光子晶体结构色纺织材料的制备及应用研究进展

陈欢欢，高伟洪，陈凯凯，张之悦，赵小燕

（上海工程技术大学纺织服装学院，上海 201620）

人类经过对颜色漫长的探索发现，颜色本质上就是人的眼睛受到某种电磁波刺激而产生的心理响应。同时，人们也发现自然界中的颜色可根据其不同的产生机制分为化学色和物理色两种。化学色，即色素色，是由色素分子在受到自然光照射时有机分子或离子选择性吸收或反射特定波长的光而产生的颜色。胡萝卜、毛发、绿叶以及染料所呈现的颜色都属于色素色。物理色，即结构色，是由光与微纳结构发生干涉、散射、色散或衍射等相互作用而产生的颜色，其中，基于布拉格衍射原理产生结构色的光子晶体材料受到了广泛的关注。自然界中许多颜色均为结构色，如蜻蜓的透明薄翼、肥皂泡、靛青蛇乌黑发亮的蛇皮、蓝色的天空等。

化学生色所得的颜色不会随着观察角度的变化而变化，但在一段时间的使用或光照后，其色素分子会与空气中的化学成分反应而褪色。目前，纺织品的着色使用较多的是化学生色，即将化学染料或颜料印染到纺织品上。然而，这种方法印染得到的纺织品易褪色，印染废水排放量大且色素含量较高，对环境的污染、水资源及能源消耗都较大。相比较而言，结构颜色只取决于材料的形状而非其化学性质，只要材料的折射率和形状不变，结构颜色便不会褪色。目前研究来看，将结构生色应用于纺织领域中，可以制备出色彩鲜艳、饱和度高、不褪色且对环境友好、绿色无污染的结构色纺织品，可以很好地解决传统化学染色所带来的环境问题。

1987年，Yablonovitch和John分别独立提出了光子晶体理论，将不同介电常数的介质周期性排列形成的有序人工微结构材料定义为光子晶体，也称光子带隙晶体。电磁波与光子晶体发生布拉格衍射产生能带，不同能带之间又形成了光子禁带。当光子晶体的带隙落在可见光范围内时，某一频率范围的波将不能在此周期性结构中传播并被反射回来，而是与其相互作用产生结构色。光子晶体的人工构建是结构生色材料的主要制备途径，且在纺织材料领域已有所应用。下面结合光子晶体结构色的生色机理，简述光子晶体结构色的制备方法，重点介绍了光子晶体结构色近年来在纺织领域中的应用及研究进展。

1 光子晶体结构及其生色机理

光子晶体（photonic crystal，PC）中，不同材料能带与能带之间存在光子带隙（band gap），即“光子禁带”，当光子带隙与可见光频率范围相近时，某一波长范围的可见光无法在光子晶体中传播，而是在其表面形成相干衍射（coherent diffraction），从而产生结构色。此中，某一波长范围内的光无法穿过光子晶体结构的过程可用布拉格衍射（Bragg diffraction）原理来解释。在该原理中，光子禁带内的光照射在光子晶体单元上时，先发生衍射作用，之后这部分衍射光相互干涉又回到了原来的传播介质中。当在可见光区（光波长为400～800nm）时，随着一部分光穿过光子晶体结构，光子禁带内的光由于布拉格衍射作用产生干涉光回到入射介质（通常为空气）中。这样，人们就可以看到那部分加强了的某段波长的干涉光产生的结构色，即光子晶体结构色。从布拉格公式[Bragg’s equation，式(1)]可知，某波长的光是否发生布拉格衍射由光子晶体的材料折射率值、光的入射角、光子晶体结构晶格间距三者共同决定，见式(1)。

按照折射率变化的周期性空间分布，光子晶体分为一维、二维和三维光子晶体，如图1 所示。一维光子晶体是介质的介电常数只在单一方向上呈现周期性排列而在其他方向上呈现均匀分布的材料，由两种或两种以上介质层交替叠成，如图1(a)所示。一维光子晶体常通过薄膜干涉及光栅衍射来产生结构色。二维光子晶体是介质的介电常数在空间平面内两个方向上周期性排列而在该平面垂直方向上均匀分布的材料，如图1(b)所示。二维光子晶体具有很小的几何尺寸和光子禁带，而且有着降低传输损耗、自成像效应和慢光效应等特点。三维光子晶体是介质的介电常数在空间3个方向上均周期性排列，且与可见光发生相互作用时会产生结构色的材料，如图1(c)所示。

图1 光子晶体结构模型及结构生色原理

三维光子晶体根据微粒结构的堆积方式可以分为两种类型：一种是短程有序长程也有序排列的三维光子晶体；另一种是短程有序长程无序的非晶光子晶体（amorphous photonic crystal，APC），如图1(d)和图1(e)所示。微粒结构呈周期性排列的光子晶体产生的颜色具有明显的角度依赖性，会随着观察角度的变化而发生变化，即虹彩（iridescence）效应。而非晶光子晶体是光子晶体的“缺陷态”结构，其微粒结构不呈周期性排列，所形成的光子带隙不完整且晶格排列无序，具有短程有序的特性。这种非晶光子晶体的特殊带隙被称为光子赝带隙（photonic pseudogap），其对应的光子态密度不为零且可随频率快速响应，使得位于光子态密度低谷区的光被强烈反射，进而产生结构色。与传统的光子带隙不同，光子赝带隙与方向无关，光在各个方向均匀散射，进而产生非彩虹效应（noniridescence）。

在对光子晶体结构色进行研究时，由于材料的选择性较大且方法更加多样化，研究者们大多利用一维光子晶体（纳米薄膜）中的薄膜干涉、三维光子晶体或非晶光子晶体（纳米微球）中的布拉格衍射原理来产生结构色。

2 光子晶体结构色纺织材料的制备

经过长时间的探索，使用胶体粒子自组装的方法在纺织品上构筑结构色的研究已初见成色。其中，常用的胶体粒子主要分为有机和无机两类，有机粒子主要有聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚(苯乙烯-甲基丙烯酸)[P(St-MAA)]等，无机粒子主要有二氧化硅（SiO）、二氧化钛（TiO）、四氧化三铁（FeO）等。本文详细介绍了几种常用的结构色纺织品的制备方法，如垂直沉积法、重力沉降法、电泳沉积法、喷墨打印法、胶体静电纺丝法、静电自组装法、磁控溅射法、模板法、丝网印刷法和剪切诱导自组装法等。

2.1 垂直沉积法

将基布垂直放置于单分散胶体微球的组装液中，随着溶剂的蒸发，胶体微球在毛细管力和表面张力的共同作用下堆积在织物两侧或纤维表面，在其表面形成周期性排列的光子晶体结构，如图2(a)所示。垂直沉积法制备工艺简单，光子晶体厚度易调节，但其在垂直方向上厚度易不均匀，对胶体颗粒的尺寸、基材、温湿度等外部条件要求较高。与重力沉降法的单面着色不同，垂直沉积法制备的结构色织物具有双面着色的特点，与传统的浸染染色方法采用染料浴获得的颜色效果非常相似，且光子晶体结构比重力沉积制备的要薄得多，所以织物手感更为柔软。Liu 等便是采用垂直沉积法将不同粒径的P(St-MAA)微球组装到涤纶织物上，从而得到具有双面着色效果、纹理清晰、手感柔软的光子晶体结构色织物，如图2(b)所示。

图2 垂直沉积法原理及其制备的结构色织物

2.2 重力沉降法

重力沉降法是将粒径均一、单分散性良好的胶体颗粒乳液按照一定的浓度分散于溶剂中，随着溶剂的蒸发，胶体颗粒在重力场作用下自组装到基布上堆积成三维光子晶体，从而形成结构色，如图3所示。重力沉降法制备工艺简单，对设备要求低，但是其对胶体粒子的尺寸和密度要求严格，样品缺陷多且制备周期长。相比较垂直沉积法可以在织物两侧形成结构色，重力沉降法只能够在织物的一侧形成结构色，且光子晶体结构涂层较厚。另外，为解决重力沉降法制备周期长的问题，可在重力沉降法的基础上引入离心场力或进行热辅助，以加速胶体颗粒的沉积，从而快速制备光子晶体结构色。

图3 重力沉降法原理及其制备的结构色织物

2.3 电泳沉积法

为解决重力沉降法制备结构色时过大或过小的胶体粒子不易组装为有序胶体晶体结构的问题，人们采用电泳沉积法将单分散的带电胶体颗粒置于电场中，使其在电场作用下做定向运动，最后沉积在电荷相反的电极上形成光子晶体结构，如图4(a)所示。这种基于电场力作用的胶体晶体制备方法周期短、晶体结构可控、操作简便，可用于模拟传统的纤维染色工艺，但是其对设备的要求较高且基材必须导电，这也使得棉、麻、涤纶等不导电或导电性差的材料无法通过此法获得结构色。周宁等采用电泳沉积法在导电碳纤维表面沉积不同尺寸的PS纳米微球，成功制备了红、绿、蓝3种非晶光子晶体结构色碳纤维，且在碳纤维上构筑结构色并不会影响纤维本身的物理力学性能，如图4(b)所示。

图4 电泳沉积法原理及其制备的结构色纤维

2.4 喷墨打印法

喷墨打印法是一种非接触式的快速制备大规模图案化结构色材料的方法，可以直接将胶体颗粒打印到纺织品上形成图案。该方法主要是利用计算机控制数码打印设备，打印机控制喷头系统使其可控地喷射胶体微球墨滴，从而在纺织品上形成结构色图案，如图5(a)所示。喷墨打印不会受基布组织结构的影响，可以在纺织品上大规模地制备结构色图案，但其图案边缘会出现“咖啡环”效应，使图案的颜色不均匀，容易出现裂纹。浙江理工大学邵建中课题组利用喷墨打印技术在黑色涤纶织物上制备色彩鲜艳的结构色图案，使用甲酰胺（FA）来抑制咖啡环效应，之后该课题组又分别将聚氨酯丙烯酸酯（PUA）/聚甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸丁酯[P(MMA-BA)]和SiO混合作为“油墨”组装到基布上，得到色彩明亮且稳定的任意图案，如图5(b)所示。

图5 喷墨打印法原理及其制备的结构色图案

然而在制备复杂的高精度图案时，传统的喷墨打印法很难满足要求。为解决这一问题，基于电流体动力学微液滴喷射沉积的电喷打印技术随之出现。与传统喷墨打印所采用的推拉方法不同，电喷打印采用电场驱动的牵拉方式从胶体晶体溶液的液锥顶端产生极细的射流，喷射沉积到纺织基材表面。其打印过程不受喷头阻塞困扰，适用材料广泛，易产业化。利用更接近于工业化的制备方法，在纺织基材上构筑图案化光子晶体生色结构，对光子晶体结构色的实际应用起到了促进作用。

2.5 胶体静电纺丝法

胶体静电纺丝法是近年来的研究热点之一。在胶体静电纺丝法中，纺丝液在高压电场的作用下被快速牵伸，相分离之后沉积在接收板上，纺丝液中的胶体微球会在牵伸过程中自发地规整排列，从而获得具有结构色效应的纤维，如图6(a)所示。光子结构的带隙发射和胶体粒子的米氏散射使所得的静电纺纤维具有结构色。从原理上看，同样在电场的作用下，胶体静电纺丝法是通过牵伸得到纤维而形成结构色纤维膜，而电喷印法是直接将胶体微球喷射打印到基布上而得到图案颜色，两者各有优点。袁伟等采用胶体静电纺丝技术，用PS、PMMA和聚丙烯酸合成了纳米微球，使其与聚乙烯醇（PVA）混合进行纺丝，制备出直径为几微米的具有非彩虹色和可调结构色的纳米纤维，经水处理后，成功制备了不含任何染料/颜料的结构色纤维膜，如图6(b)所示。

图6 静电纺丝法原理及其制备的结构色薄膜

2.6 静电自组装法

为解决重力沉降法胶体颗粒沉积时间长、颗粒的粒径要求高、胶体厚度难以控制等问题和垂直沉积法在织物表面存在颜色分层的问题，人们通过静电自组装法使表面带有相反电性电荷的胶体粒子在静电力的作用下自组装成光子晶体结构。该方法通过有效控制基体材料表面所带的电荷（如调节溶液的pH），在分子水平控制多功能性光子晶体膜层的厚度，但是它的实验条件十分苛刻，温度、胶体颗粒的单分散性、颗粒表面的电荷密度以及在分散介质中反电荷的密度都会对组装过程产生影响。张云等将蚕丝织物交替浸渍于带负电的SiO胶体溶液和带正电的聚乙烯亚胺（PEI）中，在蚕丝织物表面制得厚度可控的SiO/PEI 薄膜，其膜层也很光滑，与蚕丝织物原样的表面无甚差别，且可与光发生薄膜干涉，获得色彩斑斓的结构色，如图7。

图7 不同组装周期后的结构色织物

2.7 磁控溅射法

磁控溅射法制备结构色织物，要先对织物进行一定的前处理，而后将作为靶材的胶体颗粒周期性地溅射到织物表面形成薄膜，通过光的干涉作用产生结构色，具有操作方便、环境友好、对织物的适应性强等优点，适合大规模生产，便于进一步推广。通常在制备薄膜时，为避免靶材自身颜色对结果产生影响，多采用非彩色的TiO和SiO胶体颗粒作为靶材。袁小红等采用磁控溅射法在涤纶织物表面沉积Al/TiO复合膜，通过改变沉积时间，得到颜色规律性变化的结构色织物，如图8 所示。Al 的存在使得结构色织物具有抗紫外线的功能。

图8 不同溅射时间下的结构色织物

2.8 模板法

模板法是以天然生物组织为模板，采用原子层沉积（ALD）、物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）等技术进行人工仿制，最终去除模板，得到兼具原生物体结构优势和化学材料自身特点的非晶光子晶体结构。非晶光子晶体所呈现出来的不随角度变化而变化的颜色非常满足纺织品着色的要求，具有很好的应用前景。

2.9 丝网印刷法

丝网印刷法是使用带有图案的模板丝网和橡皮刮，通过刮刀挤压结构色浆料，使其透过网版图形印刷到基材上，经烘干获得结构色涂层的方法。与结构色的其他制作方法相比，丝网印刷法具有易于操作、快速制备较厚的涂层、大面积制备结构色等优点。大连理工大学唐炳涛教授课题组采用快速丝网印刷技术，在白色织物上制作出结构稳定、色彩鲜艳、无虹彩的结构色彩，通过多步印刷工艺易于实现大规模生产和多色图案输出，在各种基底上获得的无虹彩结构颜色具有很高的颜色可见度，如图9所示。这种新颖、环保的染色技术在纺织品着色和其他与颜色相关的领域显示出巨大的应用潜力。

图9 丝网印刷法原理及其制备的结构色图案

2.10 剪切诱导自组装法

剪切诱导自组装法是将高浓度的液态胶体晶体涂覆到基材上，使其在剪切力的作用下快速组装成结构色薄膜，从而在织物上制备出明亮的结构色，如图10(a)所示。浙江理工大学的邵建中教授和美国加州大学的殷亚东教授课题组通过将稀释的PS 胶体浓缩至高于临界体积分数，剪切诱导组装形成的预结晶液态胶体晶体（LCC），使其可以在柔性织物上得到大面积的胶体光子晶体。预结晶液晶的流体性质及其快速重构的能力使得它们能够在剪切力下很容易在有纹理的衬底上扩散，并快速组装成具有明亮结构色的高度结晶的PC 膜，溶剂的快速蒸发使其可以在几分钟内产生大面积的高质量固体PC 膜，实现结构色的大面积制备，如图10(b)所示。另外，在具有预定润湿性的衬底上还可以产生多种结构色图案，在聚酯（PET）图纸和玻璃上可以产生明亮的结构色涂层。这种方法可以在织物上大面积快速生产高质量的PC 膜，解决无法大面积制备结构色纺织品的问题，为纺织品的结构着色提供了一条经济有效的途径。

图10 剪切诱导自组装法原理及其制备的结构色织物图

表1 总结了结构色纺织品常见制备方法的优缺点。

表1 结构色纺织品常见制备方法的优缺点

3 光子晶体结构色在纺织领域中的应用

3.1 光子晶体结构色纤维

就目前光子晶体结构色纤维的研究来看，常用的基体纤维有碳纤维、聚酯纤维、聚氨酯纤维、聚二甲基硅氧烷（PDMS）纤维以及其他的化学纤维等。目前已报道出来的光子晶体结构色纤维的制备方法主要有两种类型：一种是以纤维作芯层在其表面进行包覆，在纤维表面组装光子晶体结构；另一种是从纤维内部和组成出发，将胶体微球分散到纺丝液中，通过静电纺丝法制备结构色纤维，或将光子颜料嵌入到纤维内部进行保护，通过模板法来制备结构色纤维。

碳纤维虽性能优良、应用广泛，但其高结晶度和惰性化学表面使其难以用传统的染料或色素分子着色，且在整个可见光区域的强光吸收会掩盖染料分子产生的颜色，如今在碳纤维上构筑结构色给其提供了一个全新的思路。因为碳纤维的导电性能较好，所以采用操作简便、容易调控的电泳沉积法来制备结构色碳纤维，而对于一些导电性较差的纤维，则应使用其他方法来制备结构色。周宁等根据电泳沉积原理，使带负电的PS 微球在电场作用下沉积到碳纤维表面，将带负电的PS 微球自组装到碳纤维表面形成胶体晶体结构层，制备出彩色碳纤维。Chen等采用原子层沉积技术，通过控制黑色碳纤维表面的二氧化钛涂层的厚度，简单地调节结构色，且结构色的牢度较好，可以承受50 次家用洗涤。不过要注意的是，原子层沉积法局限于碳纤维及其织物的结构生色，对棉、毛、涤纶等常用织物并不适用。

对于一些化学纤维，可采用浸渍、涂覆原理来制备结构色纤维，以达到速度可控和厚度易控制的效果。这种制备结构色的方法不仅适用于各种不同直径和截面形状的纤维，如圆形、矩形和三角形，还适用于部分聚合物和无机材料。杨丹等以魔芋葡甘聚糖纤维为基底，先将其垂直浸入SiO胶体微球分散液中，再采用提拉法在其表面涂覆一层SiO胶体微球涂层，制备出一种力学性能良好的结构色纤维。这类将软球浸涂于纤维表面制备结构色的方法所形成的结构色涂层具有较好的机械附着力，所得的纤维结构色牢度有所提升。

在赋予化学纤维结构色的同时，也可利用结构色的特点来增加一些其他的功能，扩大其应用范围。Sandt等通过在被染黑的PDMS表面交替包覆两种不同折射率的聚合物薄膜，制造了一种具有拉力感应的周期性多层包层的结构色PDMS光纤，将其用于绷带等医用纺织品中来实时检测施加在患者皮肤上的压力，如图11(a)所示。虽然这类在纤维表面包覆聚合物薄膜的方法能够得到结构色纤维，但是需要对聚合物薄膜的厚度精确控制，要求较高，且颜色持久性有待提高。研究人员发现可以通过渗透蛋白石结构用具有黏合力的聚合物介质或软球将纳米微球黏结起来，增加纤维结构的稳定性和结构色的持久性，呈现均匀而无虹彩效应的结构色。彭慧胜教授课题组将含有FeO@C 纳米颗粒的乙二醇液滴嵌入PDMS中，制备了具有磁场响应功能的渗透蛋白石结构色PDMS纤维。所制得的纤维具有良好的力学性能，无论被拉伸或挤压，都能在固定磁场下保持颜色，如图11(b)所示。之后其课题组又将一种硬核-软壳聚合物微球涂覆于黑色氨纶纤维表面，得到了力学性能较好的应力变色结构色氨纶纤维，这种纤维可以编织成织物，用于检测和伪装等。

袁伟等采用胶体静电纺丝技术，用PS、PMMA 和聚丙烯酸合成了纳米微球，使其与PVA混合进行纺丝，可以大规模生产直径为几微米的具有非彩虹色和可调结构色的纳米纤维，如图11(c)。

图11 不同的结构色纤维

3.2 光子晶体结构色纱线

在纺织中，机织物和针织物都是由纱线织造而成的，纱线是由纤维组成的。从结构色纤维的制备到纺成纱线，最后织造成结构色面料，光子晶体的结构会在牵伸力和摩擦力的作用下受到破坏导致颜色受损，进而影响颜色质量，所以可以直接使用结构色纱线制备结构色织物。相较于从结构色纤维这一步开始制备结构色织物，可大大减少颜色的受损。目前，直接在纱线上构筑结构色的研究较少。

曾琦采用连续涂覆法，将PS 微球连续涂覆在直径300μm 的棉纱线上，形成的三卷不同颜色的结构色纱线，如图12(a)～(c)所示。纱线是由多根纤维彼此抱合组成，具有凹凸不平的外观形貌，经过乳液涂覆，微球会包覆在每根纤维表面形成起伏排列的微纳结构，当光与表面微结构相互作用时，局部结构产生的相干光会因为凹凸不平的表面向各个方向散射，因而得到的结构色会表现出一定的各向同性，并且光泽柔和。这种光泽柔和的纱线适用于纺织服装领域。

Niu 等采用ALD 法在碳纤维表面引入一系列高活性的亲水含氧官能团，使其在碳纤纱表面生长出交替的AlO/ZnO 周期层，得到了一系列在整个可见光谱（包括紫色、蓝色、青色、黄色和红色）上活泼而均匀的光子晶体结构色碳纤纱，如图12(d)所示。制得的碳纤纱不仅颜色鲜艳，力学性能和洗涤耐久性也十分优良。

图12 不同的结构色纱线

3.3 光子晶体结构色织物

本文作者课题组的陈佳颖等根据制备步骤将光子晶体结构色织物的制备方式分为两种：一种是直接在织物上构筑光子晶体结构色得到结构色织物，称为“一步法”；另一种是先制备光子晶体结构色纤维或纱线，再经过纺织工序纺制成结构色织物，称为“二步法”。在目前的研究中，因为一步法工艺相对简单，制备难度较小，制造过程中光子晶体结构受破坏程度小、颜色受损少，故而常用此方法来制备结构色织物。

经过十几年的发展，在织物上构筑光子晶体结构色的研究已经逐步深入。受结构生色原理及织物组织的影响，结构色机织物的研究较为广泛，结构色非织造布的研究较为新颖且发展前景较好，而在表面较粗糙的针织物上构筑结构色较为困难，相关研究还处于实验室阶段。

3.3.1 结构色机织物

由于单纯的白色基布会影响结构色的可见性和对比度，所以一般直接选择在黑色底布上进行组装，或者选用类黑色素的纳米微球在白色底布上进行自组装。另外，目前研究常使用的基布多为涤纶织物、桑蚕丝织物和棉织物。

袁小红等以白色涤纶平纹机织物为基布，通过磁控溅射法制备Ag/TiO复合薄膜的结构色织物，并发现结构色颜色与Ag/TiO复合薄膜厚度线性相关，且镀有Ag/TiO复合薄膜的纺织品具有良好的电学、光学和磁性能，可用于服装、家居和工业织物。柴丽琴等在涤纶织物上进行了不同应用环境下P(St-MAA)光子晶体和SiO光子晶体的结构稳定性研究。研究发现，油介质会抑制光子晶体恢复为原来的结构，水介质对P(St-MAA)和SiO光子晶体的影响则较小，但在强酸强碱条件下，光子晶体结构会遭到不同程度的破坏。与P(St-MAA)和SiO光子晶体在常规高温下的良好稳定性不同，在紫外线照射下，P(St-MAA)由于剧烈的热解聚而遭到严重破坏，而SiO光子晶体可保持良好的形貌和结构色。

周岚等利用重力沉降法在蚕丝织物上构建SiO光子晶体结构色，得到色彩柔和的结构色。叶丽华等以桑蚕丝织物为基布，溅射SiO、TiO周期薄膜得到结构色丝织物，只是溅射时间较长，后续需要进一步改进。

为了提高结构色织物的色牢度，Shi 等将聚多巴胺涂覆到棉织物上再进行自组装，大大提高了结构色织物的色牢度和颜色饱和度，如图13(a)所示。高伟洪等采用重力沉降法制备结构色棉织物时发现，光滑的基布更有利于光子晶体的沉积，形成的结构色更加鲜艳均匀。在不需要传统染料/颜料的情况下，这种使用SiO进行染色的方法不失为一种纺织品绿色染色思路。刘国金等采用垂直沉积法制备结构色棉织物，沉积后的三维光子晶体填补了棉织物相邻纤维间原有的缝隙，所合成的棉织物呈现出明亮的彩虹色结构色彩，如图13(c)所示。

3.3.2 结构色针织物

目前，由于针织物的结构较为松散，在针织物上构筑结构色的难度较大，所以相关的报道较少。本文作者课题组针对结构色在针织物上的构建以及牢固性进行了一定的研究，如陈佳颖等利用重力沉降法在不同的针织物表面沉积不同粒径的胶体微球，在探讨粒径对结构色颜色改变的同时，还观察了不同织物对结构色的影响，尤其是织物组织结构对结构色的影响，如图13(b)所示。结果发现，表面较为平整的针织物，相比粗糙的罗纹针织物，可增加结构色的均匀性和亮度，赋予其更好的色彩。Finlayson 等利用微挤压装置将一种硬核-软壳聚合物微球挤压成纤维状得到结构色纤维，该纤维具有较好的力学性能和弹性，能够通过针织方法得到结构色针织面料。同样地，这种纤维的颜色可以通过拉伸而发生相应变化。但是该法得到的单根纤维较粗，不利于后续织造。

图13 不同组织结构的结构色织物

3.3.2 结构色非织造布

目前，结构色在纺织领域的制备研究大都以较平滑的涤纶、桑蚕丝、棉等机织物为基底，关于表面多样的非织造布结构色的制备报道较少。目前结构色非织造布制备方法有两种：一种是同步生成法，即在非织造布加工过程中加入胶体微球，在得到非织造布的同时也完成了光子晶体的组装，从而直接获得结构色非织造布，如胶体静电纺丝法制备结构色纳米纤维膜；另一种就是通过各种组装方法在已有的非织造布表面组装光子晶体，从而得到光子晶体结构色非织造布。叶丽华等在白色涤纶非织造布和桑蚕丝织物上溅射SiO、TiO周期薄膜，制备得到结构色非织造布。结果发现，在相同工艺条件下，镀膜后的非织造布和桑蚕丝织物均出现了色彩，但出色效果不同，存在色度差；通过对光谱及呈现的色彩特性的分析得到镀膜后织物上的色彩是结构色，产生于薄膜对光的干涉和散射。

3.4 光子颜料

光子颜料，即微米级光子晶体颗粒，是一种结构稳定的可以与光发生作用产生结构色的“绿色”颜料。目前光子颜料主要有两种制备方法：一种是自上而下和自下而上相结合的方法，在自然组装的情况下，晶态光子薄膜内部存在大量的裂纹，利用裂纹将晶态光子薄膜进行分解，得到各种颜色的光子颜料，还可再将已得到的几种光子颜料按比例混合得到一系列其他的颜色；另一种是在一定的条件下进行自组装，完全自下而上地合成对应尺寸的光子颜料，将其分散于水中，再使用打印、喷雾等方法使其自组装到基布上形成光子晶体结构色，这种光子颜料主要包括具有取向依赖性的有序颜料、非取向依赖性的玻璃颜料以及偏光依赖性的胶体液晶颜料。目前关于结构色着色的研究主要集中在牢度上，而光子颜料不仅能够呈现稳定的色彩和明亮可控的颜色，还能够有效地缓解晶态光子结构的角度依赖性问题。这种结构稳定的光子颜料可用于纺织品大规模着色、个性化图案制备、油墨和化妆品等领域。

Park 等通过微流控制法制备出了由含有核-壳型胶体颗粒致密非晶填料的微胶囊组成的光子颜料，如图14(a)和(b)所示。微胶囊的设计有助于抑制非相干和多次散射，使颜料具有非彩虹色结构颜色虹彩效应，成为可跨越可见光谱的光子颜料。光子颜料可以以流体介质的结构色油墨形式存在，也能以更硬的微胶囊制备的可干燥的颜料形式存在。Josephson等采用模板法制备出由不同大小聚合物胶体粒子组成的反蛋白石结构，再将其研磨制备出蓝色、绿色和红色光子颜料，如图14(c)所示。与薄膜和颜料颗粒相比，观察到的结构颜色几乎保持不变。此外，这三种不同颜色的颜料可以根据添加剂混合规则混合成一系列额外的颜色，如图14(d)所示。Wang 等采用均相沉积法和煅烧法制备了碳修饰核壳纳米球ZnS@SiO的非彩虹色的结构色颜料。与传统方法相比，制备的颜料颜色饱和度高，稳定性强，角度依赖性小。由颜料和乙醇组成的典型涂料可以不受限制地喷涂在任何基材上。

Li 等在SiO胶体纳米颗粒中加入PVA 添加剂，采用雾化沉积法制备出具有鲜明非虹彩结构色的非晶光子晶体结构色颜料。此法可以将颜料雾化沉积到各种不规则或者高弯曲表面如纸张、树脂、金属板、陶瓷和柔韧的丝织物等形成结构色。吴钰等使用数控墨水分配系统，以黑色活性染料和P(St-MAA)微球为复合型墨水，在白色蚕丝织物上一步实现了结构生色，在自组装时,真丝织物上最终的结构色定格之前会经历一系列的颜色变化，白色织物染色过程和胶体微球自组装构筑光子晶体过程同步进行。周岚等为了改善纺织领域中光子晶体对低色彩饱和度的限制性，将黑色活性染料在静电作用下吸附在PS 微球外表面，从而制备了活性染料@PS微球结构单元，通过喷墨打印自组装的方法在白色棉织物上制备了光子晶体。黑色活性染料具有较强的光吸收能力，它使光子带隙光不受杂散光的影响，从而得到明亮生动的结构色。Liu 等将不同粒径的P(St-MAA)微球制成光子晶体墨水，用喷墨打印的方法在织物表面成功制备出色彩鲜艳的光子晶体结构色图案，如图14(e)所示。

图14 光子晶体结构色颜料

4 结语

随着环境污染的日益严重，为解决传统印染技术存在的高污染、高能耗等问题，近年来研究人员将低能耗、无污染的结构色应用于纺织领域，给纺织品绿色生态着色提供了新思路。结构生色技术应用于纺织行业，在获得颜色鲜艳的结构色纺织品的同时，制备出的结构色纺织品也可兼具其他的功能性，具有广阔的发展前景。

虽然结构色在纺织领域中的应用时间较短，但光子晶体已有大量研究，经过科研人员这十几年的不懈努力，结构色纤维、织物、颜料等都取得了一定的成果，制备技术及性能也都在逐渐优化，未来有可能部分替代现有服装着色用染料和颜料。然而，将光子晶体结构生色技术实际应用到纺织行业生产中，还有很多问题亟待解决。

（1）易于应用的胶体光子晶体多为刚性多孔结构，晶体力学强度低，晶体结构容易被破坏，结构色颜色稳定性较差，这大大限制了结构色在纺织服装方面的应用。目前可通过完善后整理加工技术以及在制备结构色过程中添加一些成膜性较好或者黏附性较好的物质来提高颜色的稳定性，提高其颜色牢固性，但是在提高颜色稳定性方面还有很大的研究空间。

（2）形成结构色的微球粒径无法精准控制，结构色纤维或织物的颜色重现性差，大批量制备粒径相同的微粒并形成均匀性和饱和度都很高的结构色是未来研究的一大难点。

（3）目前结构色的制备过程复杂、成本较高，缺乏对结构色的相关测试和评价指标，结构色应用于纺织领域的研究大多还停留在实验室研究阶段，这也是走向工业化生产必须解决的问题。