變色材料在紡織品中的應用與發展
彭志忠
（佛山市敬展紡織材料有限公司 廣東佛山 528223）
摘 要：變色材料在外界條件刺激與驅動下產生特異的色彩動態變化，變色材料在紡織品領域的應用，給紡織服裝整體增添時尚感和新奇感；文中從變色材料的種類和變色機理，介紹變色紡織品材料的種類和性能及生產工藝。
關鍵詞：親水性；白度；棉織物；滌綸織物；聚氨酯親水整理劑
前 言
隨著消費者對服飾美追求層次的提高，以及個性化服裝面料的需求日趨增多，人們對紡織服裝顏色的要求也正在由實用型向功能型及新奇型多元化轉變。變色纖維材料借助于現代高新技術，使紡織品的顏色或花型隨光照、溫度、濕度等的變化而呈現出由常規的“靜態”變為若隱若現的“動態”效果，產生特殊的色彩變化，令人耳目一新。
變色紡織品不但可以滿足消費者的特殊視覺感觀要求，同時也能應用在特殊場合發揮其變色功能，變色紡織品應用范圍廣，可用于服裝/服飾、家裝、玩具及工業和軍用等領域，特別在軍事領域發揮獨特的作用，利用其變色性能應用于軍事偽裝領域和功能性檢測產品，也可作為防偽材料廣泛應用于票據、證件、商標等。在紡織領域得到了飛躍的發展及廣泛的應用，給紡織面料整體增加了時尚感和新奇感以及藝術風格。
1．變色材料在紡織服裝中的應用
1.1 變色服裝
變色服裝最早由美國國防部研制作為作戰士兵的“隱形衣”，可以隨著周圍的環境氣候變換而產生顏色轉變。20世紀80年代以后，變色服裝及變色材料在民用領域得到廣泛應用。進入21世紀后，變色服裝的研制取得更大的進展，如日本研制的光色性染料（光致敏變色材料），能使紡織纖維/織物“染”上周圍景物的顏色，把人的服裝“熔融”在自然景色中；英國科學家將液晶材料微膠囊加工成可印染的油墨及涂料，涂敷在一種黑色纖維表面，隨人體身體部位不同以及體溫變化（溫感致敏變色）而瞬息萬變顯示出迷人的色彩；我國研制的見光變色腈綸線，編織成衣面料后能隨光源變化轉換出絢爛色彩等。
1.2 名牌服飾標識防偽技術
在商標特定部位采用“紫外隱形文字圖案”、“溫變識別”和“手感立體文字”技術可以通過驗鈔機或手摸識別真偽，必要時候還可以加入“紅外檢測”，大大增加了技術含量。
2．變色材料種類和變色機理
變色材料是指在外界條件作用下，受到熱、光照、濕度或電及壓力等環境變化刺激而產生顏色轉變的功能性材料，變色材料按照其顏色變化所需要的條件分為：光敏型變色材料、熱敏型變色材料、濕敏型變色材料和溶劑致敏變色材料以及電致敏變色材料等其他特殊致敏型材料。目前在紡織品加工上應用最多、工藝最為成熟的是熱敏變色，其次是光敏變色。
2.1 熱敏變色材料
熱敏變色材料其變色機理，是受環境溫度變化時其材料的晶型發生變化或化學結構變色體能引起內部結構的變化，從而導致顏色的改變；熱敏型變色（也稱熱變色性）材料可分為可逆性和不可逆性兩類，如果環境變回初始溫度時，材料回復到原來的顏色，即為可逆性；如果環境溫度回到原來的條件，材料結構并不能再回到初始狀態，顏色也不再發生變化，這種稱為不可逆性熱敏型變色。
國內外對熱敏染料/材料的研究要多些，尤其是在應用于紡織品印花方面，取得了一定的成果，有一系列的熱敏印花產品問世，如我國生產的RT系列變色材料就屬于熱敏變色產品；紡織面料在服用過程中，隨一年的季節、南北地區等不同，室內、室外溫度不同，而呈現多變的色彩；熱敏變色材料種類有無機類、液晶類、有機類之分。
2.1.1 無機類熱敏變色材料
無機類熱敏變色材料主要為過渡金屬化合物，具有代表性的化合物為碘化汞的復鹽，如Cu2HgI4和Ag2HgI4，分別在70.6℃從紅色變為黑色和50.7℃從黃色變為紅色，這是由于特殊溫度下它們發生相變引起的；許多過渡金屬化合物的水溶液也發生熱變色，如CoCl2溶液在25℃為粉紅色，加熱到75℃時變為暗藍色，這是由于配位體幾何形狀變化或脫水引起的。
無機類熱敏變色材料可以是單一的化合物，也可以是由多種組分組成的混合物，適當改變相應的配比，還能調節變色的溫度。
2.1.2 液晶類熱敏變色材料
膽甾型液晶具有層狀分子結構，層內分子長軸相互平行，各層分子軸向與鄰層分子軸向都略有偏移，使得液晶分子呈螺旋狀結構，因而表現出獨特的光學性質。它對白光發生選擇性吸收并反射某些波長的偏振光，表面反射和透過兩種不同顏色的光，且顏色會隨螺旋結構的伸長或縮短而變化。螺旋結構對外界因素（如溫度）非常敏感，它的伸縮隨溫度而變化。因此，膽甾型可在某一溫度范圍內，隨著溫度的變化，在整個可見光范圍內進行可逆顯色。
2.1.3 有機類熱敏變色材料
具有熱敏變色性的有機化合物數量較多，可分為三芳甲烷類、熒烷類、螺吡喃類等；它們大多由于介質的酸堿變化而引起分子結構變化，從而產生顏色的變化，也有受熱產生結構變化的。該類材料的變色關鍵在于體系中一個碳原子由sp3雜化態轉為sp2雜化態，原先被隔開的π體系轉變為完整的大π體系，吸收光譜紅移，從而使化合物從無色變為有色等。
2.2 光敏變色材料
光敏變色材料是一種能在紫外線或者可見光的照射下產生電子躍遷等而發生顏色動態變化，光線消失后又可以逆變到原來顏色的功能性染料；是通過把化學光敏變色粉體和色料混合，再配以相應的化學催化劑進行加工處理，生成可用于印染的膠囊有機材料；此類化合物吸收光并通過電子激發變成另一種不穩定的結構，從而發生顏色的改變。
光敏變色材料主要有氯化銀、溴化銀、二苯乙烯類、螺環類、降冰片二烯類、俘精酸酐類、三苯甲烷類衍生物、水楊酸苯胺類化合物等，其具有感光變色和反復變色的特點，接觸到日光被紫外線照射后會變幻出亮麗、豐富多彩的顏色，迅速由無色或淺色變幻成紅、黃、橙、綠、藍、紫等彩色，是常規印染工藝和其他化學材料都難以達到的視覺效果；光致變色材料的生產原料成本低、工序簡單、效率高，具有無毒無味、綠色環保的特性，不影響人體健康。
光致變色材料逐漸在日常生活產品（如服裝、家紡、玩具、商標防偽條碼及產品包裝）設計中普及，應用范圍越來越廣泛，給潮牌服裝設計注入新的創作素材。
2.3 濕敏變色材料
濕敏變色材料變色的主要原因是環境中的濕度變化（如高濕態、遇水等）導致染料本身結構變化，從而對日光中可見光部分的吸收光譜發生改變，同時環境濕度對變色體的變色有一定的催化作用；濕敏變色染料變色印花色漿主要成分是變色鈷復鹽（即無機變色涂料），應用時可通過粘合劑將變色體牢固地粘附于紡織織物上。
為了使變色靈敏，需要加入一定的敏化劑以幫助變色體較好地完成這一過程，同時還需添加了一定的增色體，以提高變色織物色澤的鮮艷度。
如果將印花色漿中變色涂料巧妙結合，用于毛巾、浴巾、泳裝、沙灘服和手帕及雨具產品等，可獲得別致的印花色彩圖案；干燥時為白/無色，潤濕（如遇水）后則顯透明感而花型色彩新穎，而獲得別致的印花圖案。
2.4 電致敏變色材料
變色材料的光學屬性（反射率、透過率及吸收率等）在外加電場的作用下發生顏色的變化。
2.5 溶劑致敏變色材料
物質變色材料與特定的化學藥劑（或溶劑）接觸后發生顏色的變化。
3．變色紡織品的生產技術及應用
在紡織品領域，變色材料的制造技術主要包括變色纖維制造和變色染料及微膠囊變色材料的紡織品染色/印花或涂層后整理技術兩部分。
3.1 變色纖維制造工藝
變色纖維是一種具有特殊組成或結構的、在受到光、熱、水分或輻射等外界條件刺激后可以自動改變顏色的纖維。按生產工藝不同，變色纖維的制造技術主要包括溶液紡絲法、熔融紡絲法、后整理法以及接枝聚合法。
3.1.1 溶液（濕法）紡絲工藝
變色絲的濕法紡工藝中，需要在常規普通紡絲液中加入變色功能的材料（變色劑）和固著劑（防止染料轉移的試劑），即將變色化合物和防止其轉移的試劑直接添加到紡絲液中進行紡絲，從而達到生產出的變色絲中含有可以變色的化合物以及增加變色效果持久的化合物。
如由丙烯腈/苯乙烯/氯乙烯共聚物、變色類化合物組成的溶液紡絲后放入水浴中凝固成纖維，經水洗得到光致變色纖維。該纖維在無陽光/紫外線條件下不顯色，而在陽光或紫外線照射下顯深綠色，可用于制作服飾、窗簾、地毯和玩具等方面。
3.1.2 熔融紡絲法紡絲工藝
熔融紡絲法分有聚合法、共混紡絲法、皮芯復合紡絲法。
聚合法是將變色基團引入到聚合物的分子結構中去，或將變色聚合物與紡絲聚合物混合再熔融后進行抽絲最終獲得長絲，使長絲中均勻分布著變色聚合物，從而具有變色功能。
共混紡絲法是將變色聚合物與聚酯、聚丙烯、聚酰胺等聚合物熔融共混紡絲，或把變色化合物分散在能和抽絲高聚物混融的樹脂載體中制成色母粒，再混入聚酯、聚丙烯、聚酰胺等聚合物的熔融紡絲。此外，還可將變色材料封入微膠囊中，再分散到紡絲液中紡絲，制得熱變色纖維。
3.1.3 皮芯復合紡絲法工藝
皮芯復合紡絲法是生產變色纖維（長絲）的主要技術，長絲可為分皮層和芯層，它以含有熱敏劑的組分做為芯，以普通纖維為皮組分，共熔紡絲得到熱敏變色皮芯復合纖維。若將變色聚合物或者共混物作為皮層，常規紡絲液做為芯，就使得紡出的長絲不但具有變色性能，同時擁有常規纖維的強度，其變色效果持續方面有很大的性能提升。
3.1.4 后整理法以及接枝聚合法
后整理法是在纖維表面進行涂層或采用聚合的方法，其既可用于纖維，也可以用于紗線或織物；它的做法是用有螺吡喃的苯乙烯或乙酸乙酯單體的溶液浸漬紡織材料，然后單體在纖維內聚合，得到光致變色纖維。日本三井公司將熱敏變色的微膠囊的氯乙烯聚合物溶液涂于合成纖維表面，再烘干固著，溶液轉為凝膠狀，制成熱致變色纖維。
接枝聚合法主要采用接枝聚合技術，使纖維具有變色性能；例如，將纖維或織物用含螺吡喃衍生物的單體浸漬，單體（一般為苯乙烯或醋酸乙烯）在纖維內聚合，使纖維具有光致變色性。接枝聚合技術對變色材料的要求較低，它不經過紡絲過程，而且變色材料的分解溫度可低于紡絲溫度。由于在紡絲后引入變色化合物，故對紡絲工藝沒有影響，也不影響纖維的力學性能。
3.2 變色紡織品印染/整理工藝應用
在光、熱及其他物理或化學因素的作用下，能可逆地改變顏色的染料稱為變色染料，應用于紡織品的變色染料（主要有熱致變色染料、光致變色染料和濕敏變色染料及電敏變色材料）；但由于這些染料本身的摩擦牢度和耐洗滌色牢度不夠理想。
上個世紀90年代末，人們將微膠囊技術引入變色染料的制備而制成變色微膠囊材料，即將變色材料包覆于微膠囊內，微膠囊其內部是變色物質，外部是不能溶解也不能融化的透明物質，從而保護了變色物質免受化學物質的侵蝕，同時提升變色材料對外界環境的抵抗性能和耐溶劑性，也提高變色材料對纖維的親和力，更好地適應紡織品整理加工和使用要求，使得變色染料在紡織品中的應用獲得質的飛躍與性能提升。
采用變色微膠囊材料，利用紡織染色、印花/涂層及后整理工藝對紡織品（纖維、紗線及面料或成衣服裝等）進行加工處理，從而使其具有變色性能；變色微膠囊用于紡織面料/紗線染整加工，操作簡單穩定，可適用涂料印花、涂層整理、浸漬以及浸軋加工工藝等，適用性廣泛；同時也適用于塑料樹脂、油墨以及陶瓷產業領域。
與變色微膠囊印花和染色技術相比，而微膠囊變色纖維技術具有明顯優點：制成的變色織物手感好、耐洗滌性好，且變色效果較持久。
4．結語
4.1 變色紡織品（變色纖維材料/面料）是近些年來迅速發展、極富生命力的高技術功能纖維與織物，它具有高附加值和高藝術風格；隨著人們對服裝高檔化、個性化要求的日益增強和對功能性整理織物要求的提高，開發新型變色纖維材料、變色染料及變色微膠囊等將具有優良的發展前景和廣闊的應用空間。
4.2 隨著各類變色材料的制造與加工技術進步和發展完善，以及高新技術不斷引入該紡織品領域，變色紡織品已取得巨大的進步，變色材料還會繼續發展提升，將有極廣闊的發展前景。
作者簡介：
彭志忠，江西新余人，印染高級工程師，從事染整技術三十多年；致力于紡織染整、印花新技術研究及染化料應用技術管理等。
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