棉織物溫敏變色微膠囊印花工藝及溫變色性能

吳飛揚，吳映妮，王楚元，趙炳乾，潘學坤，張 婉，劉雯雯，王潮霞

（江南大學紡織服裝學院，生態(tài)紡織教育部重點實驗室，江蘇無錫 214122）

溫敏變色材料是一種對溫度變化響應的新型智能材料，能夠通過自身顏色變化表征環(huán)境溫度的變化，應用范圍可從簡單的示溫作用拓展到印刷［1］、涂料［2］、防偽［3］和生活用品［4］等方面。在紡織品領域中將溫敏變色材料應用于織物，當人體體溫或環(huán)境溫度發(fā)生變化時，經過處理的織物表面會產生“動態(tài)”的色彩和花紋［5］，不僅賦予紡織品美感與趣味性，還能起到一定的指示和保護作用，給人們的生活帶來便利。溫敏變色材料還可用于開發(fā)智能變色服裝，例如帶有溫度指示功能的兒童服裝［6］，家長可以從織物顏色的變化隨時獲知嬰幼兒的體溫情況以達到提醒防護功能，方便對嬰幼兒的及時護理。

溫敏變色材料顏色豐富，變色靈敏度高，但同時也存在熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性差［7］以及溶劑泄露等問題。因此，要選用透明性好的殼材包覆溫敏變色材料，將制得的溫敏變色微膠囊作為溫變色涂層以隔絕外界物質對內部芯材的影響，減小殼材自身顏色對溫變微膠囊變色性能的影響［8］，避免高溫、強酸性或雜質污染引起的不可逆顯色，從而獲得穩(wěn)定耐用的溫變色印花織物，增強織物的耐光性，提高微膠囊的化學穩(wěn)定性［9］。本實驗采用絲網印花的方式，按一定比例將溫敏變色微膠囊、黏合劑、增稠劑等混合制成印花漿，制備具有溫敏變色性能的印花棉織物。考察溫變微膠囊用量、黏合劑用量等印花工藝條件對棉織物顏色深度、耐皂洗色牢度、溫變色可逆性的影響。此外，將不同變色溫度的紅、藍溫變微膠囊與黃色染料以不同比例混合制備拼色印花棉織物，拓展溫變顏色數目并獲得連續(xù)多變色性能，使織物在溫度（34～40 ℃）波動時可以指示多個溫度點，達到多溫度點連續(xù)顏色警示的目的。

1 實驗

1.1 材料及儀器

織物：棉布（330 根/10 cm×230 根/10 cm）；試劑：黏合劑HB-6020（廣州譽衡環(huán)保材料有限公司），增稠劑（FILO COLORS 公司），蜜胺樹脂溫敏變色微膠囊（自制）。儀器：KQ-3200 型超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司），SU1510 型掃描電子顯微鏡（日立株式會社），R-3 型焙烘機（臺灣瑞比染色試機有限公司），Brookhaven 型Zeta 電位與粒徑分析儀（Brookhaven 儀器公司），YG（B）982X 型標準光源箱、SW-12A 型耐洗色牢度實驗機（溫州市大榮紡織標準儀器廠），X-Rite 8400 型電子測色配色儀（美國愛色麗股份有限公司）。

1.2 溫敏變色微膠囊印花棉織物的制備

將微膠囊分散在一定量水中，加入適量黏合劑，分散均勻后滴入適量增稠劑，攪拌均勻獲得印花漿，通過絲網印花的方式對棉織物進行3 次印花，置于焙烘機中80 ℃預烘5 min，155 ℃焙烘2 min，皂洗，烘干，制得溫敏變色微膠囊印花棉織物。

1.3 測試與表征

表面形貌：取1 g 溫敏變色微膠囊于50 mL 無水乙醇中，超聲10 min 后用膠頭滴管滴于硅片上，待無水乙醇揮發(fā)后，用導電銅膠將硅片（或涂層棉織物）粘貼在鋁板上，在真空條件下用噴射涂層機噴金處理后，利用掃描電子顯微鏡觀察。

溫敏變色性能：將加熱器置于標準光源箱中，在D65光源下，將印花棉織物從34 ℃升溫至40 ℃，再進行自然降溫。利用iPhone 6s plus 拍攝印花棉織物的溫變色過程，每隔1 ℃截圖并利用Photoshop 軟件的取色工具讀取圖片的 RGB 值［10］。

耐皂洗色牢度：根據GB/T 3921—2008《紡織品色牢度試驗耐皂洗色牢度》測試。

溫變可逆性：利用測色配色儀CIELab 測色系統(tǒng)測量溫敏變色微膠囊印花棉織物在室溫時的K/S值，再利用加熱器將印花棉織物加熱至50 ℃保持1 min，顏色褪去后再次測量K/S值［11］，重復操作30次。

2 結果與討論

2.1 溫敏變色微膠囊及其印花棉織物微觀形貌

從圖1a 可看出，溫敏變色微膠囊呈規(guī)則球形，表面光滑，囊壁均勻，粒徑分布較集中，范圍在2～5 μm。由圖1b 可以看出，大量微膠囊覆蓋在棉織物表面，在黏合劑的作用下均勻地在纖維表面形成微膠囊膜。選用的微膠囊表面不含活性基團，本身對纖維無作用力，通過黏合劑成膜被包埋在棉織物表面與內部縫隙之間。微膠囊保護殼材內部溫變色組分使發(fā)色劑與顯色劑間的電子轉移在加熱過程中免受酸、堿、有機溶劑等因素的影響，從而起到保護變色性能的作用，提高材料穩(wěn)定性與環(huán)境不耐受性，確保了加熱冷卻過程中溫變色性能的實現。黏合劑將無纖維反應性的微膠囊粘貼在棉織物上，使溫敏變色微膠囊在織物上能夠穩(wěn)定地存在。

圖1 （a）溫敏變色微膠囊和（b）溫變色棉織物形貌

2.2 溫變色棉織物顏色深度的影響因素

2.2.1 溫敏變色微膠囊用量

從圖2 可以看出，紅色微膠囊用量從6%增加到10%時，K/S值從4.302 升至11.489，增幅較大；當微膠囊用量從10%增加到12%時，K/S值從11.489 升至11.580，增幅極小，說明當微膠囊用量為10%時，達到染色飽和，繼續(xù)增加微膠囊用量不會顯著提高顏色深度。藍色微膠囊用量從6%增加到10%時，K/S值從2.707 升至8.755，增加了6.048；當微膠囊用量從10%增加到12%時，K/S值從8.755 升至8.926，僅增加了0.171，與紅色微膠囊用量數據結論一致。綜合考慮，紅、藍溫敏變色微膠囊最佳用量均為10%，可獲得較鮮艷、溫敏變色效果顯著的印花棉織物，原因是黏合劑可以在棉織物表面交聯成膜而充分包埋溫敏變色微膠囊，使棉織物顏色均勻；當微膠囊用量進一步增加時，通過黏合劑成膜與棉織物結合的微膠囊數量過多，產生浮色，在皂洗中被洗去。

圖2 微膠囊用量對溫變色棉織物顏色深度的影響

2.2.2 黏合劑用量

由圖3 可以看出，黏合劑用量在12%～18%時，紅色印花棉織物K/S值逐漸增大；黏合劑用量為18%～24% 時，K/S值從 10.923 降到 8.296；黏合劑用量為18%時，棉織物的K/S值達到最大值10.923，這是因為10%用量的微膠囊恰好能被18%的黏合劑固著在棉織物上；當黏合劑用量為21%和24%時，棉織物的K/S值分別為 9.808 和 8.496，相比最大K/S值下降了1.115、2.427，下降幅度較大。藍色印花棉織物也呈此變化趨勢。以上現象可以解釋為，18%的黏合劑可以使溫敏變色微膠囊和棉織物充分結合，使棉織物獲得較深且均勻的顏色，黏合劑用量再增加不能使交聯反應發(fā)揮更大的作用，過多的黏合劑將微膠囊稀釋，反而造成織物的K/S值大幅下降。從人眼對顏色識別的局限性以及經濟角度綜合考慮，黏合劑用量為18%時，已經足夠充分地粘貼用量為10%的微膠囊，可獲得具有顯著溫敏變色效果的印花棉織物。

圖3 黏合劑用量對溫變色棉織物顏色深度的影響

綜上所述，選用的溫敏變色微膠囊性質穩(wěn)定，變色規(guī)律一致，微膠囊顏色對印花漿的工藝不造成影響。

2.3 黏合劑用量對棉織物耐皂洗色牢度的影響

黏合劑的成膜性在一定程度上提高了涂層織物的耐皂洗色牢度［12］。表1 中，當黏合劑用量從6%增加到18%時，棉織物耐皂洗變色牢度逐漸增加，從2 級增加到5 級。這是因為隨著黏合劑用量的增加，黏合劑在棉織物表面成膜固定微膠囊的作用力更強，固著在織物表面的微膠囊數量越多且更加牢固。當黏合劑用量達到21%與24%時，涂層棉織物的耐皂洗變色牢度僅為3～4 級。此時黏合劑用量過高，微膠囊黏附在黏合劑上，皂洗時隨著黏合劑成塊脫落，導致耐皂洗變色牢度較低。選用的溫敏變色微膠囊表面不含活性基團，對纖維無作用力，依靠黏合劑的作用固著在纖維上，白色襯布不易沾色，因此耐皂洗沾色牢度均為5 級。綜合考慮顏色深度與耐皂洗色牢度，選取黏合劑用量為18%進行印花，耐皂洗色牢度最好，達到5級。

表1 黏合劑用量對棉織物耐皂洗色牢度的影響

2.4 溫變色棉織物的溫變可逆性

10%溫敏變色微膠囊和18%黏合劑印花棉織物的溫變可逆性見圖4。

圖4 10%溫敏變色微膠囊和18%黏合劑印花棉織物的溫變可逆性

從圖4 可以發(fā)現，印花棉織物在反復升降溫30次后仍具有較好的變色性能。加熱至50 ℃再恢復至室溫，印花棉織物的K/S值與測試前相比無明顯變化和波動，對變色靈敏度的影響較小。由此說明選用的溫敏變色微膠囊的溫變可逆性優(yōu)異，微膠囊殼材對溫敏變色材料起到了良好的包覆和保護作用，使之能夠反復地進行顯色與褪色，延長溫敏變色材料的使用壽命。

2.5 印花棉織物溫敏變色性能

從圖5、圖6 可知，紅、藍色溫敏變色微膠囊印花棉織物的變色區(qū)間分別為34～37 ℃和36～38 ℃。34～37 ℃時，紅色明顯褪去；36～38 ℃時，藍色明顯褪去。

圖6 藍色溫敏變色微膠囊印花棉織物隨溫度變化連拍圖

從表2可以看出，34～40 ℃時，紅色溫敏變色微膠囊涂層棉織物R（紅）值在一定范圍內擺動但基本穩(wěn)定，G（綠）、B（藍）值均明顯增大，分別增至231、222。其中，34～37 ℃時，G、B值上升趨勢明顯，分別增至228、212。說明紅色溫敏變色微膠囊印花棉織物在34～37 ℃內有明顯的顏色變化。34～36 ℃時，藍色溫敏變色微膠囊涂層棉織物R、G、B值均在極小范圍內擺動且基本穩(wěn)定，36～38 ℃時，R、G、B值均有增加，分別從54、103、172增至195、197、200。說明藍色溫敏變色微膠囊印花棉織物在36～38 ℃內有明顯的顏色變化。

表2 溫變色棉織物升溫過程顏色參數變化

根據紅、藍色溫敏變色微膠囊的變色特點，將紅、藍色微膠囊和黃色染料以不同比例混合，制得印花棉織物。由表3 可以看出，34 ℃時棉織物顯示為紅黃藍3 色的混合色；當溫度上升至37 ℃時，紅色首先褪去，此時棉織物顯示為黃藍兩色的混合色；當溫度繼續(xù)上升至40 ℃時，藍色褪去，此時織物顯示為黃色。實現了通過紅、藍色溫敏變色微膠囊配合黃色染料來獲取多種顏色的印花棉織物，且具有在不同溫度連續(xù)多變色性能。

表3 不同比例的紅、藍色溫敏變色微膠囊與黃色染料拼色印花棉織物在34～40 ℃的顯色情況

3 結論

通過紅、藍色溫敏變色微膠囊配合黃色染料絲網印花制備了具有多色系、連續(xù)變色的溫變色棉織物。綜合顏色深度和色牢度得到最佳的印花工藝為溫敏變色微膠囊用量10%、黏合劑用量18%，此時印花棉織物的K/S值最大，耐皂洗色牢度最好（達5級），經過30 次加熱-冷卻循環(huán)，仍具有良好的顏色深度和溫變色性能。另外，按一定比例將溫敏變色紅色、藍色微膠囊與黃色染料進行拼色，得到色彩豐富且具有連續(xù)多變色特點的印花棉織物，拓寬了溫敏變色微膠囊印花棉織物的顏色范圍，為制備多溫度點變色棉織物提供了新思路。