剂的快速挥发来实现
的。但由于入射光的多次散射作用，颜色的可视性较差，需要另外加入吸收非相关散射光的
物质，如专利申请CN110449329A公开了一种超疏水性非虹彩结构色薄膜的制备方法，通过
将经低表面能物质处理后的二氧化硅微球与石墨烯颗粒共混，再通过滴涂、旋涂等方法构
建非晶光子晶体；专利申请CN103965699A公开了一种将墨鱼汁与胶体微球共混自组装共建
非虹彩结构色的方法。专利申请CN107121714A公开了一种利用多巴胺的粘附性，使其在碱
性有氧环境中发生自氧化聚合，生成了一种黑色的聚多巴胺@聚苯乙烯微球用于制备结构
色材料。但多巴胺聚合速度非常缓慢，往往需要大约20h的制备时间，此过程需要不断搅拌
耗能，耗费时间和能源成为上述方案中的一大问题。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种快速制备色谱齐全、颜色鲜艳、色牢度良好的结构色织物的方法，该方法具备简单易行、环保安全无毒、处理温度低、能耗少、效率高，便于工业
化生产等优点。

[0006] 本发明提供了一种基于咖啡酸的结构色织物的制备方法，包括以下步骤：

[0007] S1.将聚苯乙烯(PS)纳米微球分散于水中，加入咖啡酸、可变价金属离子和氧化剂，混合均匀后于30‑60℃下搅拌反应1‑4h；反应完毕后，分散、超声、离心，收集得到聚咖啡
酸(PCfA)包覆的纳米微球；

[0008] S2.将所述聚咖啡酸包覆的纳米微球分散于水中，得到质量分数为3％‑10％的微球乳液；接着，将织物浸没于所述微球乳液中，在30‑80℃的条件下自组装1‑6小时；

[0009] S3.将自组装完成后的织物于100‑120℃下干燥，即获得所述基于咖啡酸的结构色织物。

[0010] 进一步地，步骤S1中，所述聚苯乙烯纳米微球的平均粒径为170‑350nm，球形性良好，且微球的单分散性指数优选地小于0.1。

[0011] 进一步地，步骤S1中，混合液中聚苯乙烯纳米微球的浓度为1‑2g/L。

[0012] 进一步地，步骤S1中，所述聚苯乙烯纳米微球加入水中后，超声10‑30min使得微球分散。其中，超声是指在超声波清洗机中进行超声震荡处理。

[0013] 进一步地，步骤S1中，混合液中咖啡酸的浓度为0.2‑0.5g/L。

[0014] 本发明中，可变价金属离子既可以促进氧化剂快速分解活性氧，又可与聚咖啡酸络合，不仅使得核壳离子的折射率增大、颜色加深，促进制得的结构色织物颜色更加鲜艳，
还可增强织物的结构色牢度。优选地，所述可变价金属离子为铜离子、铁离子中的一种。进
一步地，所述可变价金属离子的浓度范围为1mmol/L‑20mmol/L。

[0015] 进一步地，步骤S1中，所述氧化剂为过硼酸钠、过氧化氢、过硫酸钠、过碳酸钠中的一种。

[0016] 进一步地，步骤S1中，所述氧化剂的浓度为0.5mmol/L‑30mmol/L。

[0017] 进一步地，步骤S2中，所述织物为羊毛、蚕丝、棉、涤纶中的一种。

[0018] 本发明还提供了由所述的方法制备得到的基于咖啡酸的结构色织物。

[0019] 本发明的原理如下：

[0020] 本发明利用了聚咖啡酸的黏附性，在可变价金属离子存在下，利用氧化剂的氧化作用，在胶体微球的表面生成聚咖啡酸包覆层，从而形成核壳结构的纳米微球。制备的胶体
微球进一步通过重力沉积法在织物表面自组装形成非晶光子晶体层，获得具备非虹彩结构
色的织物。这种结构色织物的颜色由聚苯乙烯微球的粒径来调控，如当结构色织物呈蓝色
时，聚苯乙烯微球的粒径为175nm；呈绿色时，聚苯乙烯微球的粒径为220nm；呈草青色时，聚
苯乙烯微球的粒径为260nm；呈红色时，聚苯乙烯微球的粒径为280nm。当聚苯乙烯微球粒径
进一步增大时，小球的散射截面增大，发生短波共振在光谱中引入了一个蓝色峰，该峰会将
红色结构色的色调更改为紫色。因此聚苯乙烯微球粒径为306nm、330nm时分别对应香芋紫
和紫色。

[0021] 本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

[0022] 1、本发明中，咖啡酸来源广泛，生物相容性好，用于结构色织物的制备绿色环保。

[0023] 2、本发明中，可处理的织物的适应性广，可采用羊毛、蚕丝、棉或涤纶织物。

[0024] 3、本发明的制备方法，操作简单条件易控、没有复杂繁琐的操作流程，反应温度低、时间短，节能减排低能耗，绿色环保，实用性强。

[0025] 4、本发明的制备方法制备的表面具有非虹彩结构色的织物，色彩鲜艳亮丽，通过控制聚苯乙烯微球的粒径，可以获得6种不同颜色的织物。

附图说明

[0026] 图1是本发明实施例1中蓝色的结构色织物的数码相片；

[0027] 图2是本发明实施例1中蓝色的结构色织物的扫描电镜图；

[0028] 图3是本发明实施例2中绿色的结构色织物水洗后的全反射光谱(a)及洗液的透过率图谱(b)。

具体实施方式

[0029] 下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

[0030] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具
体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相
关的所列项目的任意的和所有的组合。

[0031] 如无特殊说明，本发明以下实施例中，“30％过氧化氢”指的是“质量浓度为30％的过氧化氢水溶液”。

[0032] 实施例1

[0033] 称取0.1g粒径为175nm、单分散指数为0.033的PS微球，分散在50mL去离子水中，超声30min以充分分散。超声结束后，立即向其中加入0.018g咖啡酸、0.0068g无水氯化铜粉末
和0.0231g四水合过硼酸钠，在转速为3500r/min、50℃温水浴下反应1h，得到PS@PCfA纳米
微球分散液。将产物分散、超声、离心重复三次，收集PS@PCfA纳米微球沉淀，待后续使用。

[0034] 将0.1g PS@PCfA纳米微球以约5wt％的浓度分散在去离子水中，并超声30min，然后将上述所得的分散液滴加到装有白色棉织物样品的培养皿中(直径6厘米)，在60℃温度
下自组装3h，随后升温至120℃干燥固化60min，即可在棉织物表面上获得蓝色光子晶体结
构色。

[0035] 图1是实施例1制备的蓝色结构色的织物光学照片图，图2是实施例1制备的蓝色结构色织物的扫描电镜图。从图中可以看出，织物表面具有大量的聚咖啡酸包覆的聚苯乙烯
纳米微球。

[0036] 实施例2

[0037] 称取0.1g粒径为220nm、单分散指数为0.074的PS微球，分散在50mL去离子水中，超声30min以充分分散。超声结束后，立即向其中加入0.018g咖啡酸、0.0034g六水合氯化铁粉
末和0.12g 30％过氧化氢，在转速为3500r/min、60℃温水浴下反应2h后，得到PS@PCfA纳米
微球分散液。将产物分散、超声、离心重复三次，收集PS@PCfA纳米微球沉淀，待后续使用。

[0038] 将0.1g PS@PCfA纳米微球以约5wt％的浓度分散在去离子水中，并超声30min，然后将上述所得的分散液滴加到装有白色丝织物样品的培养皿中(直径6厘米)，在30℃下自
组装6h，随后升温至100℃干燥固化60min，即可在丝织物表面上获得绿色光子晶体结构色。

[0039] 图3是实施例2制备的绿色结构色织物经模拟洗涤过程后的全反射光谱及洗液的透过率(面料置于200mL温度为40℃的去离子水中以40rpm/min的转速旋转15分钟进行洗涤
试验)。从图中可以看出，每15min洗涤一次，结构色织物经90min洗涤后仍能保持优异的结
构色，洗液保持透明。

[0040] 实施例3

[0041] 称取0.1g粒径为260nm、单分散指数为0.027的PS微球，分散在50mL去离子水中，超声30min以充分分散。超声结束后，立即向其中加入0.018g咖啡酸、0.0068g氯化铜粉末和
0.027g过硫酸钠，在转速为3500r/min、30℃温水浴下反应1h后，得到PS@PCfA纳米微球分散
液。将产物分散、超声、离心重复三次，收集PS@PCfA纳米微球沉淀，待后续使用。

[0042] 将0.1g PS@PCfA纳米微球以约5wt％的浓度分散在去离子水中，并超声30min，然后将上述所得的分散液滴加到装有白色涤纶织物样品的培养皿中(直径6厘米)，在50℃下
自组装4h，随后升温至120℃干燥固化60min，即可在涤纶织物表面上获得草绿色光子晶体
结构色。

[0043] 实施例4

[0044] 称取0.1g粒径为280nm、单分散指数为0.081的PS微球，分散在50mL去离子水中，并超声30min以充分分散。超声结束后，立即向其中加入0.018g咖啡酸、0.00675g硫酸铜粉末
和0.005g过碳酸钠，在转速为3500r/min、40℃温水浴下反应3h后，得到PS@PCfA纳米微球分
散液。将产物分散、超声、离心重复三次，收集PS@PCfA纳米微球沉淀，待后续使用。

[0045] 将0.1g PS@PCfA纳米微球以约5wt％的浓度分散在去离子水中，并超声30min，然后将上述所得的分散液滴加到装有白色羊毛织物样品的培养皿中(直径6厘米)在80℃下自
组装2h，随后升温至120℃干燥固化60min，即可在羊毛织物表面上获得红色光子晶体结构
色。

[0046] 实施例5

[0047] 称取0.1g粒径为306nm、单分散指数为0.042的PS微球，分散在50mL去离子水中，并超声30min以充分分散。超声结束后，立即向其中加入0.018g咖啡酸、0.0068g氯化铜粉末和
0.0231g四水合过硼酸钠，在转速为3500r/min、50℃温水浴下反应1h后，得到PS@PCfA纳米
微球分散液。将产物分散、超声、离心重复三次，收集PS@PCfA纳米微球沉淀，待后续使用。

[0048] 将0.1gPS@PCfA纳米微球以约5wt％的浓度分散在去离子水中，并超声30min，然后将上述所得的分散液滴加到装有白色棉织物样品的培养皿中(直径6厘米，在(60℃下自组
装4h，随后升温至100℃干燥固化90min，即可在棉织物表面上获得香芋紫色光子晶体结构
色。

[0049] 实施例6

[0050] 称取0.1g粒径为330nm、单分散指数为0.084的PS微球，分散在50mL去离子水中，并超声30min以充分分散。超声结束后，立即向其中加入0.018g咖啡酸、0.0034g六水合氯化铁
粉末和0.12g 30％过氧化氢，在转速为3500r/min、60℃温水浴下反应2h后，得到PS@PCfA纳
米微球分散液。将产物分散、超声、离心重复三次，收集PS@PCfA纳米微球沉淀，待后续使用。

[0051] 将0.1g PS@PCfA纳米微球以约5wt％的浓度分散在去离子水中，并超声30min，然后将上述所得的分散液滴加到装有白色丝织物样品的培养皿中(直径6厘米)，在70℃下自
组装4h，随后升温至100℃干燥固化60min，即可在丝织物表面上获得光子晶体结构色。

[0052] 显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变
动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变
动仍处于本发明创造的保护范围之中。