熱致變色材料及其微膠囊技術(shù)

陳世怡

(北京化工大學(xué)材料學(xué)院 北京 100029)

熱致變色材料及其微膠囊技術(shù)

陳世怡

(北京化工大學(xué)材料學(xué)院 北京 100029)

本文簡(jiǎn)述了熱致變色材料的發(fā)展過(guò)程及發(fā)展趨勢(shì)，介紹了熱致變色材料的表征方法和研究方法，對(duì)熱致變色材料進(jìn)行了分類總結(jié)，對(duì)微膠囊技術(shù)的應(yīng)用和特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的展開描述，最后闡述了熱致變色材料的應(yīng)用。

熱致變色材料；微膠囊；應(yīng)用

1.引言

變色材料是一種新型的功能型智能材料，是一類可在外界光、熱、濕、電等刺激下發(fā)生顏色改變的材料。按材料變色時(shí)所受外界刺激的不同，可分為光致變色材料、熱致變色材料、電致變色材料和壓致變色材料等幾大類。本文主要介紹熱致變色材料。

熱致變色材料又稱示溫材料，是一類在某一特定溫度區(qū)間內(nèi)可以隨外界溫度的改變而發(fā)生顏色變化的材料，是一類具有熱記憶功能的智能材料。在信息處理、工業(yè)防偽、服裝紡織、航空航天、雜志印刷、建筑材料、醫(yī)療診斷、節(jié)能材料、裝飾用品等多個(gè)領(lǐng)域都得到了比較廣泛的應(yīng)用。相信隨著高新技術(shù)的發(fā)展，變色材料的研究將不斷完善，具有更廣闊的應(yīng)用前景和更大的發(fā)展空間。[1]

2.熱致變色材料的發(fā)展

自從1871年Houston觀察到CuI等無(wú)機(jī)物的熱致變色現(xiàn)象以來(lái)，人們對(duì)熱致變色進(jìn)行了不斷的研究。

隨后，Seeboth等人又制得了具有熱致變色特性的染料／聚乙烯醇水凝膠，Chung Woo-Young等人對(duì)上述染料／聚乙烯醇水凝膠進(jìn)行了改進(jìn)，這些熱致變色材料均為三組分體系。

Baron和Elie制得了含雙組分的一系列染料／Nation熱致變色薄膜，Seeboth等人制得到了一種非水型熱致變色材料[2]。

3.熱致變色材料的研究方法

熱致變色材料的主要性能指標(biāo)是材料的變色溫度。用于熱致變色材料上的研究方法主要有差示掃描量熱法(DSC)、紫外可見分光光度法、光散射法、動(dòng)態(tài)流變法等。

差示掃描量熱法（differential scanning calorimetry）這項(xiàng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于一系列應(yīng)用，它既是一種例行的質(zhì)量測(cè)試也是一個(gè)研究工具。該設(shè)備易于校準(zhǔn)，使用熔點(diǎn)低，是一種快速和可靠的熱分析方法。差示掃描量熱法(DSC)是在程序控制溫度下，測(cè)量輸給物質(zhì)和參比物的功率差與溫度關(guān)系的一種技術(shù)。

紫外-可見分光光度法是根據(jù)物質(zhì)分子對(duì)波長(zhǎng)為200～760nm這一范圍的電磁波的吸收特性所建立起來(lái)的一種定性、定量和結(jié)構(gòu)分析方法。操作簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確度高、重現(xiàn)性好。波長(zhǎng)長(zhǎng)（頻率?。┑墓饩€能量小，波長(zhǎng)短（頻率大）的光線能量大。分光光度測(cè)量是關(guān)于物質(zhì)分子對(duì)不同波長(zhǎng)和特定波長(zhǎng)處的輻射吸收程度的測(cè)量。通過(guò)對(duì)聚合物的光譜掃描和對(duì)一定波長(zhǎng)下透光率的對(duì)比，可直接讀出其變色特性。該方法靈敏準(zhǔn)確，可以研究熱致變色材料的整個(gè)變色過(guò)程。

光散射法可以得知溶液中大分子的尺寸形態(tài)及相互作用情況，比紫外-可見分光光度法中的云點(diǎn)法和差示掃描法提供更多的微觀信息，用于研究聚合物的整個(gè)變色過(guò)程。

動(dòng)態(tài)流變學(xué)方法用來(lái)研究熱敏聚合物材料的熱敏行為。該方法的本質(zhì)在于當(dāng)溫度接近變色溫度時(shí)，聚合物體系出現(xiàn)明顯的濃度變化。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于：聚合物的結(jié)構(gòu)在測(cè)定過(guò)程中不受影響；對(duì)于大部分熱致變色聚合物體系的變色行為都能進(jìn)行比較可靠的測(cè)定。

4.熱致變色材料的分類

熱致變色材料的種類很多，按照不同的分類方法，可以得到不同的分類結(jié)果：

（1）熱致變色材料從熱力學(xué)角度，按其熱變色的可逆性，可分為不可逆熱致變色材料和可逆熱致變色材料兩大類；

（2）按其熱變色溫度范圍（T為熱變色溫度），可分為低溫型(T<373K)、中溫型(373K873K)；

（3）根據(jù)其在某一溫度范圍內(nèi)的變色次數(shù)，可分為單變色型(有色到無(wú)色、無(wú)色到有色、顏色A到顏色B)和多變色型(顏色A到顏色B到顏色C)；

（4）從現(xiàn)有可逆熱致變色材料的組成和性質(zhì)來(lái)看，可分為無(wú)機(jī)類、有機(jī)類和液晶類三大類[3]。

5.熱致變色材料的微膠囊化

5.1 微膠囊技術(shù)的應(yīng)用

紡織品涂料印花通常采用有機(jī)類熱致變色材料，是一種有機(jī)復(fù)配物，為了提高有機(jī)復(fù)配物的化學(xué)穩(wěn)定性，通常將高分子材料作為壁材包封變色復(fù)配物芯材，將其制成微膠囊后使用。微膠囊包覆之后，變色材料作為芯材被全部包覆于壁材里，與外界環(huán)境隔絕，提高了變色材料的環(huán)境適應(yīng)性和化學(xué)穩(wěn)定性[4]。

在醫(yī)用熱敏記錄材料中，主要應(yīng)用的是熱敏微膠囊技術(shù)。將隱色染料重氮鹽包覆在微膠囊內(nèi)，將顯色劑置于微膠囊外側(cè)，在常溫下用微膠囊壁將發(fā)色成分隔開。當(dāng)在微膠囊壁材的玻璃化溫度以上時(shí)，形成微膠囊囊壁物質(zhì)的透過(guò)性明顯增加，使得顯色劑等向膠囊內(nèi)滲透，因發(fā)色成分瞬間接觸而發(fā)色，由此得到穩(wěn)定的熱敏記錄材料[5]。

5.2 微膠囊技術(shù)及特點(diǎn)

微膠囊技術(shù)（Microencapsulation）是微量物質(zhì)包裹在聚合物薄膜中的技術(shù)，是一種儲(chǔ)存固體、液體、氣體的微型包裝技術(shù)。目前已在食品、紡織、醫(yī)藥、建筑材料等多方面得到了廣泛的應(yīng)用。其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾方面：

（1）提高熱致變色材料的化學(xué)穩(wěn)定性：有效地減少了活性物質(zhì)對(duì)外界環(huán)境因素（如光、氧、水）的反應(yīng)。

（2）提高材料的耐久性：嚴(yán)密的包覆殼使變色材料即使受熱熔融也能很好的包覆在囊壁內(nèi)，有效成份不會(huì)流失，從而提高了材料的耐久性。

（3）提高變色材料的利用率：包覆后，變色材料全部被包覆在囊壁內(nèi)，使用時(shí)不會(huì)粘附在機(jī)械表面，材料的利用率得到提高。

（4）環(huán)保：經(jīng)微膠囊包覆后的變色材料與包覆前相比更容易清理，使用的洗滌劑較少，且廢水的凈化處理也相對(duì)更容易。

6.熱致變色材料的應(yīng)用

6.1 熱致變色材料在防偽包裝領(lǐng)域的應(yīng)用

目前，熱致變色液晶的防偽作用一般是通過(guò)制成液晶防偽油墨和液晶防偽紙來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

液晶防偽紙是將具有熱色效應(yīng)的液晶涂于紙基上，利用熱致變色液晶的可逆變色特性來(lái)鑒別真?zhèn)蔚?。液晶油墨在溫度變化時(shí)顯現(xiàn)出明暗圖文，且圖文可隨溫度的變化呈現(xiàn)不同的顏色，具有實(shí)施簡(jiǎn)單、成本低、隱蔽性好、色彩鮮艷、重現(xiàn)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是各國(guó)紙幣、票證及產(chǎn)品商標(biāo)的首選防偽技術(shù)。

6.2 熱致變色材料在服裝行業(yè)的應(yīng)用

在服裝行業(yè)中，應(yīng)用變色溫度不太高的材料印刷在衣服上面，當(dāng)人穿上這種衣服的時(shí)候，材料受熱顏色會(huì)發(fā)生變化，深受年輕人喜愛。

7.結(jié)語(yǔ)

目前，我國(guó)的變色材料領(lǐng)域有許多研究課題有待于突破，通過(guò)查閱有關(guān)文獻(xiàn)和撰寫論文，我對(duì)此提出以下見解：

（1）我們可以將變色材料運(yùn)用在軍事方面，可制作像變色龍一樣的智能度很高的變色材料，給軍人形成一種保護(hù)色，我認(rèn)為這個(gè)技術(shù)會(huì)對(duì)軍事和國(guó)防領(lǐng)域帶來(lái)很大的突破。

（2）變色服裝雖然現(xiàn)已研究開發(fā)出來(lái)，可是并未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，是由于它的技術(shù)尚未成熟，成本較高，我認(rèn)為可以從微膠囊的材料入手，對(duì)壁材和芯材的材料加以探索，找到成本更低、性能更好的材料。也可以試著對(duì)原有材料進(jìn)行共混改性或化學(xué)改性，提高它的各方面性能。

（3）我們可以將變色材料巧妙地運(yùn)用于刑事案件偵破中，比如我們可以將對(duì)體溫敏感的材料穿戴在身上，輕松或者開心時(shí)是一種顏色，悲傷或者緊張時(shí)會(huì)變成另一種顏色。這樣可以很直觀地看出人的喜怒哀樂，在偵破案件或?qū)彿缸锵右扇藭r(shí)會(huì)有很大的幫助。與微表情學(xué)、心理學(xué)相得益彰，可以對(duì)案情發(fā)展起到重大作用。

[1]徐棟.陳宏書.王結(jié)良.XU Dong.CHEN Hongshu.WANG Jieliang 變色材料的研究進(jìn)展[J].兵器材料科學(xué)與工程，2011(3).

[2]吳玉鵬，高虹.熱致變色材料的分類及變色機(jī)理[J].節(jié)能，2012(1).

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1009-5624（2016）05-0086-03