基于染料摻雜型液晶微膠囊的電刺激響應(yīng)智能紡織品的制備及其性能

盛明非， 張麗平， 付少海

(1. 江蘇省紡織品數(shù)字噴墨印花工程技術(shù)研究中心， 江蘇 無(wú)錫 214122； 2. 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))， 江蘇 無(wú)錫 214122)

近年來(lái)，智能紡織品研究主要集中于將生物、電子材料等高新技術(shù)融入紡織服裝中，使紡織品可模擬生命系統(tǒng)，具有感知與反應(yīng)雙重功能[1-2]。其中，變色材料是智能紡織品感知與直觀反饋外界環(huán)境變化的一個(gè)關(guān)鍵部件。目前，人們對(duì)智能紡織品的要求越來(lái)越高，對(duì)變色材料的響應(yīng)精度、速度和穩(wěn)定性等方面的期望值也逐步提高，同時(shí)希望智能紡織品具有柔韌及可拉伸特點(diǎn)，滿足一定的服用性能。

相較于光致、溫致和力致變色材料的響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)以及外界條件的不可控性，電致變色材料具有響應(yīng)時(shí)間短、條件可控以及顏色變化豐富等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用到智能紡織品中。傳統(tǒng)的電致變色材料總體上分為2類(lèi)：一類(lèi)是無(wú)機(jī)電致變色材料，其依賴于過(guò)渡金屬元素離子的氧化還原變色；另一類(lèi)為有機(jī)電致變色材料，其進(jìn)一步分為氧化還原型的有機(jī)小分子電致變色材料和摻雜離子在高分子鏈中遷入遷出導(dǎo)致電子能級(jí)躍遷變色的導(dǎo)電聚合物電致變色材料[3-4]。不同于傳統(tǒng)的電致變色材料電化學(xué)工作機(jī)制，染料摻雜型液晶的電刺激響應(yīng)變色是一個(gè)物理變化過(guò)程，具有使用壽命長(zhǎng)、響應(yīng)時(shí)間快和透明態(tài)到有色態(tài)全譜段顯示等優(yōu)點(diǎn)。然而，染料摻雜型液晶在器件撓曲過(guò)程中易流動(dòng)，難以塑形；同時(shí)，二色性染料與液晶之間的賓主效應(yīng)以分子間作用力形式存在，極易受到外界環(huán)境影響喪失電致變色性能。這些都極大限制了其在紡織品上的進(jìn)一步應(yīng)用[5-6]。

為此，提出通過(guò)特定的工藝過(guò)程實(shí)現(xiàn)染料摻雜型液晶微膠囊化：一方面，通過(guò)包覆作用實(shí)現(xiàn)染料摻雜型液晶的分散、保護(hù)和致穩(wěn)，從而確保染料摻雜型液晶柔性顯示的可行性；另一方面，通過(guò)控制微膠囊的大小和分布來(lái)調(diào)節(jié)體系中染料摻雜型液晶微滴的尺寸，從而提高顯示器件的光電性能。然而，到目前為止，有關(guān)染料摻雜型液晶微膠囊化的報(bào)道主要集中在少數(shù)地區(qū)與公司，且制備的微膠囊驅(qū)動(dòng)電壓高，難以應(yīng)用于與人體密切接觸的紡織品服裝上[7-9]。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文采用乳液聚合法，利用乳化作用將染料摻雜型液晶與甲基丙烯酸甲酯單體分散成粒度均勻的液滴，通過(guò)熱引發(fā)誘導(dǎo)單體形成聚合物并遷移至油水界面形成殼材，最后通過(guò)沉降水洗獲得具有高芯材載量的染料摻雜型微膠囊。此外對(duì)染料摻雜型液晶微膠囊的光學(xué)性質(zhì)和光電性能進(jìn)行分析和討論，并將其作為絲桿印花涂料應(yīng)用在柔性導(dǎo)電織物上，以期優(yōu)化染料摻雜型液晶微膠囊的合成工藝和探索其在電刺激響應(yīng)智能紡織品上的應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

材料：向列相液晶(石家莊誠(chéng)志永華有限公司)；甲基丙烯酸甲酯(MMA)、過(guò)硫酸銨(APS)、聚乙烯醇(PVA1750)、明膠、無(wú)水乙醇(化學(xué)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；二色性染料1-氨基-2-苯氧基-4-羥基蒽(純度為99%，實(shí)驗(yàn)室合成)；分散劑(蘇州世名科技股份有限公司)；間隔子(30 μm， 蘇州納威生物科技有限公司)；氧化銦錫(ITO)玻璃(方阻為1.0×10 Ω/□，洛陽(yáng)古洛玻璃有限公司)；導(dǎo)電織物(錦綸/銀纖維混紡，銀含量為18%，面密度為215 g/m2，青島事兒紡織有限公司)。

儀器：DF-101SZ型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，鞏義市科瑞儀器有限公司; DZF-6050 型真空干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；XY-MRT型金相顯微鏡，寧波舜宇儀器有限公司；Q5000IR型熱重分析儀(TG)，美國(guó)TA公司；SU1510型掃描電子顯微鏡(SEM)、 JEM-2100型透射電子顯微鏡(TEM)，日本日立株式會(huì)社；FX-2000型光纖光譜儀，上海復(fù)享光學(xué)股份有限公司；小型印花涂布機(jī)，自制。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 染料摻雜型液晶的制備

稱取0.01 g二色性染料與1.0 g向列相液晶充分混合，磁力攪拌器溫度升至60 ℃，保溫?cái)嚢?.5 h， 然后降溫至室溫(25 ℃)，保溫?cái)嚢?.5 h，重復(fù)該操作2 h，得到具有賓主效應(yīng)的染料摻雜型液晶。

1.2.2 染料摻雜型液晶微膠囊的制備

將上述制備的染料摻雜型液晶與甲基丙烯酸甲酯加入至10 mL的燒杯中，攪拌混勻得到油相；將乳化劑和去離子水加入燒杯中，機(jī)械攪拌，得到水相；在室溫條件下，將油相緩慢加入至水相中，采用高速乳化機(jī)以10 000 r/min高速乳化5 min；再將高速乳化后的乳液轉(zhuǎn)移至250 mL三口燒瓶中，設(shè)定水浴溫度為40 ℃，轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，機(jī)械攪拌 1 h，得到水包油型(O/W型)乳液。

將乳液體系升溫至70 ℃，降低轉(zhuǎn)速至400 r/min， 滴加10 mL 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%的引發(fā)劑APS水溶液，預(yù)聚合1 h；繼續(xù)升溫至85 ℃，降低轉(zhuǎn)速至300 r/min， 再次滴加10 mL 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%的引發(fā)劑APS水溶液，反應(yīng)6 h至無(wú)明顯單體味道，得到微膠囊分散體；通過(guò)反復(fù)沉降清洗，得到染料摻雜型液晶微膠囊。

1.2.3 電致變色智能紡織品的制備

將染料摻雜型液晶微膠囊的水分散液通過(guò)沉降濃縮后，與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的PVA1750水溶液、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的明膠水溶液以3∶1∶0.1的質(zhì)量比混合，并向混合液中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的間隔子。在室溫下攪拌，使體系混合均勻，得到染料摻雜型液晶微膠囊涂層液。

將配制好的微膠囊涂層液以絲杠印刷方式在固定在ITO玻璃上的導(dǎo)電織物表面上涂膜，待涂層完全干燥后，在薄膜上加蓋另一塊ITO玻璃電極，并采用膠體進(jìn)行封裝處理，從而得到電致變色智能紡織品顯示器件,如圖1所示。按上述步驟，不添加導(dǎo)電織物得到微膠囊化前后染料摻雜型液晶器件。

圖1 智能紡織品顯示器件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of smart textile display device

1.3 性能測(cè)試與表征

1.3.1 微膠囊形貌結(jié)構(gòu)測(cè)試

取適量液晶微膠囊水分散液滴加到載玻片上，加蓋玻片后，放置于金相顯微鏡觀察臺(tái)上，觀察微膠囊形態(tài)及粒徑分布；同時(shí)觀察染料摻雜型液晶在微膠囊限域空間內(nèi)的偏光性能，并通過(guò)實(shí)時(shí)照片進(jìn)行記錄。

取少量液晶微膠囊置于鋁箔上，在室溫常壓下充分干燥，對(duì)樣品進(jìn)行噴金處理30 s，然后在掃描電子顯微鏡(最大加速電壓為5 kV)下觀察液晶微膠囊的形狀和表面形貌。

取微量液晶微膠囊水分散液滴加到碳聯(lián)銅網(wǎng)上，在室溫常壓下充分干燥后，在透射電子顯微鏡(最大加速電壓為200 kV)下觀察液晶微膠囊的形態(tài)結(jié)構(gòu)。

1.3.2 微膠囊熱性能測(cè)試

采用差示掃描量熱儀對(duì)微膠囊化前后染料摻雜型液晶的相轉(zhuǎn)變溫度變化進(jìn)行分析。設(shè)置升溫速率為 5 ℃/min, 升溫范圍為-10～100 ℃，N2流速為50 mL/min。

采用熱重分析儀對(duì)染料摻雜型液晶微膠囊芯材載量進(jìn)行檢測(cè)分析。設(shè)置升溫速率為10 ℃/min，升溫范圍為50～600 ℃，N2流速為50 mL/min。

1.3.3 光電性能測(cè)試

采用直流穩(wěn)態(tài)電壓對(duì)染料摻雜型液晶微膠囊器件及電致變色智能紡織品器件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并將器件的電致變色效果通過(guò)實(shí)時(shí)攝影記錄；固定器件驅(qū)動(dòng)電壓，使其顯示效果達(dá)到穩(wěn)定后，通過(guò)光纖光譜儀測(cè)定其在400～800 nm入射光波段下的透射光譜。測(cè)試過(guò)程中以空白ITO玻璃為參比。

2 結(jié)果與討論

2.1 染料摻雜型液晶微膠囊性能分析

2.1.1 形貌結(jié)構(gòu)

分別通過(guò)SEM和TEM對(duì)染料摻雜型液晶微膠囊進(jìn)行表征，結(jié)果如圖2所示?？煽闯?，制備的微膠囊產(chǎn)品呈球形，表面較為粗糙，粒徑約為3 μm。微膠囊具有明顯的核殼結(jié)構(gòu)，由于殼材(聚甲基丙烯酸甲酯)強(qiáng)度較高，微膠囊在干燥過(guò)程中不易發(fā)生變形。

圖2 染料摻雜型液晶微膠囊電鏡照片F(xiàn)ig.2 Electron microscope images of dye-dope liquid crystal microcapsules. (a) SEM image(×2 000); (b) TEM image(×10 000)

2.1.2 熱性能

為確定染料摻雜型液晶微膠囊芯材載量及微膠囊化對(duì)芯材相轉(zhuǎn)變特性影響，對(duì)微膠囊的熱性能進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示。采用染料摻雜型液晶和MMA殼材作參比樣，由圖3(a)可以看出，微膠囊的質(zhì)量減少主要集中在270～310 ℃和380～420 ℃， 分別對(duì)應(yīng)芯材與殼材的熱分解溫度區(qū)間，可簡(jiǎn)單計(jì)算出芯材染料摻雜型液晶載量約為70%；由圖3(b) 可以看出，MMA對(duì)液晶的受限在宏觀上主要表現(xiàn)在相轉(zhuǎn)變溫度上，而芯材在微膠囊化前后均在59.8 ℃ 出現(xiàn)相轉(zhuǎn)變點(diǎn)(見(jiàn)圖3(c))，表明染料摻雜型液晶被微膠囊化后受殼材的作用力較小，其宏觀相行為并未受到影響。

a—染料摻雜型液晶； b—聚甲基丙烯酸甲酯；c—微膠囊。圖3 染料摻雜型液晶微膠囊熱性能分析Fig.3 Thermal performance analysis of dye-doped liquid crystal microcapsules. (a) TG curves; (b) DTG curves; (c) DSC curves

2.1.3 光學(xué)性能

通過(guò)金相顯微鏡分別在復(fù)合光和偏振光下對(duì)微膠囊的光學(xué)效果進(jìn)行表征和分析，結(jié)果如圖4所示。微膠囊在光學(xué)顯微鏡(OM)視野中顯示為規(guī)整均一的球狀分布，而在偏光顯微鏡(POM)視野中呈現(xiàn)亮麗的十字花型。由于聚甲基丙烯酸甲酯本身不具有偏光效果和顯色能力，從而證明了微膠囊中染料摻雜型液晶芯材的存在和膜材料的透明性。此外，考慮到向列相液晶在限域空間內(nèi)對(duì)應(yīng)的超分子空間結(jié)構(gòu)，以及微膠囊規(guī)整的偏光效果，表明染料摻雜型液晶在微膠囊內(nèi)部以徑向?qū)R形式排列[10]。

2.2 染料摻雜型液晶微膠囊顯色分析

2.2.1 電致變色機(jī)制分析

圖5示出染料摻雜型液晶微膠囊電致變色機(jī)制。二色性染料對(duì)光的吸收系數(shù)依賴于入射光的偏振狀態(tài)，其在不同方向上對(duì)光線具有不同的消光系數(shù)，從而在視覺(jué)上顯示不同顏色。但因染料分子不具有自轉(zhuǎn)能力，所以不具有自變色性能，一般需要一個(gè)外加驅(qū)動(dòng)因素帶動(dòng)二色性染料發(fā)生偏轉(zhuǎn)而變色。本文研究將二色性染料摻雜在液晶中，二色性染料對(duì)液晶具有足夠的溶解度，且在液晶的永久偶極矩下誘導(dǎo)取向，保持與液晶分子定向的平行排列，其分子在電場(chǎng)作用下與液晶分子產(chǎn)生同位相轉(zhuǎn)動(dòng)[11]。此外研究表明，對(duì)染料摻雜型液晶進(jìn)行微膠囊化不會(huì)破壞這種賓主效應(yīng)。

圖5 染料摻雜型液晶微膠囊電致變色機(jī)制Fig.5 Electrochromic mechanism of dye-doped liquid crystal microcapsules

在無(wú)電場(chǎng)時(shí)，芯材染料摻雜型液晶在微膠囊內(nèi)呈現(xiàn)無(wú)序狀態(tài)，二色性染料對(duì)入射光吸收較強(qiáng)，在視野中表現(xiàn)為有色(紅)狀態(tài)；在外加電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下，向列相液晶分子與二色性染料分子的排列取向與電場(chǎng)方向一致，從垂直電場(chǎng)方向觀測(cè)，此時(shí)的二色性染料光軸與入射光方向平行，對(duì)入射光產(chǎn)生微弱的吸收作用，宏觀上呈現(xiàn)出無(wú)色(透明)狀態(tài)。

2.2.2 光電性能提升分析

表1示出微膠囊化前后染料摻雜型液晶顯示器件光電性能對(duì)比。染料摻雜型液晶微膠囊化會(huì)造成顯示器件驅(qū)動(dòng)電壓由2.4 V增加到3.6 V，原因在于MMA不具有導(dǎo)電性，對(duì)電場(chǎng)具有一定屏蔽效應(yīng)。此外，由于殼材MMA對(duì)光線傳輸?shù)淖璧K作用，染料摻雜型液晶器件相較微膠囊化前的透過(guò)率有所降低。進(jìn)一步對(duì)器件顯示效果分析發(fā)現(xiàn)，微膠囊化有利于提高染料摻雜型液晶顯示對(duì)比度與循環(huán)使用次數(shù)。原因在于微膠囊化有利于染料摻雜型液晶微滴的分散穩(wěn)定，在空間限域與聚合物界面錨定效應(yīng)共同作用下，有效減緩了二色性染料與向列相液晶之間相分離現(xiàn)象，提高了其循環(huán)使用穩(wěn)定性。

表1 微膠囊化前后染料摻雜型液晶光電性能對(duì)比Tab.1 Photoelectric properties of dye-doped liquid crystal before and after microencapsulation

2.3 電致變色智能紡織品器件性能分析

2.3.1 形貌分析

微膠囊涂層印花前后導(dǎo)電織物的掃描電鏡照片如圖6所示。由圖6(a)可看出，導(dǎo)電織物中纖維表面光滑平整；從圖6(b)可看出，智能紡織品器件織物中纖維表面仍很平整，微膠囊涂層與纖維具有明顯界限，涂層厚度在30 μm左右,涂層斷面處可發(fā)現(xiàn)裸露的染料摻雜型液晶微膠囊。

圖6 導(dǎo)電織物與智能紡織品器件掃描電鏡照片(×1 000)Fig.6 SEM images of conductive fabric (a) and smart textile device (b) (×1 000)

2.3.2 顯色與電致變色現(xiàn)象分析

通過(guò)外加電場(chǎng)對(duì)智能紡織品器件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，觀察器件的電致變色現(xiàn)象，結(jié)果如圖7所示。在外加電場(chǎng)為零的情況下，染料摻雜型液晶對(duì)光線強(qiáng)吸收，顯示器件保持彩色，宏觀上呈現(xiàn)特定排列的“JTDC”字符；當(dāng)器件被電壓驅(qū)動(dòng)到近似無(wú)色透明(4.5 V)后，染料摻雜型液晶對(duì)光線發(fā)生弱吸收，字符在視場(chǎng)中不可見(jiàn)。

圖7 智能紡織品器件電致變色實(shí)物圖Fig.7 Photographs of smart textile device under electrochromic process. (a) OFF state; (b) ON state

3 結(jié) 論

1) 采用乳液聚合法制備染料摻雜型液晶微膠囊，結(jié)合熱分析和光學(xué)性能表征證明，微膠囊化過(guò)程不會(huì)破壞染料摻雜型液晶的本征結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品可用于液晶顯示器件。

2) 工藝優(yōu)化后制備的染料摻雜型微膠囊粒徑大小為3 μm，熱穩(wěn)定性好，芯材載量約為70%，可顯示鮮艷的紅色，在偏振光下呈現(xiàn)出獨(dú)特的十字花型。

3) 以染料摻雜型液晶微膠囊為原料，導(dǎo)電織物為基材，氧化銦錫玻璃為透明電極可制備智能紡織品顯示器件。器件可顯示二色性染料本征顏色，具有電致變色現(xiàn)象，當(dāng)微膠囊涂層厚度為30 μm時(shí)，器件驅(qū)動(dòng)電壓約為 4.5 V。

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