PDF全文- 结构生色和染整加工(三)

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"""述##评结构生色和染整加工(三)

宋心远

(东华大学,上海#200051)

关键词:染整;结构;发色;环境保护

中图分类号:TS190###文献标识码:A###文章编号:1000-4017(2005)19-0045-04

3#结构生色纤维、薄膜、颜料和整理剂

如前所述,结构生色是一种无需用染料、颜料就可使纺织

品获得艳丽颜色的技术,并具有节水、节能的优点。

3.1#结构生色纤维和薄膜

3.1.1#薄膜结构生色基本原理

由式(3)和式(4)可知,只要精确控制薄膜的折射率和厚

度,就可以通过光干涉产生某种颜色,或者消除光得到黑色。

兹例举如下:

假定薄膜的折射率为1.5,薄膜是透明的,厚度为0.5µm,

若在空气中受到光的照射,则在垂直方向和与垂直方向成30º角观察到的颜色分别为橙红色和绿色。这可通过式(3)求得:

垂直方向(即θ=0º):

2ndcos0º=(m+1/2)λ

λ/µm=2ndm+1/2=3.02m+1当m=0,1,2,3,4…

λ/µm=3.0,1.0,0.60,0.43,0.33…

其中0.60和0.43µm为可见光,但0.43µm光接近紫色

端,对人眼不敏感,所以薄膜呈橙红色。

30º方向:

2ndcos30º=(m+1/2)λ

λ/µm=2.62m+1当m=0,1,2,3,4…

λ/µm=2.6,0.87,0.52,0.37…

其中0.52µm为可见光,因此,以30º反射角方向观察薄膜

呈绿色。

同理,根据折射率、干涉光颜色和观察方向,可以求出薄膜

厚度。假定以垂直方向观察,折射率为1.5的薄膜在空气中,

其最大相长增强波长为0.6µm,极小相消删除波长为

0.45µm,薄膜厚度可从最大和极小[式(3)和式(4)]时的两方

关系式求得:

最大#2nd=(m1+1/2)λ1极小#2nd=m2λ2令式(3)与式(4)相等:

nd=2m1+14λ1=m22λ2

由此可知,当m1=1、m2=2时,可以满足上式条件:

nd=2×1+14×0.6=22×0.45=0.45µm令n=1.5,所以,d=0.3µm。

按照上述原理,可以设计出不同用途的薄膜。

由上述关系还可知道,由于太阳光的可见光波长范围为

400～700nm(仅300nm宽度),人眼分辨每种颜色不超过Δλ=

50nm,因此薄膜厚度很薄,一般在2～3µm以下。如果薄膜折

射率较高,干涉生色的薄膜厚度更应小些,在2µm以下。目前

研制的结构生色纤维中的薄膜(或薄层)厚度一般均在1µm以

下,有很强的干涉生色效应。

3.1.2#薄层组装结构生色纤维和薄膜

仿照自然界蝴蝶等生物结构生色的原理,目前已设计和研

制了结构生色纤维[7,13],这是一种多层结构的纤维。通过严格

选择一定折射率的高聚物和计算各层的厚度,使纤维薄层对光

干涉时,各层纤维薄层使光发生相长增强干涉作用,反射出很

强的一定波长的彩色光。

由式(2)～(4)可知,光通过薄膜时会发生一定的反射;在

一定条件下,会发生相消删除或相长增强干涉作用。相长增强

作用的波长,决定于薄膜的折射率和厚度,也与薄膜的反射角

大小有关。

从前述蝴蝶翅瓣表面对光的干涉生色也可知,只要其表面

的薄片重复尺寸与可见光的波长相当,翅瓣表面的薄片可起到

多层薄膜对光的干涉作用。入射光在两种不同层面的每一界

面上都发生反射,只要薄层厚度和两种薄层的折射率适当,就

可使光发生干涉生色。多层薄膜反射干涉作用见图11。

图11#光多层反射干涉作用多层薄膜反射波长与两层薄膜的折射率、厚度和折射角的

关系见式(6):

λ=2(n1d1cosθ1+n2d2cosθ2)(6)

式中:n1---薄膜1的折射率;

n2---薄膜2的折射率;

54#结构生色和染整加工（三）印#染(2005No.19)$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$d1、d2---薄膜的厚度;

θ1、θ2---图11所示的折射角。

由式(6)可以看出,如果这两种薄膜的光学厚度能够满足

n1·d1=n2·d2=λ/4关系时,干涉生色效果最大。两种薄膜

的折射率差值愈大,生色则愈强,薄膜数愈多,生色也愈强。反

射率R(又称反射比)与两层薄膜的折射率关系如式(7)所示:

R=[(n0-Y1)/(n0+Y1)]2(7)

式中:n0---空气的折射率;

Y1---n12/n2;

n1---薄膜1的折射率;

n2---薄膜2的折射率。

由式(7)可知,n1和n2差值愈大,R愈大。薄膜层数与反

射率的关系见图12。

图12#多层薄膜模型的理论反射率与层数的关系由图12知,层数为6的反射率几乎是层数为2的一倍。如

前所述,蝴蝶翅瓣有很强的干涉色,这与它存在大量的隆线薄

片有关。日本帝人公司基于上述思路,开发出多层结构的干涉

生色纤维。它由两种高聚物依次紧密叠合,每一层厚度尺寸都

精确控制,由此获得不同颜色的结构生色纤维。

如果高分子平均折射率为1.5,则产生各种颜色的薄膜厚

度范围为0.07～0.10µm(表2)。

表2#干涉生色光波长与薄膜厚度的关系颜色波长/nm薄膜厚度/µm紫4300.069

蓝4800.076

绿5200.083

红6300.101

##注:入射角0º,折射率为1.55。

两种高聚物的折射率不仅要大,它们的差值也应大。日本

帝人公司曾试过多种组合,包括聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、

聚苯乙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯和聚酰胺等相互组合。

目前已开发了由聚对苯二甲酸乙二酯(PET)与聚酰胺-6(PA-

6)的组合,有61层,它们为芯部分,外层用聚酯包覆以起保护

作用,并称为Morphotex纤维。其单丝线密度有10dtex和4

dtex两种,颜色有紫、蓝、绿和红四种颜色。这些干涉生色丝的

物理特性见表3。

纤维长度可以从75µm的细粉状到数米的长丝。这种多

层结构生色丝呈扁平截面(见图13);如果在电子显微镜下观

察,其截面是由许多层PET/PA交替叠合组成的,其截面电镜

图见图14。表3#Morphotex纤维的物理特性颜色波长/nm单纤线密度/dtex强度/cN·dtex-1延伸度/%干热收缩/%(150℃)紫430103.2353蓝480103.4403绿520103.5453红630103.5503红外1000103.5503紫(细)4304.04.2254绿(细)5204.04.1304

图13#Morphotex纤维的截面

图14#Morphotex纤维的截面电子显微镜照片由图13可看出,这种纤维中心是空的,截面是由数量非常

多的薄层紧密叠合而成。

由于薄层厚度对颜色影响很大,所以纤维的尺寸稳定性要

好,特别是热收缩性要小。要求沸水收缩率在1%～5%之内。

这要求高分子材料蠕变性要小[8]。所谓蠕变性是指在一定温

度与较小恒定外力作用下,材料形变随时间的增长而逐渐增大

的现象,其主要影响因素是温度和外力。为此,不仅要选用一

些玻璃化温度和熔点较高的高分子物作原料,而且它们之间的

粘合要强,不易滑动,纤维的超分子结构(结晶度、取向度)也要

稳定,这样才能得到稳定的结构和颜色。在应用这种生色纤维

时,还要避免高温,受力也应小,并且不能受到溶剂等化学品的

作用。

只要合理选择高分子组成,层数足够多,这种纤维的颜色

可以从浅到深,理论上可获得各种颜色。

图15为这种光干涉生色长丝、Sulkowskyi(闪蝶属)蝴蝶翅

瓣,以及染成蓝色长丝的相对反射率。

图15#某些光干涉生色样品的反射光谱

64印#染(2005No.19)#www.cdfn.com.cn$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$如图15所示,这种干涉发色纤维在最大波长处反射率很高,

不仅比染色丝高,而且还比蝴蝶翅瓣高得多,具有很明亮的色彩。

除了日本帝人公司开发的Morphotex纤维外,美国在这之

前就已经出现了命名为Angelina系列的超细闪光纤维,它也是

通过薄膜对光发生干涉产生闪光的颜色。这种纤维主要是短

纤维,其长度有25.4、50.8、101.6和203.2mm几种,由聚酯和

聚酰胺薄膜制成。其中闪光的Mearl薄膜含有200多层两种或

更多种的聚合物,随着聚合物折射率和厚度的不同,对光产生

干涉,可发生各种闪光的颜色。这种纤维可以镀金属,因此有

金色、银色以及珍珠色等各种颜色,并且呈扁平状或卷曲状。

镀有金属的闪光彩色纤维还具有导电能力。与上述的Mor-

photex纤维一样,这种纤维对湿热处理较敏感,因此,适用于不

需要湿热加工的纺织品,特别是与一些染色纤维(或纱线)混

纺、交织,制成特别亮丽的服装或工艺品。

干涉生色薄膜出现则更早,生产技术难度也相对低些,一

般不必制成层数很多的薄膜就可获得闪色薄膜。聚合物的种

类也多些,除了聚酯和聚酰胺外,还包括聚乙烯、聚丙烯和聚氨

酯等。这些结构生色薄膜有单层和多层组合膜,单层的生色效

果差,大多镀有金属,用作反光膜;多层组合膜可产生各种颜

色。结构生色膜主要用作装潢、商标和信号标记材料,直接用

作纺织品较少。

纺织品涂层加工就是在基布上施加一层或多层高分子物

薄膜,只要形成的薄膜厚度适当,聚合物的折射率适中,对光也

可以发生干涉,并产生颜色,所以一些涂层织物也可产生干涉

生色。这种涂层织物属薄膜干涉生色,对基布有一定影响,而

且薄膜厚度比纤维中的厚。

3.1.3#嵌段共聚超分子组合结构生色纤维和薄膜

干涉生色不仅可通过薄膜组合得到结构生色纤维和薄膜,

近年来还研究通过嵌段共聚超分子组合,以获得结构生色的薄

膜,并有望开发结构生色纤维[14]。

为了制成对光发生强干涉的薄膜,首先通过高分子链段组

合,一般是进行嵌段-接枝共聚,形成核-壳结构的超分子微粒。

这种超分子微粒的主要合成体系见图16所示。

图16#交联的核-壳超分子微粒的合成体系由图16知,先分别在溶液中和固相制得高分子胶团和球粒

基体,然后在良好的溶剂中将它们交联和溶合,制成核-壳球粒。

所制得的核-壳超分子微粒直径分布很狭,而核和壳组成对

光的折射率不同,对光有强烈的干涉作用。

例如,以聚(4-乙烯吡啶)(P4VP)为核,以聚苯乙烯(PS)为

壳,进行阴离子聚合,得到PS-嵌段-P4VP的嵌段共聚体,并进

行交联固定,主要过程如下:(1)光交联性的核-壳微粒预聚体的合成

反应过程如图17所示。为了使核-壳微球能够固定和排

列,进行控制组合。首先进行氯甲基化,用氯甲基甲醚

(CMME)作反应剂,ZnCl2作催化剂,在苯环上接氯甲基;然后

用二乙基二硫代氨基甲酸钠(Na-DETC)与它反应,在核-壳微

球粒的壳层上接二乙基二硫代氨基甲酸酯基(DC),使其具有光

反应功能。

图17#光功能性核-壳型超分子微粒预聚体的合成过程

图18#接枝共聚球粒子固定法示意(2)微球粒的接枝共聚固定

如图18所示,具有光引发反应功能性的核-壳微粒,在紫外

线(UV)照射下,可与甲基丙烯酸甲酯(MMA)发生接枝共聚反

应,在微粒中引入聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)链段,并形成网

络结构,将接枝共聚的核-壳微球粒固定。接枝共聚反应是由二

乙基二硫化氨基甲酸酯基光反应生成的游离基引发的,得到的

是一种含有多元链段,结构复杂的微球粒。它实际上是一形态

稳定的核-壳结构超分子,对光具有干涉作用。这种超分子微粒

在一些溶剂中可以组合成透明的薄膜,微粒成一定的几何规律

排列,例如形成体心立方(BCC)或面心立方(FCC)格子结构,对