熱敏變色涂層厚度對織物變色性能的影響

陳 安，劉 茜

（上海工程技術(shù)大學(xué)紡織服裝學(xué)院，上海 201620）

隨著科學(xué)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)水平的發(fā)展，形狀記憶、變色、智能調(diào)溫、自清潔紡織品等眾多智能紡織品在民用和產(chǎn)業(yè)用紡織品領(lǐng)域得到迅速發(fā)展。其中，變色紡織品是一種在軍事偽裝、個(gè)性服裝、家居裝飾、防偽商標(biāo)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的智能紡織品［1］。國內(nèi)外眾多學(xué)者對變色材料、變色紡織品的制備及變色機(jī)理等方面做了很多研究。

變色材料是一種在外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，自身顏色也隨之改變的新型材料。根據(jù)激發(fā)條件的不同，主要可分為熱敏變色材料、光敏變色材料、電敏變色材料3 大類［2］。其中，熱敏變色材料具有變色反應(yīng)快、顯色效果好等優(yōu)點(diǎn)，在智能電網(wǎng)、智能建筑、智能醫(yī)療、智能服裝等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛［3］。為了將熱敏變色材料更好地應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，中低溫?zé)崦糇兩牧铣蔀檠芯恐攸c(diǎn)［4］。國內(nèi)外學(xué)者通過多種不同工藝制備變色性能優(yōu)異的熱敏變色材料［5-7］。許多學(xué)者采用篩網(wǎng)印花、絲網(wǎng)印刷等方法制備不同的變色織物，研究黏合劑用量、烘干溫度、烘干時(shí)間等工藝條件對變色性能及織物色牢度的影響［8-11］。雖然關(guān)于熱敏變色織物制備工藝的研究較多，但是關(guān)于涂層厚度對變色材料變色性能的影響研究卻很少。Yanrong Jia 等［12-13］研究發(fā)現(xiàn)涂層厚度對有色材料的顏色會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響。因此，研究涂層厚度對變色織物變色性能的影響極其重要。

本文以應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛的中低溫?zé)崦糇兩牧蠟檠芯繉ο?，選擇2 種不同溫度（31、65 ℃）的熱敏變色材料，在不改變黏合劑用量、攪拌時(shí)間、烘干溫度等工藝條件下，通過改變涂布機(jī)的刮刀壓力進(jìn)而改變涂料用量，達(dá)到制備不同涂層厚度變色織物的目的。在制備基礎(chǔ)上，研究涂層厚度對變色織物基礎(chǔ)色相和亮度的影響，以及對變色響應(yīng)速度、變色完全度等變色性能的影響。期望對未來中低溫?zé)崦糇兩a(chǎn)品的開發(fā)和研究提供一定的參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

織物：滌棉混紡平紋織物（滌、棉混紡比65∶35，織物厚度0.22 mm）。

試劑：31 ℃熱敏變色材料（藍(lán)色變綠色）、65 ℃熱敏變色材料（黑色變米白色）（深圳市幻彩變色科技有限公司），水性聚氨酯、增稠劑（深圳市吉田化工有限公司）。

1.2 儀器

BY-4031B 型成量電子測厚儀（揚(yáng)州博裕試驗(yàn)機(jī)械廠），3114 型涂布實(shí)驗(yàn)機(jī)（意大利美斯丹公司），78-1 型磁力加熱攪拌器（金壇市科析儀器有限公司），ZB2020JR 型恒溫加熱臺(tái)（溫州市正邦電子設(shè)備有限公司），JA2003A 型電子天平（廣州瑞豐實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）。

1.3 不同涂層厚度熱敏變色織物的制備

將2 種2 g 熱敏變色材料與4 g 水性聚氨酯、0.1 g增稠劑、6 mL 蒸餾水混合，磁力攪拌器攪拌10 min，使所有材料混合均勻，得到熱敏變色涂料。

通過控制涂布機(jī)的刮刀壓力來控制涂料用量，使涂層厚度不同。將涂料均勻地涂覆于織物表面后放入烘箱，90 ℃烘5 min 后取出，測得如表1所示的試樣涂層厚度。

表1 織物涂層參數(shù)

1.4 變色效果表征方法

采用HSB 模式［14］表征，H、S、B分別表示顏色的色相、飽和度、亮度。

31 ℃熱敏變色材料屬于色相改變，因此使用色相H表征。H值和幾種典型顏色的對應(yīng)關(guān)系：紅色為0，黃色為60，綠色為120，青色為180，藍(lán)色為240，品紅為300，其他顏色的H值介于上述數(shù)值之間。65 ℃熱敏變色材料屬于亮度改變，使用亮度B表征。B值是顏色的相對明暗程度，通常用0%（黑）～100%（白）的百分?jǐn)?shù)表示。在織物涂層表面隨機(jī)選取10 個(gè)點(diǎn)測量，取平均值。

1.5 測試

1.5.1 初始色和完全變色HSB 值

在改變溫度對織物施加熱量前，先讀取織物初始色的H值、B值，分別記為H0、B0；為了使織物完全變色，將試樣放置在高于其自身變色溫度20 ℃的環(huán)境中保持1 min，待其完全變色時(shí)再次讀取H值、B值，分別記為H1、B1，為后續(xù)測取變色完全度提供參照。

1.5.2 變色響應(yīng)速度

通過恒溫加熱臺(tái)為織物試樣提供對應(yīng)的變色溫度，當(dāng)加熱臺(tái)達(dá)到變色溫度時(shí)開始計(jì)時(shí)，通過相機(jī)拍攝織物變色的全過程。待觀察到織物完全變色后再恒溫保持5 min，確保織物完全變色；通過獲取織物的HSB 值分析變色情況，當(dāng)獲取的HSB 值與完全變色HSB 值保持基本一致時(shí)，記錄所需的變色時(shí)間，得到變色響應(yīng)速度。

1.5.3 變色完全度

通過相機(jī)拍攝織物變色的全過程，分別記錄不同時(shí)間對應(yīng)的織物H值、B值，并與完全變色時(shí)的H1、B1值對比，通過二者比值表征織物的變色完全度。

1.5.4 變色效果

通過恒溫加熱臺(tái)給31 ℃熱敏變色材料提供25～35 ℃的溫度區(qū)間，給65 ℃熱敏變色材料提供60～70 ℃的溫度區(qū)間。通過相機(jī)拍攝溫度區(qū)間內(nèi)每個(gè)溫度對應(yīng)的變色情況，以獲取織物的HSB 值，分析織物的變色效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 初始色和完全變色HSB 值

運(yùn)用Photoshop 軟件對相機(jī)拍攝的織物變色過程進(jìn)行照片截取及顏色識別，在HSB 色彩模式中測取對應(yīng)的H值和B值。

由圖1a 可知，涂層厚度對熱敏變色織物的初始色相H0值基本沒有影響，但對完全變色時(shí)的色相H1值有明顯影響，隨著涂層厚度的增加，H1值逐漸增大，說明涂層厚度增加導(dǎo)致顏色疊加變深。試樣T1的H1值為165.9，表面顏色為綠色；試樣T6的H1值為183.2，表面顏色為青綠色（如圖2a 所示）。由圖1b 可知，隨著涂層厚度的增加，在完全變色時(shí)，黑色變?yōu)槊装咨捎诤穸雀瘢装咨霈F(xiàn)疊加，涂層顏色發(fā)暗，亮度減?。ㄈ鐖D2b所示），B1值逐漸降低。

圖1 不同涂層厚度熱敏變色織物的初始色和完全變色HSB 值

圖2 熱敏變色織物發(fā)生完全變色時(shí)的圖片

2.2 變色響應(yīng)速度

由圖3 可以看出，隨著涂層厚度的增加，2種熱敏變色材料的變色響應(yīng)時(shí)間逐漸延長，變色響應(yīng)速度下降。這是因?yàn)橥繉釉胶?，溫度傳遞受到的阻礙越大，溫度傳遞越慢。在相同溫度下，越厚的涂層需要越長的時(shí)間來彌補(bǔ)受阻的溫度傳遞。

圖3 不同涂層厚度熱敏變色織物的變色響應(yīng)時(shí)間

2.3 變色完全度

由圖4a、圖5a 可以看出，隨著時(shí)間的延長，變色織物的變色完全度逐漸升高，從局部不完全變色到完全變色。在相同的變色時(shí)間內(nèi)，涂層越薄，變色完全度越高，這是因?yàn)橥繉釉奖。瑹醾鬟f效果越好，變色越完全；反之亦然。同時(shí)涂層越厚，達(dá)到完全變色所需時(shí)間也越久。此外，涂層越薄，變色完全度增長速率越快，反之越慢。

由圖4b、圖5b 可以看出，隨著變色時(shí)間的延長，變色完全度逐漸提高。但是隨著涂層厚度的增加，在相同的變色時(shí)間內(nèi)，變色完全度呈下降趨勢。在前半段，涂層越薄，熱傳遞效果越好，變色反應(yīng)越快；在后半段，較薄的涂層已經(jīng)由黑色變?yōu)槊装咨?，亮度從低變?yōu)楦?，隨著時(shí)間的延長，亮度緩慢變化且不明顯，曲線斜率小。較厚的涂層還處在從黑色變?yōu)槊装咨炼扔砂底兞恋倪^程，跨度較大。因此，涂層越厚，曲線斜率在后半段越大。

圖4 熱敏變色織物的變色完全度

圖5 熱敏變色織物在不同時(shí)刻變色情況的圖片

2.4 變色效果

由圖6a 可以看出，隨著溫度的升高，不同厚度涂層對應(yīng)的H值均逐漸降低。圖中曲線斜率最大處對應(yīng)的橫坐標(biāo)區(qū)間為變色織物色相發(fā)生最大改變的溫度區(qū)間，區(qū)間右端點(diǎn)為色相完成最大變化的點(diǎn)，也就是激發(fā)熱敏變色織物發(fā)生顏色改變的臨界溫度。從圖中可以得出，試樣T1、T2、T3、T4、T5和T6的激發(fā)溫度分別為31、32、33、35、34、34 ℃。盡管31 ℃熱敏變色材料的變色溫度為31 ℃，但是隨著涂層厚度的增加，激發(fā)變色的臨界溫度會(huì)逐漸升高，這與涂層厚度阻礙溫度的傳遞有關(guān)。

由圖6b 可知，隨著溫度的升高，不同厚度涂層所對應(yīng)的亮度B值均逐漸增大。圖中斜率最大處的區(qū)間右端點(diǎn)代表熱敏變色織物的激發(fā)溫度。從圖中可以看出，試樣T1′、T2′、T3′、T4′、T5′、T6′的激發(fā)溫度分別為65、65、66、67、67、68 ℃。隨著涂層厚度的增加，溫度傳遞受阻，變色溫度逐漸升高，當(dāng)溫度高于熱敏變色材料原本的變色溫度時(shí)，涂層織物發(fā)生變色。

圖6 不同激發(fā)溫度下熱敏變色織物的HSB 值

3 結(jié)論

2 種變色溫度不同的熱敏變色材料，涂層厚度不同對變色性能造成直接影響。涂層厚度影響變色織物基礎(chǔ)色相、亮度和溫度的傳遞效果，織物的變色響應(yīng)速度、變色完全度和變色效果都會(huì)有差異。因此，在開發(fā)各種變色產(chǎn)品，如變色織物、智能變色服裝、軍用偽裝服時(shí)，要充分考慮涂層厚度對變色性能的影響，以保證產(chǎn)品變色效果的精準(zhǔn)、一致、可重現(xiàn)，進(jìn)而對變色織物的生產(chǎn)工藝提出更高的要求。