針織物的感溫變色涂層整理及性能研究

張傳茹 劉怡君 王金鳳

摘要：為了使人體溫度變化可視化，設計開發了智能溫度監測變色織物。選擇云母改性涼感滌綸長絲編織三種不同組織結構的針織物作為基布并對其進行感溫變色涂層整理。采用2種不同變色溫度及變色效果的可逆溫敏變色粉末，與水性聚氨酯、增稠劑等按一定比例制成變色涂料，將其涂覆在織物表面得到不同溫度范圍的變色織物。分析水性聚氨酯質量分數、烘干溫度及烘干時間對變色織物的色牢度、透氣性等性能的影響，并探究不同組織結構對變色效果、響應速度等變色性能的影響。結果表明：面密度越大，織物的響應速度越慢，透氣率略有下降；水性聚氨酯質量分數達到60%，烘干溫度90 ℃，烘干時間7 min時，織物的色牢度最好；以涼感緯平針織物作為基底時，織物的變色性能及服用性能綜合效果最佳。

關鍵詞：溫致變色；多階段變色；HSB色彩模型；透氣性；響應速度；色牢度

中圖分類號：TS195.597

文獻標志碼：A

文章編號：10017003（2024）02006709

DOI：10.3969/j.issn.1001-7003.2024.02.008

收稿日期：20230721;

修回日期：20231219

基金項目：紡織工程國家級教學示范中心項目（2020FZ03）

作者簡介：張傳茹（1996），女，碩士研究生，研究方向為智能針織產品的開發。通信作者：王金鳳，副教授，wangjinfengwjs@163.com。

隨著人們對服裝的功能性和多樣化的要求越來越高，智能紡織品成為紡織行業的熱點之一。智能紡織品包括形狀記憶智能紡織品、變色智能紡織品及防水透濕紡織品等，其中變色紡織品受到消費者的青睞。變色材料是一種通過改變自身顏色來響應外界條件變化的新型材料，按照條件的不同可分為溫致變色、光致變色和電致變色等。熱敏變色紡織品表面顏色能夠跟隨周圍溫度的變化而變化，變色效果分為可逆和不可逆兩種，其具有變色反應快、顯色效果好等優點，在建筑、醫療和服裝等領域應用廣泛。

目前，Karagam等開發出使用熱致變色著色劑在棉針織物上進行叢林圖案的變色印花產品，該智能針織服裝可用于軍事國防領域；ZHANG等采用固相反應法制備了ZnCoO 納米粉末，其紅外發射率隨溫度發生明顯變化，在可見光紅外區域具有很強的智能自適應偽裝應用；伴隨著變色材料性能的優化和變色纖維技術手段的成熟，變色材料在國內紡織品服裝的應用也愈加廣泛，但一般選用普通面料對其進行處理。本文選用不同組織結構的涼感針織面料，通過涂層法對織物進行加工處理，并對其進行一系列的服用性能測試。在夏季的強高溫下，織物上圖案的顏色隨溫度的變化而變成不同顏色，從而可以起到人體溫度監測的作用，感溫變色織物在可穿戴顯示領域有一定的應用前景，期望對未來熱敏變色產品的開發和研究提供一定的參考依據。

1 實 驗

1.1 涼感針織物的選用

本文選用緯平針、四角網眼和添紗組織這三種不同的組織結構，織造出舒適、輕薄和涼爽的涼感針織面料。采用成圈系統為112路的針織大圓機編織，共設計編織了四種不同類型的涼感針織面料，并通過涼感性能測定儀對織物的接觸涼感系數進行測試。由于不同組織結構會影響織物的服用性能和熱濕舒適性能，包括手感和外觀等，故通過蔡司顯微鏡觀察三種組織結構的涼感織物表觀形貌。針織物的基本參數如表1所示，涼感針織物的實物如圖1所示。

1.2 材料與儀器

試劑：31 ℃熱敏變色材料（藍色變無色）、38 ℃熱敏變色材料（玫紅色變無色）（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）。

儀器：85-1型強磁力攪拌器（杭州龍祥儀器有限公司），DGG-9240B電熱恒溫鼓風干燥箱（上海森信實驗儀器有限公司），AR223CN電子天平（奧豪斯儀器（常州）有限公司），Y571C摩擦色牢度測試儀、YG461E透氣性測試儀（溫州方圓儀器有限公司），SW-24AⅡ耐洗色牢度試驗機（溫州大榮紡織儀器有限公司），iPhone XS Max的手機（蘋果公司）。

1.3 溫致變色織物的制備

根據減法混合理論制備熱敏變色涂料，步驟如下：將一定量的增稠劑、去離子水、水性聚氨酯和兩種熱敏變色材料（質量比 1∶1）通過磁力攪拌器攪拌均勻后，在織物表面進行涂覆并在一定溫度、時間下進行干燥。最終變色效果如圖2所示：溫度小于31 ℃時表現為藍紫色（藍色與玫紅色混合），31～38 ℃時為玫紅色，38 ℃以上時為無色，從而實現多階段的變色效果。

實驗過程中對溫致變色織物影響較大的因素為水性聚氨酯質量分數、烘干溫度和烘干時間。本文采用正交實驗設計三因素三水平正交表，參考前人的實驗，將質量分數、溫度和時間分別設定為20%、40%、60%；70、80、90 ℃；7、8、9 min。具體實驗參數如表2所示。

1.4 測 試

1.4.1 變色性能

1）變色效果：采用HSB色彩模型進行表征，HSB分別表示顏色的色相、飽和度、亮度。色相用角度（0°～360°）表示，其中0°為紅色，60°為黃色，120°為綠色，180°為青色，240°為藍色，300°為品紅。飽和度用0（灰色）～100%（完全飽和）表示，亮度用0（黑）～100%（白）表征。通過燒杯杯壁為31 ℃熱敏變色材料提供30～35 ℃的溫度，38 ℃熱敏變色材料提供38～43 ℃的溫度。拍攝各溫度區間內的不同變色織物對應的變色過程，分析織物變色效果。

2）變色HSB值：在織物變色前，先讀取織物初始HSB值。然后通過放有規定溫度的水的玻璃燒杯為樣布提供變色所需溫度，并使織物在不同溫度區間的環境中保持1 min，待織物變色后再次讀取HSB值。不同變色階段時測10次HSB值取平均值，以減小誤差。

3）響應速度：通過手機的原相機拍攝織物變色的全過程，分別記錄織物不同變色階段所需的時間，從而獲得織物的變色響應速度。

1.4.2 服用性能測試

參照GB/T 35263—2017《紡織品 接觸瞬間涼感性能的檢測和評價》，對針織物進行涼感系數測試；參照GB/T 3920—2008《紡織品 色牢度試驗 耐摩擦色牢度》，對溫致變色織物進行耐干摩擦和耐濕摩擦色牢度測試；參照GB/T 3921—2008《紡織品 色牢度試驗 耐皂洗色牢度》，對織物進行耐皂洗色牢度測試；參照GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》，對溫致變色織物進行透氣性能的測試。

2 結果與分析

2.1 顏色變化響應速度分析

根據表2將四種不同組織結構的針織物各裁剪9塊布樣，按照正交實驗表中的方案進行第一階段實驗。溫致變色織物從藍紫色完全變為無色時的時間t為變色響應速度；織物脫離燒杯直到完全褪色的時間t為褪色響應速度；t為變色織物從藍紫色變為無色加上無色恢復為藍紫色的時間為一個變色循環。變色織物的顏色變化響應速度如圖3所示。

變色的響應速度是溫致變色紡織品的關鍵指標，可以反映溫致變色材料變色的靈敏性。由圖3可知，當熱敏變色織物達到變色溫度時，四種織物的變色反應都比較迅速，完全變色響應速度均不超過20 s；當脫離變色溫度時，褪色反應同樣迅速，褪色響應速度均不超過30 s。四種變色的一個循環時間不超過50 s，說明這兩種溫致變色材料的靈敏度高，顯色效果好。不同組織結構的織物作為基底時對溫致變色材料的變色、褪色響應速度影響不大，并且同種織物的變色響應速度和褪色響應速度較為接近。

根據表3中正交實驗的K值可以直接看出不同水平和指標值的變化趨勢。通過影響等級可知，不同織物中各因素對實驗結果的影響各不相同，從而獲得不同織物的最佳實驗水平。

基于此，通過變色/褪色響應速度分析后，對最佳實驗參數進一步優化得到正交因素水平（表4）。優化后的實驗方案測試結果如圖4所示。

由圖4（a）可知，織物的變色響應速度比第一階段實驗方案的變色速度快。從藍紫色變為無色的時間不超過15 s，時間明顯縮短。由圖4（b）可知，褪色響應時間增加較大，是由于褪色時的室溫溫度比第一階段時的溫度高，影響了織物降溫的速度，從而使變色材料恢復到原來顏色的時間加長；變色區間的溫度值也超過了31 ℃熱敏變色材料的變色溫度，所以當溫度從38.5 ℃降到31 ℃時，熱敏變色材料仍處于變色狀態，從而表現出褪色時間較長的現象。再基于織物本身參數對不同的響應時間進行分析。

首先，由于四種織物的平方米質量不同，1（52.4 g/m）和2（61.3 g/m）差別較大，3（133.4 g/m）和4（133.8 g/m）基本相同。其中1織物的平方米質量最小，4織物的平方米質量最大。平方米質量越大，織物的響應速度越慢。由于平方米質量越大，編織的織物緊密度越大或厚度越大，熱量傳遞和散失時參與的纖維量就越多，所以要使染色部分徹底的變色，平方米質量大的織物就需要更長的時間。即在相同時間內，平方米質量小的織物比平方米質量大的織物變色完全度更高。平方米質量越小，織物的響應速度越快。原因是平方米質量越小，織物的緊密度較小，通過紗線之間的孔隙可以快速將人體熱量傳遞給織物，為變色材料提供變色溫度所需要的熱量。

其次，作為基底的四種針織物其接觸涼感系數不同。1和2接觸涼感系數均為0.12，3和4接觸涼感系數均為0.16。隨著平方米質量的增加，針織物的涼感系數也有所增加。這是因為涼感針織物接觸涼感系數與面密度有明顯的正相關，平方米質量越大，吸收熱量就越多，在織物與人體皮膚接觸時可以迅速帶走更多的熱量，給人涼爽的感覺。由于織物的緊密度和厚度增加，孔隙較小，熱量從織物反面傳遞到正面的速度變慢，從而使正面的變色材料響應時間增大。但經過涂層后的織物涼感效果仍較好，其中涂層的部分為印花工藝，只占據全部織物的小部分，未涂層的部分保持原有的涼感性能。基于水性聚氨酯的黏合力，變色染料只涂覆在織物的正面，未滲透到織物反面，織物反面是接觸皮膚的部分，仍保持將皮膚表面的熱量傳遞給外界環境的性能。因此，涂層后織物的涼感性能基本不受影響，有較好的涼感效果。

最后，四種織物的組織結構不同。1和2織物的組織結構相同（四角網眼），在四種織物其變色/褪色響應速度中最快，原因是四角網眼具有較好的透氣透濕性，水蒸氣能夠順著網眼通道迅速擴散，因此吸熱散熱效果好，使纖維之間的熱傳遞較快，能快速為變色材料提供熱量使其變色。3（添紗組織）和4（緯平針組織）織物的組織結構不同，兩種織物的變色/褪色響應速度相差不大。這是由于兩種織物的面密度和涼感系數基本相同。由此可知，織物的響應速度與織物組織結構中紗線面密度關系緊密，而與具體組織結構形態相關性不大。

2.2 變色效果分析

實驗中，織物變色的實際情況如圖5所示（a為1織物，b為2織物，c為3織物，d為4織物）。對織物進行拍照，并通過Photoshop軟件中的HSB模式的色彩識別，得到HSB值，結果如表5所示。

通過優化后的方案所制備的四種不同組織結構的織物布樣（表4），得到不同溫度下的HSB值（表5）。由表5可知，不同制備方案下，當溫度在24.5 ℃時，不同織物初始顏色的H值均在300°左右，S值在20%左右，B值在30%左右。其中，同種織物的HSB值相差不大，四種織物都呈現飽和度和明度都較低的藍紫色。2織物的三塊樣布色彩明度略高，3織物的三塊樣布色彩飽和度略高。

當溫度為31.5 ℃時，不同制備方案下四種織物的H值均位于350°左右，1、2和4織物的S值和B值分別在35%和60%左右，只有3織物的S值和B值分別在60%和40%左右。這是由于織物組織結構和面密度不同，使得3織物與其他織物的飽和度、明度有所差異。與常溫下的織物相比，31.5 ℃時的織物呈現飽和度更高的藍紫色、明度更高的玫紅色，表明變色效果較佳，織物上的圖案變色明顯。其中，3織物的視覺效果更加鮮艷，與未處理的織物相比，顏色的對比度也更高。當溫度為38.5 ℃時，不同方案下制備的織物H值位于310°～350°，S值均不超過15%，B值在50%～70%，飽和度很低，因而很接近灰白色。

2.3 色牢度分析

2.3.1 耐摩擦色牢度

耐摩擦色牢度是各種染色制品的一項重要指標。摩擦色牢度差的織物，在穿著的過程中，由于雨水或汗漬會導致顏料脫落并沾染到皮膚上危害健康，同時也會使溫致變色針

織物的功能性大打折扣。在不同工藝下制備的各種熱敏變色織物的耐摩擦色牢度如表6所示。

由表6可知，1織物的耐干/濕摩擦色牢度最好，3次之，2最差；在不同方案下制備的織物其耐干摩擦色牢度均優于耐濕摩擦色牢度。這是因為在濕態條件下，變色染料與纖維的化學鍵結合力會因水的存在而降低，從而有利于染料分子的脫離和轉移。

1和2織物的組織結構相同，只是實驗方案有所不同，1織物三組方案中的水性聚氨酯質量分數為40%和60%，干/濕摩擦色牢度均較好；而2織物三種方案的水性聚氨酯質量分數均為20%，3塊樣布的色牢度都比1織物差。由此可知，水性聚氨酯質量分數是影響織物摩擦色牢度的原因之一。3織物的水性聚氨酯質量分數與1相同，烘干時間和烘干溫度有所不同，織物的耐濕摩擦等級不同，從而可知，織物的烘干溫度和時間影響織物的服用性能。溫度和時間的不同會影響水性聚氨酯與織物完成交聯反應的程度，烘干溫度過低或時間過短，交聯反應會進行不徹底進而導致色牢度下降，但過高的烘干溫度和過長的受熱時間會損害溫致變色涂料的變色性能。綜上所述，1織物的耐干/濕摩擦色牢度均較好，最佳實驗方案是水性聚氨酯質量分數60%，烘干時間7 min，烘干溫度90 ℃。

2.3.2 耐皂洗色牢度

耐皂洗色牢度是紡織品色牢度檢測當中的一項，是紡織品質量檢驗中一個重要的檢測項目。不同工藝制備的溫致變色織物耐皂洗等級如表7所示。

由表7可知，織物的耐皂洗色牢度評級都較低，水性聚氨酯質量分數小于60%的樣布色牢度評級均為1級。當水性聚氨酯質量分數大于60%時，4織物的色牢度最好，3織物次之，1和2均較差。這是因為由于織物的組織結構和平方米質量不同，當水性聚氨酯質量分數相同時，平方米質量越大的緯平針組織，耐皂洗色牢度相對越好。這是由于染料會與纖維通過化學鍵、氫鍵及范德華力相結合。因此，平方米質量大的織物中染料分子可以與更多的纖維相結合，有更多的染料分子附著在織物上，從而有更好的色牢度。

從貼襯沾色情況來看，耐皂洗色牢度評級與貼襯織物沾色評級成負相關。當水性聚氨酯質量分數為60%時，比較3和4織物可知，4織物的色牢度和沾色評級均優于3織物。由于緯平針組織的各項性能比添紗組織要略好，織物4的烘干溫度為90 ℃時，織物的色牢度均較好，說明較高的烘干溫度能夠使黏合劑的交聯反應進行得更加徹底，讓顏料和纖維結合得更為牢固。

綜合分析可知，后續實驗中水性聚氨酯的質量分數不小于60%，可使織物與變色粉末結合牢度增加，從而增加織物的色牢度，提高織物的實用價值。

2.4 透氣性分析

織物的透氣性是影響服裝穿著舒適性的重要因素。透氣性是指織物通過氣體的能力，良好的透氣性使人在穿著過程中會減少皮膚悶濕感，更加舒適干爽，對于織物舒適性的評判非常重要。對未經處理的織物和不同方案制備得到的樣布進行透氣性測試，結果如圖6所示。

由圖6可知，未經處理的織物透氣率大小為2＞1＞3＞4，且1織物和2織物的透氣性要優于3織物和4織物；經過不同方案進行涂層變色處理后，四種織物的透氣率分別在2 100、2 200、900、1 000 mm/s以上。1和2織物的透氣率仍高于3和4織物，其中，2織物比1織物的透氣量高，4織物比3織物的透氣量高。通過表1與圖6來看，織物的平方米質量與透氣率呈負相關，平方米質量越大，透氣性越差，說明織物的緊密度高，阻擋空氣通過的能力就越強，因此透氣性較弱。故而后續實驗可采用平方米質量較小的織物做基底，進一步降低實驗過程中對織物透氣性的影響。

經過涂層變色處理后，織物透氣率有所下降，但與未處理的織物相比，透氣率下降相差不大，其中1織物的方案3和2織物的方案4透氣率下降最大，下降率約為原來織物的20%。這是由于烘干后的變色涂料在水性聚氨酯的黏合作用下形成薄膜，覆蓋于織物之上，堵塞了直通孔隙。同時涂料還將纖維與纖維黏連在一起，封閉了不定形孔隙從而透氣性下降，但仍具有優異的透氣性能。方案5、方案11和方案12的織物經過變色處理后，織物的透氣量上升，是由于變色涂料將纖維黏連，減少了小部分氣體從不定形孔隙通過的途徑，但是纖維被相互黏連的同時也使紗線之間的孔隙增大，且涂料因為稠度不高而無法在孔隙形成薄膜，導致有更多氣體可以貫穿織物，增加了織物的透氣性。

3 結 論

目前，溫敏變色材料的使用已經普及，但是變色織物的變色效果較單一。本文選擇兩種不同變色溫度和變色效果的溫敏變色材料所制備的溫致變色織物，成本低，工藝流程簡單，能夠在不同溫度環境下實現及時、準確地變化多種顏色。

1）織物在常溫（＜31 ℃）下呈現藍紫色；當溫度升高至變色溫度值31 ℃時，織物呈現玫紅色；當溫度繼續升高達到38 ℃時，織物逐漸由玫紅色變為無色。

2）采用Photoshop軟件中的HSB色彩模型，可以獲得不同織物的HSB值，通過分析四種變色織物的HSB值可知，在不同方案下制備的溫致變色織物均可實現多層次顏色變化。在31.5 ℃時，3添紗組織結構的織物S值（飽和度）為55%左右，B值（亮度）為40%左右，有著較高的色彩飽和度，織物更為鮮艷；4緯平針組織結構的織物S值（飽和度）為35%左右，B值（亮度）為55%左右，有著更高的明度，織物的顏色更淺變色效果更好。

3）通過對比響應速度可知，優化后的方案中制備的織物變色響應速度明顯縮短。其中平方米質量不同的四角網眼組織結構的織物變色較快，添紗組織結構的織物和緯平針織物變色較慢。分析可知，變色響應速度與織物本身的平方米質量有關，與組織結構無關。

4）通過色牢度及透氣性測試可知，四角網眼結構的織物不耐皂洗，添紗結構的織物和緯平針織物變色織物的耐皂洗性能較好。結合透氣性和耐干/濕摩擦分析，不同方案制備的四種變色織物中，4號緯平針組織涼感織物的綜合效果最佳，適合作為變色織物的基底，后續可進一步進行變色處理。最佳制備工藝為水性聚氨酯質量分數60%，烘干時間7 min，烘干溫度90 ℃。

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Study on finishing and properties of the temperature-sensitive discoloration coating on knitted fabrics

ZHANG Chuanru， LIU Yijun， WANG Jinfeng

（College of Textile Science and Engineering （International Institute of Silk）， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China）

Abstract：With the development of society and the progress of science and technology， people’s awareness of environmental protection and health， safety and comfortable life has gradually increased， and the demand for textiles has already broken through the limitations of the original shading， warmth， beautification and other aspects， and more inclined to the functionalization and intelligence of textiles. Advanced regions and some developed countries have also turned their attention to smart textiles with lower resource consumption， high economic efficiency and more in line with scientific and technological development. Smart textiles refer to textiles with the ability to perceive and respond to external stimuli， providing more functionality for traditional textiles， including intelligent monitoring products， intelligent heating and temperature control products， intelligent color-changing products， etc. Among them， color-changing textiles are favored by consumers through modern technology， which makes the color of textiles change dynamically with the change of environmental conditions.

At present， foreign scholars have developed intelligent color-changing knitted clothing used in the field of military defense; domestic scholars have also applied it to medical detection， strong radiation environmental safety protection and other fields. The body temperature is the key information to reflect human life activities. To visualize the change of body temperature， an intelligent temperature monitoring color changing-fabric was designed and developed. Generally， an ordinary knitted fabric is selected as the base fabric and coated. In this paper， three kinds of knitted fabrics with different structures of mica-modified cool polyester filaments were selected as the base fabric and the coating was finished with temperature sensitivity and color change. Two kinds of reversible temperature-sensitive color-changing powder with different color-changing temperatures and effects were used to make color-changing coatings with water-based polyurethane and thickener， etc. The color-changing coating was coated on the fabric surface to obtain color-changing fabrics with different temperature ranges. The influence of the concentration of waterborne polyurethane， drying temperature and drying time on the color fastness， permeability and other properties of the color-changing fabric was analyzed， and the influence of different structures on the color-changing properties such as the color-changing effect and response speed was investigated. The results show that the higher the surface density， the slower the response speed and the lower the air permeability of the fabric. When the concentration of waterborne polyurethane reaches 60%， the drying temperature is 90 ℃， and the drying time is 7 min， the color fastness of the fabric is the best. Cool weft plain knitted fabrics have the best combined effect of discoloration performance and wear performance， and they are suitable to be used as the base of discoloration fabrics. Subsequent discoloration treatment can be further carried out， which can meet the personalized needs of consumers for clothing， and provide certain reference for the application of cool discoloration fabrics.

A kind of thermochromic knitted fabric， which can be applied to intelligent temperature monitoring， is developed by processing and finishing the cool knitted fabric made of cool polyester filaments， which increases the function of the fabric and can monitor human temperature in real time in high temperature season. This provides reference for the innovation of traditional textile products， and a certain basis for the development and research of thermochromic products in the future， and has certain application prospects in the field of wearable display.

Key words：thermochromic; multistage discoloration; HSB color model; gas permeability; response speed; colour fastness