通过表面硅烷化的胶体组装技术，实现了疏水性、透气性以及鲜艳结构色的织物

《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：Hydrophobic, Breathable, and Vivid Structural-Colored Fabrics Achieved through Surface-Silanized Colloidal Assembly

结构色织物通过表面修饰实现疏水功能与高色彩稳定性的协同优化。采用聚(苯乙烯-甲基丙烯酸-丙烯酸)胶体微球自组装构建有序光子晶体结构，并通过喷涂含低表面能硅烷链的二氧化硅纳米颗粒处理，使织物接触角超过150°且颜色饱和度保持优异。该工艺在维持透气性的同时实现机械稳定性提升，为可扩展的环保型功能纺织品开发提供新思路。

　　

朱志杰|廖忠琴|洪杰|冯成良|田宇|王森岭|徐海燕

江苏省工程技术学院纺织与服装学院，中国南通市226006

摘要

由周期性晶体结构组成的结构色织物在生态织物的制备中具有固有的优势，因为它们具有较高的亮度和抗光漂白性能。然而，由于微球之间的界面相互作用较弱，在尝试将额外功能整合到结构色系统中时存在一个关键的权衡：功能的提升可能会不可避免地牺牲原有的色彩质量。本文提出了一种简便的方法，通过在胶体微球表面引入低表面能硅烷链来制备疏水性结构色织物（HSCF）。经过喷涂处理后，原本亲水的织物转变为疏水性的织物。结果表明，这种结构色织物的静态水接触角大于150°，且颜色饱和度高。同时，由于保持了多孔结构，织物仍然具有柔软性和透气性。此外，通过这种易于实施的策略，成功制备出了具有均匀鲜艳色彩的卷对卷HSCF，展示了其大规模生产的工业潜力。

引言

颜色是服装的重要属性。传统的纺织染色依赖于合成色素，这些色素通过吸收特定波长的光来产生颜色。然而，这种方法本质上不可持续。从环境角度来看，该过程消耗大量水资源并排放有害化学物质，导致严重的环境污染[1]，[2]。在性能方面，这些色素中的化学键本质上不稳定，因此经过反复洗涤和光照后颜色会明显褪色[3]。相比之下，基于光子晶体的结构着色技术成为一种有前景的替代方案。这种方法通过光与周期性纳米结构的物理相互作用产生颜色，具有高亮度和出色的抗褪色性，且无需使用任何传统着色剂[4]，[5]，[6]。通常，结构色织物可以由织物表面的有序光子晶体（PCs）和非晶态光子结构（APS）制备[7]，[8]，[9]。有序PCs以其高色彩纯度和由布拉格衍射产生的明亮结构色而闻名。相比之下，APS通常由短程有序或无序的胶体组装体形成。这些系统具有独特的光学特性，例如非彩虹色，使其适用于需要角度无关外观的应用[10]，[11]。

在这方面，胶体微球的自组装被认为在制备PCs或APS方面是有效的。迄今为止，已经开发了许多构建单元，如聚苯乙烯（Polystyrene）、SiO₂、Cu₂O和TiO₂。然而，组装好的胶体微球之间的弱界面力往往使得光子结构在机械上脆弱且容易受到环境损害[12]，[13]。因此，开发一种能够在不牺牲色彩质量的情况下制备出坚固且多功能的结构色织物的有效策略仍然是一个挑战。

利用多样化的PC结构中编码的丰富独特光学信息并将其应用于新的领域仍然有限[14]，[15]，[16]。特别是，开发出能够抵抗磨损、水和污渍的耐用结构色织物对于扩大其在各个领域的实际应用非常重要[17]，[18]，[19]。赋予结构色织物拒液性能的目标推动了多项研究，这些研究集中在理解和模仿其特殊的表面几何形状、微纳结构和表面功能上[20]。使用具有功能基团的特定胶体颗粒作为组装单元，可以有效地保持所需的拒液性能。例如，合成了具有聚（氟烷基丙烯酸酯）壳层的氟化颗粒，并将其用作构建块来制备疏水性光子晶体。所得到的PCs表现出自清洁功能和增强的颜色稳定性，优于非氟化的PCs[21]。Ge等人通过一步喷涂工艺制备了准非晶态的氟化硅纳米颗粒阵列，薄膜的接触角超过了150°[22]。然而，具有明确核壳结构的氟化颗粒的多步合成过程复杂、成本高昂且难以规模化。更重要的是，全氟烷基物质在环境中的持久性可能引发严重的生态和健康问题。将低表面能材料与胶体颗粒共组装以形成复合光子晶体已被证明是一种实现拒液性的有效策略。Li等人通过一步喷涂工艺制备了彩色超疏水涂层，成功将硬脂酸颗粒沉积在不锈钢基底上[23]。然而，准非晶态阵列中的结构无序可能导致宽而弱的光子带隙，最终导致结构色不稳定且饱和度低。

在这项工作中，通过将聚（St-MMA-AA）胶体微球的有序光子晶体结构沉积在纺织基底上，然后进行低表面能硅烷链的表面修饰，制备出了疏水性结构色织物（HSCF）。HSCF最初采用棒涂法制备，随后通过喷涂十六烷基三甲氧基硅烷改性的SiO?纳米颗粒（nano-HDTMS-SiO?）进行处理。系统地研究了织物的水接触角（WCA）和颜色饱和度。通过调整组装参数，制备的HSCF表现出显著的疏水性（WCA > 150°）和高颜色饱和度，这得益于其有序的光子晶体结构和低表面能化学涂层的协同效应。HSCF的拒液性质使其在接触外部污染物时稳定性得到提高，这一点从其反射光谱的变化中可以证明。此外，编织织物的宏观孔隙性得以保留，确保了足够的透气性，从而保持了HSCF的穿着舒适性。这些综合特性展示了所开发的HSCF在自清洁纺织品中的实际应用潜力。

材料

苯乙烯（St，99%）、甲基丙烯酸甲酯（MMA，99%）、丙烯酸（AA，99%）、过硫酸钾（KPS，98%）和碳酸氢钠（NaHCO₃，99%）、十六烷基三甲氧基硅烷（HDTMS，99%）、四乙基正硅酸盐（TEOS，98%）购自Aladdin Industrial Corporation。氨水（NH₃·H₂O，28%）、乙醇（EtOH，99%）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP，K40，Mw = 40000）购自Sinopharm Chemical Reagent Co. Ltd。水性聚氨酯（WPU）从市场购买后直接使用。

HSCF的制备与表征

HSCF的制备首先通过自组装过程将单分散微球沉积在织物基底上，然后喷涂纳米-HDTMS-SiO?乳液。典型的制备过程如图1a和1b所示。具体来说，羧基功能化的微球是通过两步种子乳液聚合法合成的。首先制备聚苯乙烯种子以形成刚性核心，随后引入壳层单体MMA和AA。

结论

总之，本研究成功开发了一种简便高效的方法来制备HSCF。将低表面能的nano-HDTMS-SiO?涂层和由单分散胶体微球组装的光子晶体结构整合到纺织基底上。这种方法成功地在引入额外功能和保持结构色固有光学质量之间取得了平衡。

CRediT作者贡献声明

田宇：撰写 – 审稿与编辑、资金获取、概念构思。王森岭：撰写 – 审稿与编辑、资金获取、概念构思。徐海燕：撰写 – 审稿与编辑、资金获取。朱志杰：撰写 – 原始草稿、监督、方法论、研究、资金获取。廖忠琴：验证、方法论、研究、数据管理。洪杰：验证、方法论、研究、数据管理。冯成良：撰写 – 审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（22408340, 22408339）、江苏省自然科学基金（BK20230284）、南通市自然科学基金（JC2023017）、福建省自然科学基金（2023J01908）、江苏省青兰计划以及浙江省自然科学基金（LQ22B060001）的支持。