光致變色鏡片技術介紹

文/葉佳意 歐陽鎏 黃鴻亮 孫環寶 田 勇 彭 偉

光致變色鏡片技術介紹

文/葉佳意 歐陽鎏 黃鴻亮 孫環寶 田 勇 彭 偉

本文基于材料研究背景，介紹了光致變色材料的研究歷史和分類，并從能級躍遷的角度，對光致變色原理及特性作了仔細探討，針對光致變色過程的兩種類型輻射強度敏感型和溫度敏感型，從原理上進行了詳細說明。同時，對目前行業內的主流品牌及生產工藝進行了介紹和比較，對光致變色鏡片的未來發展趨勢作了展望。

光學眼鏡；光致變色；能級躍遷；變色染料；變色技術

1 引言

光致變色是“光導致顏色可逆變化”的簡稱，因其廣泛應用于視光學眼鏡而得名。自康寧公司的Roger Araujo發明光致變色玻璃鏡片以來，變色鏡片已經走過了半個世紀的歷程，在此期間鏡片材料從厚重的玻璃進步到輕薄的高分子樹脂，起變色作用的物質也從最初的無機“銀鹽”（鹵化銀等）發展成為科技含量更高的有機光致變色分子（變色染料）。在室內變色鏡片可用作普通光學眼鏡，在戶外可兼作太陽眼鏡，因其變色的高科技特性，變色鏡片在市場上具有廣闊的發展潛力和空間。同時，在變色時所發生的可逆的光化學反應，可應用于光存儲材料、光控開關等多種領域。

2 基本原理

2.1 光致變色研究背景

1867年，Fritzsche率先報道了一種并四苯溶液，在黑暗中呈現桔紅色，在日光的輻照下則會發生褪色現象。1899年，Markwald研究了這類物質在固態時的顏色可逆變化，并將其命名為“phototropy”（光色互變）。直到1952年，以色列科學家Hirshberg根據光致變色的特點，建議使用photochromism來代替phototropy，這個名稱一直沿用至今。

圖1 Fritzche發現的并四苯變色現象

20世紀60年代以后，隨著物理測試方法和有機合成技術的進步，光致變色材料得到了較快的發展，變色鏡片的商品化也進一步促進了這一過程。到目前為止，根據有機反應類型不同，常見的光致變色材料可按以下方式分類：

①周環反應：螺吡喃、螺嗯嗪、苯并吡喃等；

②順反異構：二苯基乙烯、偶氮類、吖嗪等可以異構化的化合物；

③分子內轉移：可分為氫轉移和官能團轉移兩種，前者主要有縮苯胺、芐基吡啶、水楊酸類、苯三唑等，后者可見于多環醌；

④分子鍵斷裂（生成）：三芳甲烷、三芳基咪唑二聚體等可發生共價鍵的均裂或異裂，反應過程可逆；

⑤電子轉移（氧化還原）：紫羅堿在氧氣作用下，可以發生氧化還原反應，發生可逆的顏色變化。

2.2 光致變色反應原理

前述的光致變色材料反應類型多樣，但從共性來看，它們均有如下特征：

①在兩種物質（A和B）之間進行可逆化學轉化，并伴隨顏色變化。

②從A到B需要吸收電磁（光）輻射，從B到A可通過熱或光兩種途徑。

③物質A（無色態）和B（有色態）具有不同的吸收光譜（如圖2）。

圖2 無色態（A）和有色態（B）的吸收光譜

轉化過程可用能級躍遷原理來表示和說明，如圖3所示。根據反應性質可分為兩種類型：（1）當兩種物質的激發態處于弱耦合或無耦合時，物質A吸收光子能量從基態躍遷到激發態，在這之后可迅速通過光輻射或無輻射的方式回到原來狀態（基態A）或從激發態A直接轉化成基態B，在這一過程中不存在能量壁壘，因此轉化速度取決于輻射強度。（2）若激發態的勢阱處于強耦合時，物質A需要越過能量壁壘，才能從激發態A轉化成激發態的物質B，進而恢復到其相對穩定的基態，轉化速度由溫度決定。當前市場上主流的光致變色鏡片、變色染料由多種光致變色分子組成，屬于復雜的混合體系，同時具備上述兩種類型的特點。

圖3 光致變色能級圖

3 光致變色鏡片特性及生產工藝

早期光致變色鏡片為玻璃鏡片，采用鹵化銀作為變色材料。隨著科學技術水平的不斷進步，絕大多數的變色鏡片已采用有機光致變色染料。

變色鏡片的性能特點可以描述為“變色快、復原慢”，在正常陽光下，幾十秒內鏡片可以由透明轉變成深色，起到阻隔大部分光線的效果。當轉入室內時，若要回復到變色前，通常需要幾分鐘甚至更長時間。

根據能級躍遷原理，變色鏡片的另一個特點是：溫度越高，變色速度加快，但顏色更淺；溫度越低，變色速度變慢，鏡片顏色越深。

目前市場上常見的品牌有PhotoFusion?（蔡司），Transition?，Sensity （豪雅），Photogray/ brown Extra?（康寧）和ColorMatic IQ?（羅敦思德）等。

根據將有機變色材料加入鏡片基材方式的不同，變色鏡片有3種主要生產工藝：

① 基變技術 （photo cast in）

基變技術的特點是將變色染料與鏡片原材料（單體）均勻混合，固化后得到具有變色能力的鏡片。

圖4 基變鏡片的變色過程

② 膜變技術 （photo-coating/trans-bonding）

膜變技術通常在鏡片基材上覆上粘合層（primer），經預烘干之后，再均勻涂覆一層含變色染料及交聯樹脂的變色層。在具體實施中，粘附層可與變色層整合，同時涂覆。

圖5 膜變鏡片的典型構成

③ 埋入式變色（imbibing）

埋入式變色是指在加熱的情況下，將變色材料吸附進鏡片基體的過程。大部分變色染料位于鏡片表層，與膜變技術相似。

以上3類工藝各具特點：膜變和埋入式的變色反應發生在鏡片表層，變色層很薄且濃度高，具有變色速度快、顏色深和復原迅速的優勢。但同時也存在工藝復雜、缺陷難控制以及良品率低的問題。基變技術較為簡單，設備資金投入少，變色材料均勻分布于整片鏡片中，顏色表現更為均勻，然而變色染料對紫外線具有高吸收度的特性，變色同樣發生在鏡片淺表層，從而發生變色反應的染料濃度無法與前者相比，體現出變色速度較慢、深度較淺的特點。對于埋入式變色技術，由于并非所有鏡片材料都有吸附染料的能力，應用范圍相對較窄。

4 總結與展望

本文基于對光致變色材料變色原理的理解，對光致變色鏡片的特性及生產工藝進行了介紹和探討。從總體來看，光致變色材料具有可逆轉化和顏色變化的共性。其轉化過程可分為輻照強度敏感型和溫度敏感型，光致變色鏡片中所使用的變色染料由多種光致變色分子組成，同時具備上述兩種類型的特點。變色鏡片的生產工藝有基變技術、膜變技術和埋入式變色3種，其特點特性均有所不同。

縱觀變色材料和鏡片的發展歷程，未來變色鏡片的發展方向在于增強性能以提供更好的客戶體驗。從技術角度來說則是速度更快、溫度敏感性更低以及附加各類功能屬性如變色偏光鏡片、車內變色片等。鑒于“變色快復原慢”的特性，如何提升鏡片復原速度也將成為未來研究的重點。?