發(fā)布時(shí)間：2022-04-28 點(diǎn)擊：

定型機(jī)、涂層機(jī)專業(yè)生成廠家無(wú)錫前洲興華機(jī)械2022年4月28日訊 近些年，隨著可穿戴電子產(chǎn)品的日益普及和智能服裝概念的興起，智能纖維和織物引起了人們的廣泛關(guān)注。智能變色纖維作為智能纖維的重要分支，在可穿戴顯示、視覺(jué)傳感和自適應(yīng)偽裝等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

作者：東華大學(xué)材料學(xué)院 侯成義，王宏志

生活中的顏色是五彩繽紛的。顏色在人類的手中則發(fā)揮著更加奇妙的作用，人們不僅利用顏色來(lái)感知或影響周圍的環(huán)境，還像動(dòng)植物一樣，將顏色賦予到與人類息息相關(guān)且最為重要的衣服飾品上，通過(guò)簡(jiǎn)單且富有想象的組合，使得我們的生活色彩斑斕。

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)于吃穿住用行等和自身聯(lián)系極為緊密的方方面面的要求越來(lái)越高，高度便攜化、智能化、多功能化設(shè)備成為發(fā)展的主流。衣物飾品作為與人類聯(lián)系最為緊密的方面之一，其智能化更是受到廣泛關(guān)注。其中顏色對(duì)于服飾來(lái)說(shuō)，其重要性不言而喻，不同的顏色的服裝使得我們的穿著含義豐富靚麗多彩，但是人們漸漸的發(fā)現(xiàn)，對(duì)于傳統(tǒng)的染整技術(shù)來(lái)說(shuō)，現(xiàn)有的服飾顏色大都是通過(guò)各種染料調(diào)配而成，顏色一旦成型就無(wú)法智能變化，這些單一功能的顏色大大限制了彩色服飾在更多領(lǐng)域的應(yīng)用，因此變色纖維的研究對(duì)智能變色服飾等實(shí)際應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)十分重要。

圖1 生活中的色彩。

01

變色纖維的起源

變色纖維，是變色材料研究領(lǐng)域的一個(gè)小分支，它最早應(yīng)用在1970年的越南戰(zhàn)爭(zhēng)的戰(zhàn)場(chǎng)上，美國(guó)的CYANAMIDE公司為滿足美軍對(duì)作戰(zhàn)服裝的要求而開(kāi)發(fā)的一種可以吸收光線后改變顏色的織物。此后各種變色復(fù)合纖維，如繡花絲線、針織紗、機(jī)織紗等，廣泛用于裝飾皮革、運(yùn)動(dòng)鞋、毛衣等，受到人們的廣泛喜愛(ài)。

02

變色纖維的概念與種類

變色纖維，是指隨外界環(huán)境條件(如光、熱、電等)的變化而顯示不同顏色的纖維，比如光致變色纖維、熱致變色纖維、電致變色纖維和結(jié)構(gòu)色纖維等。

1.光致變色纖維

光致變色，是指一個(gè)化合物(A)在受到一定波長(zhǎng)的光照下，進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)，生成產(chǎn)物(B)，由于化合物結(jié)構(gòu)的改變導(dǎo)致其吸收光譜發(fā)生明顯的變化即發(fā)生顏色變化，而在另一波長(zhǎng)的照射下，又能恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)的現(xiàn)象。

圖2 物質(zhì)的光致變色反應(yīng)和吸收光譜。

最早在十九世紀(jì)Y. Hirshberg等人觀察到光致變色現(xiàn)象，在40年代又發(fā)現(xiàn)了無(wú)機(jī)化合物和有機(jī)化合物的光致變色現(xiàn)象。G. Porter的時(shí)間分辨光譜技術(shù)的發(fā)明，加速了對(duì)光致變色物質(zhì)研究的進(jìn)程。光致變色材料主要分為有機(jī)光致變色材料、無(wú)機(jī)光致變色材料。有機(jī)光致變色材料主要有螺吡喃類、俘精酸酐類、偶氮苯類、二芳基乙烯類、螺噁嗪類等，無(wú)機(jī)光致變色材料主要有過(guò)渡金屬氧化物類、金屬鹵化物類、多金屬氧酸鹽類、稀土配合物類等。

根據(jù)如何將光致變色染料引入纖維以及光致變色染料和纖維基質(zhì)之間是否形成化學(xué)鍵，光致變色纖維的制備可以分為物理、機(jī)械法和化學(xué)法。物理或機(jī)械法是指染料和纖維通過(guò)物理手段聯(lián)系在一起，比如原料共混物理改性、復(fù)合紡絲、纖維浸漬涂覆等方法?；瘜W(xué)法是指染料和纖維通過(guò)化學(xué)鍵結(jié)合，生成新的光致變色聚合物纖維，比如對(duì)原料進(jìn)行化學(xué)改性后紡絲、對(duì)成型纖維或天然纖維進(jìn)行化學(xué)接枝改性等。

2.熱致變色纖維

熱致變色材料，是指一些化合物或混合物在受熱或冷卻時(shí)可見(jiàn)吸收光譜發(fā)生變化的功能材料，它具有顏色隨溫度改變而變化的特性，發(fā)生顏色變化的溫度稱為變色溫度。熱致變色材料從熱力學(xué)角度(按其熱變色的可逆性)，可分為不可逆熱致變色材料和可逆熱致變色材料兩大類；按其熱變色溫度范圍，可分為低溫型(T＜373 K)、中溫型(373 K＜T＜873 K)和高溫型(T＞873 K)；根據(jù)其在某一溫度范圍內(nèi)的變色次數(shù)，可分為單變色型(有色到無(wú)色、無(wú)色到有色、顏色A到顏色B)和多變色型(顏色A到顏色B到顏色C)；從現(xiàn)有可逆熱致變色材料的組成和性質(zhì)來(lái)看，可分為無(wú)機(jī)類、有機(jī)類和液晶類三大類。

自從1871年E. J. Houston觀察到CuI等無(wú)機(jī)物的熱致變色現(xiàn)象以來(lái)，人們對(duì)熱致變色進(jìn)行了不斷的研究，具有可逆熱致變色性質(zhì)的化合物范圍已從簡(jiǎn)單的金屬、金屬氧化物、復(fù)鹽、絡(luò)合物發(fā)展到各種有機(jī)物、液晶、聚合物以及生物大分子等。熱致變色材料可以用于制作示溫涂料、熱變色墨水、變色服裝等。目前已有變色T恤面市，在太陽(yáng)光照射下，它可以隨溫度的不同而變換顏色。

熱致變色纖維的制備方法，是將熱敏變色劑充填到纖維內(nèi)部，由融熔共混紡絲液制成。另一種方法是將含熱敏變色微膠囊的聚合物溶液涂于纖維表面，并經(jīng)熱處理使溶液成凝膠狀來(lái)獲得可逆的熱致變色功效。

圖3 熱致變色T恤。

3.電致變色纖維

電致變色，是指材料在外加電場(chǎng)或電流作用下所引起的顏色和透明度的可逆變化。這種變化是由于材料在紫外、可見(jiàn)光或近紅外區(qū)域的光學(xué)屬性(透射率、反射率或吸收率)在外加電場(chǎng)作用下產(chǎn)生了穩(wěn)定的可逆變化而引起的。電致變色一詞是由美國(guó)芝加哥大學(xué)J. R. Platt在1961年首次提出。直到1969年美國(guó)科學(xué)家S. K. Deb才首次詳細(xì)地描述了非晶態(tài)WO3薄膜的電致變色現(xiàn)象，并提出“氧空位色心”的變色機(jī)理。此后，隨著研究的深入，研究者們相繼發(fā)現(xiàn)了多種新型電致變色材料。

電致變色材料按材料類型可分為無(wú)機(jī)電致變色材料和有機(jī)電致變色材料兩大類。無(wú)機(jī)電致變色材料多為過(guò)渡金屬氧化物及其衍生物，主要包括三氧化鎢，五氧化二釩，氧化鎳等。有機(jī)電致變色材料按照結(jié)構(gòu)可以分為氧化還原性化合物，金屬有機(jī)螯合物和導(dǎo)電聚合物，主要有紫羅精衍生物，金屬酞花菁，聚苯胺等。無(wú)機(jī)電致變色材料一般具有著色效率高、響應(yīng)時(shí)間快、電化學(xué)可逆性好、化學(xué)穩(wěn)定性好、成本低等特點(diǎn)，其光吸收變化是由于離子和電子的雙注入和雙抽出而引起的。有機(jī)電致變色材料一般色彩豐富，易于進(jìn)行分子設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)小分子摻雜后顯示出很高的導(dǎo)電性和電致變色現(xiàn)象，其光吸收變化來(lái)自氧化還原反應(yīng)。由于電致變色器件的多層結(jié)構(gòu)，目前的電致變色纖維仍處于研究階段，還沒(méi)有具體的實(shí)際應(yīng)用。

4.結(jié)構(gòu)色纖維

結(jié)構(gòu)色纖維，是指表面或內(nèi)部因周期性結(jié)構(gòu)而具備顏色的一類纖維。結(jié)構(gòu)色來(lái)源于光與微結(jié)構(gòu)的相互作用，其光學(xué)效應(yīng)主要是由多層薄膜干涉、表面或體周期性結(jié)構(gòu)相聯(lián)系的衍射和由亞波長(zhǎng)大小的顆粒產(chǎn)生的波長(zhǎng)選擇性散射引起的。自然界中有許多美麗的物質(zhì)，如蝴蝶翅膀、孔雀羽毛、甲蟲(chóng)翅鞘等，它們本身并沒(méi)有色彩，當(dāng)被光照射時(shí)，物體利用自身特殊的微納組織結(jié)構(gòu)能夠使光發(fā)生光學(xué)現(xiàn)象，從而產(chǎn)生顏色，即為結(jié)構(gòu)色。

在自然界實(shí)例的啟發(fā)下，Nauss最先提出了結(jié)構(gòu)色概念。他指出，結(jié)構(gòu)色的實(shí)質(zhì)是物理光學(xué)的光柵衍射、干涉、反射、散射等過(guò)程所引起的生色效應(yīng)。與由色素引起的化學(xué)色相比，由物體特殊的表面結(jié)構(gòu)引起的結(jié)構(gòu)色具有飽和度高、亮度高、虹彩性(結(jié)構(gòu)色的光澤、色彩與觀察者的觀察角度有關(guān))等性質(zhì)，且結(jié)構(gòu)色纖維也不像化學(xué)色會(huì)隨著化學(xué)染料的老化而褪色。

結(jié)構(gòu)色產(chǎn)生的原理大致可以分為以下幾種：?jiǎn)螌踊蚨鄬颖∧じ缮妗鸥裱苌?、散射和光子晶體。目前制備光子晶體纖維的主要方法有多層膜干涉、自組裝、電泳沉積、靜電紡絲、熱壓印、微型擠壓等。

圖4 自然界中的光子晶體。(a) 孔雀羽毛的顏色；(b) 天然蛋白石結(jié)構(gòu)；(c) 具有金剛石結(jié)構(gòu)光子晶體的Lamprocyphus augustus象鼻蟲(chóng)。

03

變色纖維的應(yīng)用

1.變色服

所謂變色服，是指能夠隨著周圍環(huán)境的變化而自動(dòng)變色的服裝，它是由變色纖維制造的，或是織物采用變色染料印染而成的服裝。采用變色纖維制做的偽裝服，可隨地貌環(huán)境的變化而交替變換不同的顏色。如用于作戰(zhàn)服裝的“變色龍”，在雪地中呈白色，在沙漠中呈黃褐色，在叢林中呈綠色，在海洋中呈籃色。美軍開(kāi)發(fā)的采用電致變色光敏材料的變色偽裝系統(tǒng)，采用可對(duì)電場(chǎng)變化做出響應(yīng)的液態(tài)染料和固態(tài)顏料混合物填充到中空纖維中或改變光纖的表面涂層材料，其中噻吩衍生物聚合后特有的電和溶劑敏感性受到格外重視。電場(chǎng)變化由配有電腦的攝像頭根據(jù)周圍環(huán)境的不同而產(chǎn)生，這樣由染料和顏料混合物共同決定的顏色就會(huì)發(fā)生改變，于是該系統(tǒng)便會(huì)根據(jù)士兵周圍的環(huán)境而產(chǎn)生不同的偽裝效果。

20世紀(jì)80年代以后，變色服裝在民用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如日本東邦人造纖維公司研制出一種叫“絲為伊”的變色服，當(dāng)被紫外線照射時(shí)顏色發(fā)生變化。該公司還制成一種感溫變色游泳衣，不同溫度下變化出各種顏色的。進(jìn)入21世紀(jì)后，變色服裝的研制取得更大的進(jìn)展，如日本研究了一種光色性染料，能使合成纖維織物“染”上周圍景物的顏色，把人的服裝“融”在自然景色中。英國(guó)科學(xué)家將液晶材料微膠囊加工成可印染的油墨，涂敷在一種黑色纖維表面，隨身體部位不同以及體溫變化而瞬息萬(wàn)變顯示出迷人的色彩。

我國(guó)試制的見(jiàn)光變色睛綸線，編織成衣料后能隨光源變化轉(zhuǎn)換色彩。優(yōu)爾創(chuàng)出品工作室和美國(guó)Radiat公司合作研發(fā)了世界上首款熱感應(yīng)變色T恤——Radiate。這是一款極其炫酷的運(yùn)動(dòng)T恤，能根據(jù)身體輻射出來(lái)的熱量改變光子的反射方式，繼而讓衣服的顏色發(fā)生改變。穿上這件衣服運(yùn)動(dòng)時(shí)，身體不同部位的肌肉運(yùn)動(dòng)量不同，散發(fā)出的熱量不同，衣服對(duì)應(yīng)部位的顏色，就會(huì)有所不同。

圖5 Radiate運(yùn)動(dòng)T恤。

2.名牌服飾防偽技術(shù)

名牌服飾標(biāo)識(shí)防偽技術(shù)是指在商標(biāo)特定部位采用“紫外隱形文字圖案”、“溫變識(shí)別”和“手感立體文字”技術(shù)，可以通過(guò)驗(yàn)鈔機(jī)或手摸識(shí)別真?zhèn)?，必要時(shí)候還可以加入“紅外檢測(cè)”，大大增加了技術(shù)含量，提高了假冒難度。

圖6 防偽標(biāo)識(shí)。

04

其他方面

1.防毒服物

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)發(fā)生在城市或城市的周邊地帶，為了限制非戰(zhàn)斗性的嚴(yán)重傷亡，這就要提高戰(zhàn)士的能力。其中變色纖維起到了舉足輕重的作用。比如將植有化學(xué)檢測(cè)傳感器的變色纖維織物制成服裝讓戰(zhàn)士穿上當(dāng)有毒物質(zhì)存在時(shí)，織物就會(huì)象石蕊試紙一樣變色。還有用變色纖維織物制成的手套只要戴上這種手套把手插入水中，就能從它的顏色變化中得知水是否可以安全飲用。

2.變色墻布

利用光致變色纖維和熱致變色纖維的變色原理，可以使室內(nèi)的墻布或涂料早上、中午、晚上各呈現(xiàn)不同的顏色和圖案；還可以根據(jù)季節(jié)的不同呈現(xiàn)不同的顏色和圖案——夏季呈冷色調(diào)，冬季呈暖色調(diào)，春秋季呈中性色調(diào)。

來(lái)源：今日新材料

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