结构色纤维的制备方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种结构色纤维的制备方法：制备胶体乳液；将纤维采用自上而下的抽拉方式经过胶体乳液，以在纤维的表面均匀附着胶体乳液层，纤维经过胶体乳液的速度为20‑120μm/min；使纤维表面的胶体乳液层中的水分挥发，得到结构色纤维。本发明专利技术还涉及一种结构色纤维的制备装置：包括第一卷绕机构、涂覆机构、挥发机构以及第二卷绕机构，涂覆机构包括盛放有胶体微球溶液的容器，容器设有位于顶部的进口端和底部的出口端，出口端设置为与纤维的直径匹配的微孔，挥发机构包括发出红外光线的探照灯，纤维卷绕至第一卷绕机构后，依次经过容器和探照灯后收线至第二卷绕机构，第二卷绕机构抽拉纤维时，纤维自上而下经过容器，第二卷绕机构的卷绕速度为20‑120μm/min。

Method and apparatus for preparing structured color fibers

The invention relates to a preparation method of a fiber structure color: preparation of colloidal emulsion; the fiber pulling through top-down colloid emulsion on the surface of the fiber to uniformly adhere colloid emulsion layer, fiber after colloid emulsion speed of 20 120 m/min; the fiber surface water evaporation surface colloid emulsion layer the obtained color fiber structure. Preparation device of the invention also relates to a structure that includes a first color fiber winding mechanism, coating mechanism, evaporation mechanism and second winding mechanism, coating mechanism comprises a container for containing a colloidal solution, the outlet located at the top of the container is provided with inlet end and the bottom of the outlet end is connected with the fiber diameter, pore the volatilization mechanism includes emits infrared light, searchlights, fiber winding to the first winding mechanism, passes through the container and the searchlight closed after the line to second winding mechanism, second winding mechanism of pulling fiber, fiber from up and down through the container, winding speed second winding mechanism is 20 120 m/min.

【技术实现步骤摘要】
结构色纤维的制备方法及装置
本专利技术涉及纤维制备领域，尤其涉及一种结构色纤维的制备方法及装置。
技术介绍
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(ChemicalOxygenDemand，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YablonovitchE.和JohnS.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，VukusicP.等研究了蝴蝶翅膀、资剑等研究了孔雀等鸟类羽毛、SrinivasaraoM.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(ColloidalSphere)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。目前利用胶体在纤维表面自组装的方法非常多，例如日本帝人公司开发的Morphotex纤维通过多层膜干涉制备结构色纤维，必须准确的控制每一层膜的厚度，通过胶体静电纺丝的方法快速并且大量的制备胶体晶体纤维(文献AcsAppliedMaterial&Interfaces，2015,7,17,25，14064-14071)。申请号为201310021645.9的中国专利利用电沉积的方法在纤维表面实现胶体微球的自组装，研究了提拉法制备结构色纤维等等。这些方法都有其独特的优点，但的确也存在许多后续应用的缺陷，使其不具备实际应用的前景。通过多层膜的干涉制备结构色纤维，必须准确的控制每一层膜的厚度，制作工艺非常复杂，成本较高；静电纺丝法得到的结构色纤维力学性质非常差，根本不可能取出进行后续应用；电沉积制备结构色纤维效率低，并且只能对导电性良好的纤维进行着色，不能实现大批量生产。与前几种不同的是，提拉法在制备过程中有所改进，采用类似光纤表面涂覆技术在纤维表面涂覆一层结构色涂层来制备结构色纤维。由于是在纤维表面涂覆，所以不破坏纤维的原有的力学性能，并且可以通过改变提拉机的速度，起到控制纤维表面胶体晶体层数的效果，实现纤维光学性质的改善。虽然这种方法得到的结构色纤维具有很好的机械性能，具备实际应用的前景，但由于提拉机自身提拉路程有限，导致所作用的纤维长度很有限，因此也决定了提拉速度不会太高。这些都是影响提拉涂覆技术不适合大规模生产的主要因素。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种结构色纤维的制备方法及装置，本专利技术可以快速并大量的实现结构色纤维的制备，并在一定程度上实现不同光学效果的可控性，有助于发展一种绿色无污染、低能耗、永不褪色的纤维显色技术。本专利技术提供了一种结构色纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)制备胶体乳液；(2)将纤维采用自上而下的抽拉方式经过步骤(1)制备的胶体乳液，以在纤维的表面均匀附着胶体乳液层，纤维经过胶体乳液的速度为20-120μm/min；(3)使纤维表面的胶体乳液层中的水分挥发，胶体乳液层中的颗粒微球在毛细力的作用下组装于纤维表面，得到结构色纤维。进一步地，在步骤(1)中，通过将胶体微球分散于水中制备质量分数为1-5％的胶体乳液，胶体微球为聚苯乙烯微球(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯微球(PMMA)、二氧化硅微球(SiO2)、苯乙烯/甲基丙烯酸酯/丙烯酸(P(St-MMA-AA))共聚复合微球和苯乙烯/丙烯酸正丁酯/丙烯酸(P(St-BA-AA))共聚复合微球中的一种或几种。进一步地，在步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种结构色纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)制备胶体乳液；(2)将纤维采用自上而下的抽拉方式经过步骤(1)制备的所述胶体乳液，以在所述纤维的表面均匀附着胶体乳液层，所述纤维经过所述胶体乳液的速度为20‑120μm/min；(3)使纤维表面的胶体乳液层中的水分挥发，胶体乳液层中的颗粒微球在毛细力的作用下组装于纤维表面，得到所述结构色纤维。

【技术特征摘要】
1.一种结构色纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)制备胶体乳液；(2)将纤维采用自上而下的抽拉方式经过步骤(1)制备的所述胶体乳液，以在所述纤维的表面均匀附着胶体乳液层，所述纤维经过所述胶体乳液的速度为20-120μm/min；(3)使纤维表面的胶体乳液层中的水分挥发，胶体乳液层中的颗粒微球在毛细力的作用下组装于纤维表面，得到所述结构色纤维。2.根据权利要求1所述的结构色纤维的制备方法，其特征在于：在步骤(1)中，通过将胶体微球分散于水中制备质量分数为1-5％的所述胶体乳液，所述胶体微球为聚苯乙烯微球、聚甲基丙烯酸甲酯微球、二氧化硅微球、苯乙烯/甲基丙烯酸酯/丙烯酸共聚复合微球和苯乙烯/丙烯酸正丁酯共聚复合微球中的一种或几种。3.根据权利要求1所述的结构色纤维的制备方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述纤维的直径为100-600μm，纤维的表面经低温氧等离子的方式预处理，低温氧等离子处理的压强为70-90Pa，放电功率为100-120w。4.根据权利要求1所述的结构色纤维的制备方法，其特征在于：在步骤(3)中，通过红外加热的方式使涂覆后的胶体乳液中液体挥发。5.一种结构色纤维的制备装置，其特征在于：包括第一卷绕机构、涂覆机构、挥发机构以及第二卷绕机构，所述涂覆机构包括盛放有胶体微球溶液的容器，所述容器设有位于顶部的进口端和位于底部的出口端，所述出口端设置为与所述纤维的直径相匹配的微孔，所述挥发机构包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：张克勤，曾琦，李青松，周宁，董伊航，
申请(专利权)人：苏州贝彩纳米科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32