热转移压印纳米结构在化学纤维结构显色上的应用和研究.pdf

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1、热转移压印纳米结构在化学纤维 结构显色上的应用和研究 史文静张佩华东华大学纺织学院( 中国) 等各种工业生产中一直为人们所 摘要：研究探讨了热转移压印技术在各种化学纤维表面上压印微结构的应用，从而 关注口3 。 使纤维通过光干涉达到结构显色的目的。通过单因子实验，研究了热压印工 纺织工业中，日本帝人公司从 艺参数( 温度、压力、速度) 与所得结构显色纤维性能之间的关系，并从纤维的 仿生的观点以及环境保护的理念 综合性能角度出发，通过正交实验，寻找较优的参数组合。运用多角度光谱测 出发，从南美彩蝶蓝色翅翼的发色 试仪对结构显色纤维等离子A g 涂层前后进行了比较。 原理，利用薄膜干涉发色现象，开

2、 关键词：热转移压印，微结构，纳米结构，结构显色，化学纤维 发出了多层结构的光干涉发色纤 维M o r p h o t e x 纤维。纤维在截面上 1前言 改变纤维的表面结构或者增 加纤维的表面积能够改善、提高其 纺织品的很多性能。在化学纤维 的生产过程中，通过改变喷丝孔截 面可以控制纤维的成形截面，在纤 维表面轴向方向上形成一定的结 构，但无法在纤维表面横向上或随 机方向上形成一定的、所需的纳米 结构，从而产生结构色。 结构色是物体通过几何结构 与色散、散色、干涉和衍射等物理 光学现象而产生颜色，是一种不用 色素、无需染色技术的重要生色途 径，并具有节水、节能、环保的优 点。光干涉产生的结构

3、色具有高 亮度、高饱和度、不退色等特点，而 且随着观察者角度的变化而改变 颜色，是传统染色方法无法获得 的，因此在印染、装饰、材料、印刷 图1 微结构热压印设备装置图( a ) 及结构示意图( b ) 表1热压印技术在化学纤维表面压印微结构所需的温度及压力 国际纺织导报2 0 0 8 年第3 期 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 由两种不同折射率的聚合物形成 多层结构，每一层厚度尺寸都精确 控制，各层纤维薄层使波长相同、 传播方向相近的两束光互相作用

4、 产生相长增强或相消减弱的作用。 当光发生相长增强的干涉作用时， 将反射出很强的一定波长的彩色 光，通过控制薄膜厚度，改变可见 的彩色光，从而使纤维形成紫、蓝、 绿、红4 种色调L 2 J 。除了M o r p h o t e x 纤维外，美国A n g e l i n a 系列的 超细闪光纤维，主要是由聚酯和聚 酰胺薄膜制成的短纤维，其中闪光 的M e a d 薄膜含有2 0 0 多层两种或 更多种的聚合物。通过金属涂层， 这种纤维可具有金色、银色、珍珠 色等各种颜色，并具有导电能力。 M o r p h o t e x 与A n g e l i n a 两种纤维对 湿热处理较敏感，因此适用

5、于不需 要湿热加工的纺织品，一般与一些 染色纤维或纱线混纺、交织，制成 特别亮丽的服装或工艺品L 3 j 。 本文采用热转移印压技术在 化学纤维表面压印上有规律的、整 齐排列的槽痕，从而使纤维通过光 干涉结梅达到显色的目的。 2 仪器及原理 本文实验通过滚筒式热转移 压印技术L 4 J ，使用微结构热压印设 备( 图1L 5 0 ) ，纤维通过喂入装置 ( 图1 b 中3 ) ，绕过中心滚筒( 图1 b 中1 ) ，再由牵伸卷绕装置( 图1 b 中4 ) 引出。中心滚筒表面包覆镍 片，镍片表面刻有深度为2 0 0n m ， 间隔为8 5 0 11 0 0n m 的凹槽刻 纹。中心滚筒可加热至化

6、学纤维 的玻璃化温度之上，最高可达 2 8 6 0 c 。由温度探测仪( 图l b 中5 ) 表2 热转移压印中温度对纤维表面压印宽度、 纤维结构色饱和度、纤维强力和伸长的影响 表4 热转移压印中纤维压印加工速度对纤维表面 压印宽度、纤维结构色饱和度、纤维强力和伸长的影响 检测控制温度。当纤维被加热至 其玻璃化温度之上后，四个加压罗 拉( 图1 b 中2 ) 将纤维压向刻有槽 纹的镍片上，从而槽纹被转移压印 在已软化的纤维接触表面上。压 印温度，罗拉加压压力，纤维压印 加工的速度均可调节o 3 实验与讨论 通过实验研究了热转移压印 微结构技术在各种化学纤维 ( P E T 、P P 、P A6

7、 、P A6 6 、P M M A 以 及双组分纤维P E T P P ) 上应用的 国际纺织导报2 0 0 8 年第3 期 2 9 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 可行性。通过扫描电子显微镜 ( S E M ) 和原子力显微镜( A F M ) 观 察经过微结构压印加工的纤维表 面。然后设计单因子和正交实验， 研究了热压印参数和所得的结构 显色纤维性能之间的关系。通过 多角度光谱测试仪和色彩饱和度 分析，从量上对不同工艺参数下所 得的表面带有微结

8、构的显色纤维 以及带有微结构并经过等离子A g 涂层的纤维进行了测试和比较。 3 1 多种化学纤维可行性实验 实验证明热压印微结构技术 在一定的压印温度和压力下，都能 在化学纤维表面印上所需的纳米 级结构。表1 为实验所得的各种 化学纤维所需的温度和压力。 通过S E M 和A F M ，观察到上 述化学纤维表面被印上了所需的 槽纹结构，深度约为1 9 0n m ，间隔 约为9 5 0r i m ( 图2 ) 。在P M M A 纤 维上，可以用肉眼清晰地观察到由 槽纹结构所产生的结构色，无需任 何染色技术，呈现红、橙、黄、绿、 青、蓝、紫多种色彩，其色彩随着观 察角度的改变而改变( 图3 )

9、 。 3 2 单因子实验 在热转移压印过程中，纤维被 加热至玻璃化温度之上，同时受到 罗拉施压，虽然清晰的微结构可以 可靠地转移压印在化学纤维表面， 但是纤维大分子之间受到挤压、发 生移动，然后重新固定，因此纤维 的机械物理性能有所下降。安排 单因子实验研究了压印参数 压印温度、罗拉压力和纤维压印加 工速度分别对于纤维表面压印宽 度、纤维结构色饱和度、纤维强力 和伸长的影响，纤维表面压印宽度 与结构色饱和度可视为纤维结构 显色性能的指标，纤维的强力和伸 长是其机械物理性能的指标。纤 维选用有很好结构显色效果的 P M M A 纤维。 随着热转移压印温度的提高， 纤维表面所压印的微结构的区域 宽

10、度越宽，所得显色纤维的结构色 饱和度越高，即纤维结构显色的效 果越好，色彩越亮丽，但温度过高 则会使纤维结构显色性能下降。 纤维的强力和伸长随着压印温度 的提高均有明显的下降( 表2 ) 。 若压印温度和速度保持不变， 则所得显色纤维表面微结构的区 域宽度随着压印压力的增大而明 显变宽，结构色饱和度也随之明显 提高；相反， 纤维的强力 和伸长也有 所下降。当 然压印压力 过高会使纤 维结构显色 性能下降 ( 表3 ) 。 纤维压 纤维表面微结构区域的宽度影响 不大，然而对于纤维结构色饱和度 却有很大影响，因为压印速度直接 影响着压印在纤维表面的微结构 的深度和均匀性。随着速度的减 小，所得纤维

11、的结构色饱和度明显 提高，纤维强力利砗长下降( 表4 ) 。 3 3 正交实验 为了全面分析结构显色纤维 在其应用中的综合性能，基于上述 的单因子实验，设计了三因子三水 平的正交实验( 表5 ) ，从而得到一 个最优的参数组合，兼顾到纤维结 构显色的性能和其机械物理性能。 表5 因子一水平表 因 子 水平 l 2 3 压印温度T 罗拉压力P P a 压印速度S c m s 一 1 0 51 0 09 5 2 11 5 7 5l O 5 0 63 46 2 正交实验结果( 表6 ) 表明，对 于纤维表面微结构区域的宽度而 言，压印温度是主要因素；对于纤 维结构色的饱和度而言，压印压力 是主要因素

12、；压印速度是影响纤维 机械性能的主要因素。 图2 蓑萎善篇纤器器薯 P M M 照片 3 0 国际纺织导报2 0 0 8 年第3 期 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 对于各指标，因素的主次排列 依次为：对于纤维表面微结构区域 的宽度：温度( T ) 一压力( P ) 一速 度( S ) ； 对于纤维结构色的饱和度：压 力( P ) 一速度( S ) 一温度( T ) ； 对于纤维的强力：速度( s ) 一 温度( T ) 一压力( P ) ； 对于

13、纤维的伸长：速度( s ) 一 压力( P ) 一温度( T ) 。 随着压印温度和压力的提高， 纤维表面微结构区域的宽度增大， 符合单因子实验的结果。对于这 一指标，最优的参数组合为：温度 T = 1 0 5 。C ，压力P = 2 1P a ，速度 S = O 6e r a s ( 图4 ) 。 纤维结构色饱和度随着压印 温度和压力的增高而提高，针对这 一指标，最优参数组合为：温度 T = 1 0 5 0 c ，压力P = 2 1P a ，速度 S = 0 6e r a s ( 图5 ) o 对于纤维强力和伸长而言，最 优的参数组合为：温度T = 9 5 。C ， 压力P = 1 5 7

14、5P a ，速度S = 3 4c m s ( 图6 ) 。 综合考虑，为了得到效果较 好、饱和度较高的结构色，同时避 免由于压印过程所造成的机械物 理性能的下降，在较优工艺参数选 择时，选用高水平的压力以保证较 好的色彩饱和度，中水平的速度以 得到较好的纤维强力和伸长，以及 中水平的温度，最后得到纤维表面 微结构区域宽度为1 8 2p , m ，纤维 饱和度为2 1 5 5 ，纤维强力为 2 6 8 2N ，纤维伸长为1 5 9 6 6r a i n o 3 4 等离子银( A g ) 涂层 为了得到纤维结构显色更闪 耀的效果，在纤维表面压印上微结 构后，又使用等离子A g 在纤维表 图4 纤

15、维表面微结构区域宽度一因子图 表6 正交实验结果表 3 2 国际纺织导报2 0 0 8 年第3 期 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 面涂上厚度J 、于1 0 0n m 的A g 涂 层。运用多角度光谱测试仪，从不 同的探测角度，测试了纤维表面对 不同波长的光的反射率。结果表 明，纤维所反射的光随着不同的探 测角度而改变，即在纤维同一点 上，从不同的角度反射出不同颜色 的光( 图7 ) 。未经A g 等离子涂层 的纤维所测得的结构显色的可见 光反射率

16、大约在8 2 2 ，而经 过等离子A g 涂层的纤维结构显色 的可见光反射率大约在1 0 一 3 1 。 4 结论与展望 热转移压印技术可在化学纤 维表面压印上微米甚至纳米级的 结构。P M M A 纤维由于其非结晶 结构可以传播大量的光，达到一定 的光干涉强度从而结构显色，其最 优的工艺参数为温度1 0 0 。C ，压力 2 1P a ，速度3 4e m s 。等离子A g 涂层可以显著提高纤维结构显色 的效果。此种纤维表面物理加工 方法简捷、设备简单、成本低，所得 结构显色纤维具有亮丽、高饱和的 色彩，是染色方法所无法实现的。 可作为装饰或辅料应用于时装、配 饰或家纺上。 另外，在纤维表面

17、上压印各种 微结构，可以改变纤维表面从而改 善纺织品的性能，例如吸水性、透 湿性、纤维抱合力，或者应用于生 物医学领域等H ，还可结合其他物 理化学的纤维表面加工方法，提高 纤维、纺织品的功能性，这些有 图5 纤维结构色饱和度一因子图 图6 纤维强力和伸长一因子图 图7不同探测角下的等离子A g 涂层结构显色纤维的反射光谱图 待于进一步研究与开发。 参考文献 1 宋心远纺织品结构生色印花技术 C 2 0 0 6 全国特种印花和特种整理 学术交流论文集苏州：中国纺织工程 协会，2 0 0 6 ，6 ：1 8 7 - 2 0 0 2 神山三枝干涉发色纤维 J 合成纤 维，2 0 0 5 ( 7 )

18、 ：4 9 - 5 1 3 宋心远结构生色和染整加工( 一) J 印染2 0 0 5 ( 1 7 ) ：4 6 - 4 8 4 S C H I I r rH ，H A L B E I S E NM ，S C H t ) T Z U S u r f a c es t r u c t u r i n go ft e x t i l ef i b e r s u s i n gr o l le m b o s s i n g J M i c r e e l e c t r o n - i cE n g i n e e r i n g ，2 0 0 6 ( 8 3 ) ：8 5 5 - 8 5 8 5

19、 H A L B E I S E NM ，S C H I F rH S u r f a c em i - C l D a n dl l a n o - - s t r u c t u r i n go ft e x t i l ef i b e r s J M a n 1 1 l a d ef i b e ry e a rb o o k ，2 0 0 5 ： 4 l - 4 2 ( 下转第4 0 页) 国际纺织导报2 0 0 8 年第3 期 3 3 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remo

20、ve the watermark 一针瑁一 - U W 及多层对称织物，第一个产品见具有较大的变化性，适合于多种不其他纺织方法加工的织物更适合 图3 ，部分纱线嵌入第二层经纱， 同织物的生产。图4 为样机所编 应用于复合材料的制作，特别是对 加固效果比较好。织的一个图案。 于一般纺织设备不能加工的织物 为了更好地开发产品，在原有的生产更具优势。本研究拟进一 缝编机改造的基础上，研制出可手 4 展望 步优化手动样机，在增加生产效率 工操作的样机，能方便地检查导纱的同时，继续保持制成产品良好的 梳栉、织针梳栉的运动以及编织图本文利用针织横移的原理，对强力和质量，此外，还将继续寻找 案，同时该样机配

21、备了标准的编织普通的缝编设备进行了改进，使织能将本研究方法应用于其他经编 元件。与第一台改进型缝编机相 针的运动更为方便、更具多样性， 设备上的可能性。 比，这台手工操作样机的编织图案制成的织物比用普通缝编方法和 钱程译陈惠兰校 S t i t c hb o n d e df a b r i c sw i t ht r a n s f e r r e dn e e d l el o o p s J a nH a u s d i n g ，以F r a n z k e ，C h o k r iC h e r i f ， l n s t i t u tf u rT e x t i lu n dB

22、e k l e i d u n g s t e c h n i kd e rT UD r e s d e n ，D r e s d e n G e r m a n y F r a n kF r i e d r i c h ，K a r lM a y e rM a l i m oT e x t i l m a s c h i n e n f a b r i kG m b H ，C h e m n i t z G e r m a n y A b s t r a c t ：I nt h i sp r o j e c tt h ec o n v e n t i o n a ls t i t c hb

23、o n d i n gp r o c e s sw a se x t e n d e db ya na d d i t i o n a lp r o d u c t i o ns t e pa n di t b e c o m e sp o s s i b l et oa r r a n g et h ei n d i v i d u a ll a y e r si nt h es t i t c hb o n d e df a b r i cf r e e o fa n yr e s t r i c t i o n s A m o c k - u pm a c h i n ea n dap

24、r o t o t y p eb a s e do nac o n v e n t i o n a ls t i t c hb o n d i n gm a c h i n ec a nn o wb eu s e df o re x - - p e r i m e n t s K e y w o r d s ：s t i t c hb o n d i n gm a c h i n e s ，g u i d eb a r ，s t i t c h i n gt h r e a d ，n o n w o v e n ( 上接第3 3 页) S u r f a c em i c r O s t r

25、u c t u r i n af o ro p t i c a Ie f f e c t ：U r t a c e f o ro p t i c aee c t s0 nm I C r O S t r U C t Ur | n a I s y n t h e t i cf i b e r sb yu s i n gh o te m b o s s i n g S h iW e n j i n g ，Z h a n gP e i h u a ，C o l l e g eo fT e x t i l e s ，D o n g h u aU n i v e r s i t y ，S h a n g

26、h a i C h i n a A b s t r a c t ：Am e t h o dt op a t t e r ns y n t h e t i cf i b e rw i t ha c c u r a t em i c r o s t r u c t u r e so nt h es u r f a c eb yu s i n gh o te m b o s s i n gw a s p r e s e n t e dt oa c h i e v es t r u c t u r a lc o l o r sb yi n t e r f e r e n c eo fl i g h t

27、 T h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et h e r m o p l a s t i ci m p r i n t i n gp a r a m e t e r s ( t e m p e r a t u r e ，p r e s s u r e ，s p e e d ) a n dt h ep e r f o r m a n c e so ft h es t r u c t u r a l l yc o l o r i n gf i b e r W a si n v e s t i g a t e db yt h es i n g l

28、ef a c t o re x p e r i m e n t s T h eo p t i m a lc o m b i n a t i o no fe m b o s s i n gp a r a m e t e r sW a sp r o - p o s e db ym a k i n gu s eo fo r t h o g o n a le x p e r i m e n t s T h eg o n i o m e t r i cs p e c t r u mm e a s u r e m e n tW a su s e dt oe v a l u a t et h es t r

29、u c t u r a lc o l o r sa n dc o m p a r et h es t r u c t u r a l l yc o l o r i n gf i b e r sw i t ht h ep l a s m a A g - c o a t e ds t r u c t u r a l l y c o l o r i n gf i b e r s K e y w o r d ：r o l l - h o te m b o s s i n g ，m i c m s t r u c t u r e ，n a n o s t r u c t u r e ，s t r u c t u r a lc o l o r ，s y n t h e t i cf i b e r 国际纺织导报2 0 0 8 年第3 期 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark