王际平 教授
美国德州大学阿灵顿校区化学系有机及高分子化学博士。前美国宝洁总公司全球纺织及工业标准部门首席科学家，中国纺织大学染整研究室副主任。2010年获选为国家‘千人计划’特聘专家（第5批），2011年9月加盟浙江理工大学材料与纺织学院，任“先进纺织材料与制备技术”教育部重点实验室主任，国家纺织与日用化学国际科技合作基地主任，浙江理工大学学术委员会特聘副主任。兼任美国纺织化学家及染色家协会（AATCC）董事，出版委员会主任。Journal of Surfactant and Detergent副编辑，AATCC Journal of Research副编辑。中国商业联合会洗染专业委员会发展研究室主任。中国洗涤工业协会常务理事。长期从事纺织化学、日用化学、高分子化学物理、导电高分子以及高分子表面界面物理化学基础及应用基础研究。拥有超过80个美国、欧洲及中国授权专利，发表过40余篇科技论文和专著章节。
图6-1 单层薄膜干涉示意图
最亮条件 p = 2ndcosθ2 = 2m+1 （1）
最暗条件 p = 2ndcosθ2 = 2m （2）
式中：n为薄膜的折射指数；m为非零整数；d为薄膜厚度；θ1为入射角；θ2为折射角。
在单向的多色光照射下，若改变单层薄膜的厚度（d），将导致光程差（p）改变和相长干涉光的波长（）改变，使所观察到的结构色改变。光程差还与薄膜材料的折射指数n密切相关，只有当折射指数（n）和薄膜厚度（d）的乘积一定时才能呈现某种颜色[11]。因而，折射指数（n）和薄膜厚度（d）的乘积又称为光学厚度。在自然界，单层薄膜干涉结构生色的现象很常见，如阳光下的肥皂泡、水面上的油膜、蜻蜓和苍蝇翅膀等。
典型的多层薄膜对光的干涉原理见图6-2。多层薄膜通常由两种不同折射指数的薄膜交替叠加组成，反射波长（）与两种薄膜的折射指数（高折射指数nH和低折射指数nL）、厚度（dH和dL）和折射角（θH和θL）的关系见式3[12]。反射强度（R）与基质材料的折射指数（nS）、两种薄膜的指数比值（nLnH）和重叠的对数（N）的关系见式4[13]。反射波长（）决定结构色的色调，而反射强度（R）决定结构色的亮度。
图6-2 多层薄膜干涉示意图
m = 2 nHdHcosθH+ nLdLcosθL 3
4
在自然界，多层薄膜干涉结构生色的现象也很常见，如红莲灯（paracheirodon innesi），鞭尾蜥蜴（paradise whiptail），蓝魔（blue damselfish），龟甲虫（tortoise beetle），独角仙（hercules beetle）等[14]。无论是单层薄膜干涉生色还是多层薄膜干涉生色，结构色均随观察角的变化而变化，具有虹彩效应。
二、静电自组装方法基本原理
构造仿生结构色薄膜有多种方法，包括化学沉积法（Chemical deposition）[15]、电沉积法（Electrical deposition）[16]、旋涂法（Spin coating）[17,18] 和静电自组装法（Electrostatic self-assembly）[19]等。静电自组装法是一种将材料多次交替浸渍于含相反电荷的稀溶液中构建薄膜的方法[20]。在静电自组装过程中，长程静电力的作用距离大于短程疏水键或氢键的作用距离[21,22]，且膜的厚度可控。静电自组装法简便易行，利用这种方法可制备带电的微结构，避免复杂的化学反应。静电自组装法已成为一种制备复合薄膜的有效方法[23,24]。但迄今为止，利用静电自组装法在纺织品上构建结构色薄膜的研究鲜有报道。
三、结构色的测试表征方法
色素色一般可用普通的分光光度测色仪进行测试与表征。结构色随观察角度的变化而变化的现象是普通分光光度仪无法检测表征的，因此用于表征色素色的方法不适用于表征结构色。目前，用于表征结构色方法主要有两种，一种是定性表征法，即利用数码相机在不同角度下拍摄样品表面呈现的结构色；另一种是定量表征法，即应用多角度分光光度测色仪测定不同观察方向下样品的各种颜色指标。多角度分光光度测色仪的工作示意图如图6-3所示。如：X-Rite公司（USA）生产的MA98型多角度分光光度测色仪具有45°和15°两个光源，可测量样品在8个不同角度下所呈现的结构色。其中在45°光源的照射下，分别从镜面反射角的同一平面内的-15°（45 as -15）, 15°（45 as 15）, 25°（45 as 25）, 45°（45 as 45）, 75°（45 as 75）和 110°（45 as 110）六个方向（图6-3（a））观测样品；在15°光源的照射下，分别从镜面反射角的同一平面内的-15°（15 as -15）和 15°（15 as 15）两个方向（图6-3（b））观察样品。根据测得的不同观察角度下的反射率数据和选用CIE标准照明体D65和10°视角的标准色度观察者（也可根据需要选用其它的标准照明体和2°视角的标准色度观察者），可提供样品在8个不同角度下样品的L*、a *、b*值和相
应的反射率曲线等信息。由该测色仪获得的数据符合ASTM E2539-08标准[25]。
图 6-3 多角度分光光度仪8个角度下测量样品的示意图
a 45°光源照射下的6个观察角：45 as -15, 45 as 15, 45 as 25, 45 as 45, 45 as 75 和 45 as 110；b 15°光源照射下的2个观察角：15 as -15 和 15 as 15
四、纺织品的静电自组装薄膜干涉结构生色
应用静电自组装技术在不同材料的基板和纤维织物上构建纳米薄膜结构，系统研究了组装条件、基材表面性质、纳米粒子尺度、组装周期数等各种因素对静电自组装及其结构色的影响；首次从光学角度阐明了由静电自组装（又称为层层组装）所构建的薄膜结构的性质，并阐明了其结构色的形成机理和调控规律；原创性地提出了在涤纶织物表面构建SiO2PEIn结构生色薄膜的多种驱动力和组装过程模型；制备了具有虹彩效应的薄膜光干涉生色纺织品，且具有良好的手感和色牢度。主要的研究工作简述如下。
1.单分散性无机纳米粒子的制备与表征[26-28]
为系统研究纳米粒子的性质（尺度、形貌、分散性、折光指数等）对静电自组装及其结构色的影响，本研究首先制备和表征了SiO2、TiO2、ZnO、CeO2、ZrO等无机纳米粒子，为后续的静电自组装研究提供了必要的基础条件。如：以St?ber法[29-31]制备了粒径可控、球形度好、单分散性小的SiO2溶胶粒子。通过考察反应时间、反应温度、氨水的浓度、水的浓度、TEOS的浓度等合成因素对粒径大小和分布的影响（图6-4和图6-5，表6-1），优化反应条件，制得了一系列适合静电自组装结构生色、粒径在50-165nm可控调节的SiO2纳米溶胶粒子，动态光散射激光粒度仪测试表明其粒径分布指数Span值均小于0.6（图6-6）。
图6-4 反应时间对SiO2粒径及转化率的影响
图6-5 反应温度对SiO2粒径及含量的影响
表 6-1反应物浓度对SiO2粒径及含量的影响
Factors The amount of material M The average SiO2particle size nm The content percent of SiO2 %
NH4OH 0.25 9 1.41
0.50 35 1.46
0.75 56 1.68
1 77 1.72
TEOS 0.2 35 1.46
0.4 42 2.60
0.6 42 3.85
0.8 45 4.92
H2O 2 19 1.49
4 37 1.46
8 64 1.53
12 61 1.64
16 61 1.54
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