服裝用電熱致變色纖維材料的制備及性能

李啟兵

(黎明職業(yè)大學 輕工學院，福建 泉州 362000)

變色服裝作為現(xiàn)代表演用的重要道具，一直備受研究者重視。但變色纖維的耐久性、變色響應性較差，阻礙了變色纖維的應用。傳統(tǒng)的變色纖維制備方法有微膠囊法[1]、復合紡絲法[2]、浸漬法[3]等。其中：復合紡絲法因熱敏性材料容易被破壞，效果不是很理想；浸漬法制備得到的變色纖維色性差，不耐洗滌；微膠囊法制備的纖維耐久性好，變色性能穩(wěn)定。本研究嘗試制備一種電熱致變色纖維，以期為表演用服裝材料的創(chuàng)新提供參考。

1 實驗材料與方法

1.1 材料與設備

實驗材料：變色微膠囊(常州漢斯化學品有限公司，直徑為3～7 μm)，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，淮安佳琪新材料科技有限公司，1.18 g/m3)，二甲基甲酰胺(DMF，山東聚富鑫旺化工有限公司，AR)，丙酮(C3H6O，南京合誠化工有限公司，AR)，無水乙醇(C2H6O，濟南喬富化工有限公司，AR)，二甲基乙酰胺(DMAC，濟南遠祥化工有限公司，AR)，無水氯化鈣(CaCl2，濟南龍杰化工有限公司，AR)。

實驗設備：UC-400DE型超聲波清洗機(廣東紅泰清洗烘干設備有限公司)，DZF-6210型真空干燥箱(無錫展霖環(huán)境實驗設備有限公司)，TS-14S型磁力攪拌器(上海沉匯儀器有限公司)，TY605型實驗用熱壓機(寧波天譽機械設備有限公司)，YRH300型紅外熱像儀(山東金煤礦山機械設備有限公司)。

1.2 實驗過程

1.2.1變色微膠囊/PMMA復合材料電熱致變色薄膜的制備

(1)將適量PMMA和DMAC溶液置于燒杯中混合均勻，加入磁子后密封燒杯口。用TS-14S型磁力攪拌器充分攪拌5 h，攪拌溫度為130 ℃，待PMMA完全溶解便得到PMMA/DMAC混合溶液。

(2)將50 mL DMAC試劑與熱致變色微膠囊混合后加入PMMA/DMAC溶液中，磁力攪拌10 min后超聲分散15 min，得到0.5 g/L的混合溶液。

(3)將混合溶液置于抽濾瓶中，在70 ℃條件下真空抽濾5 h，然后倒入自制特氟龍模具中放置12 h，待溶液變?yōu)榘肽虪顟B(tài)后，真空干燥48 h。

(4)待混合物凝固成膜后，將膜剪碎置于真空干燥箱中烘干，得到復合顆粒。將熱壓機溫度提升至120 ℃，在厚度為5 mm的特氟龍薄膜上挖出5 cm×5 cm的方形孔后，將薄膜平鋪于不銹鋼平板上。將復合材料顆粒填入特氟龍薄膜方形孔中，用兩塊鋼板將復合材料夾住，開啟熱壓機熱壓，得到復合電熱致變色薄膜。

1.2.2變色微膠囊/PMMA復合材料電熱致變色纖維的制備

(1)提前將熱壓機溫度提升至120 ℃，將經過挖孔的特氟龍薄膜平鋪在不銹鋼板上。將熱致變色微膠囊/PMMA 復合材料顆粒填入其中后，附上一張?zhí)胤埍∧ぃ⑸w上一塊不銹鋼板。

(2)開啟熱壓機對不銹鋼板施加2 MPa的載荷進行預壓，預壓時間為5 min，然后繼續(xù)對鋼板施加壓力至30 MPa，在恒溫恒壓的條件下保持20 min。

(3)停止加熱并打開冷卻水降低產品溫度至40 ℃。關閉電源，得到變色微膠囊/PMMA復合材料電熱致變色板塊。將該板塊切割成180 mm×10 mm×20 mm的條狀物。

(4)取復合材料條狀物兩條，在180 mm×20 mm一面的正中心切下凹槽。將兩個長條拼接在一起，并在中間放入一根由特氟龍制成的棒子，在熱壓機和車床的共同作用下得到復合材料預制棒，而后將預制棒置于真空干燥箱中充分干燥24 h。

(5)選擇Cu為金屬絲導電材料，通過Cu的拉絲倍率推算預制棒中心孔徑尺寸。拉絲倍率計算公式如下：

(1)

式中：dperform表示預制棒直徑，這里取18 mm；dfiber表示所需光纖的直徑，這里取500 μm。由此，測算出β=36。

為使復合聚合物與金屬絲包裹緊密，預制棒中心孔徑尺寸應遵循

(2)

微米Cu絲的直徑為80 μm，所以預制棒中心孔的直徑應小于2 880 μm。因此，預制棒的空心孔徑為2 mm，即特氟龍棒的直徑為2 mm。

(6)將空心結構的預制棒用預制棒夾固定，然后將金屬絲穿過預制棒中心孔，在預制棒尾部固定。通過纖維熱拉致變工藝對纖維進行拉制，得到中間有金屬絲的電熱致變色纖維。拉絲工藝參數(shù)如表1所示。

表1 拉絲工藝參數(shù)Tab.1 Parameters of drawing process

1.3 性能測試

1.3.1變色微膠囊/PMMA復合材料電熱致變色薄膜的光學性能和變色性能

制備不同配比的微膠囊/PMMA變色薄膜，配比見表2。將不同配比的樣品置于室溫下，觀察其顏色變化，然后提升溫度，觀察變色薄膜在不同溫度下的顏色變化[4-5]。

表2 薄膜樣品配比Tab.2 Ratio of film samples with different mass fraction

1.3.2變色纖維電響應特性測試

在通電的條件下，金屬絲導電出現(xiàn)電熱效應。在電熱效應的作用下金屬絲會產生焦耳熱，導致纖維溫度上升，包裹住金屬絲的電熱致變色復合材料受溫度上升作用，顏色慢慢從原來的綠色變?yōu)榘咨ＴO計簡易電路對20 cm的電熱致變色纖維通電，電壓為3 V，觀察電熱致變色纖維的顏色變化情況。用YRH300型紅外熱像儀探究纖維表面溫度變化，并對電熱致變色纖維顏色變化的靈敏性進行觀察[6-9]。

1.3.3纖維織物電響應特性測試

將纖維紡制成一小塊織物，以并聯(lián)的方式在每根纖維兩端分別接通電源的正負極，對織物通電，觀察織物在電壓為3 V時的顏色變化，用紅外熱像儀對織物表面溫度的變化進行觀察。

2 結果與討論

2.1 變色微膠囊/PMMA復合材料的光學性能和變色性能

由光學性能測試發(fā)現(xiàn)，隨著微膠囊與PMMA質量比的增加，薄膜顏色隨之加重且分布均勻；當微膠囊與PMMA的質量比達到8%時，透明度降低；繼續(xù)增加微膠囊與PMMA的質量比到12%后，薄膜變?yōu)椴煌该鳡顟B(tài)。由變色性能測試發(fā)現(xiàn)，隨著保溫時間的增加，薄膜幾乎全部變成白色，說明該薄膜的變色性能良好。

2.2 電熱致變色纖維的電響應特性

當電壓為3 V時，電熱致變色纖維在一個周期內的顏色變化情況和紅外成像情況如圖1和圖2所示。結合圖1和圖2可知，當纖維未通電時，顏色為綠色，此時纖維表面溫度為24.9 ℃；通電4 s后，纖維顏色慢慢變淺，呈現(xiàn)淺綠色，此時纖維表面溫度為28.2 ℃；通電10 s后，纖維顏色完全褪去，變?yōu)榧儼咨?，此時纖維表面溫度達到了33.8 ℃。此現(xiàn)象說明導電可實現(xiàn)纖維變色，纖維變色時間約10 s，變色溫度約34 ℃。待纖維完全變色后，關閉電源，觀察纖維顏色變化。關閉電源2 s后，纖維顏色變?yōu)闇\綠色，此時纖維表面溫度為29.2 ℃；關閉電源5 s后，電熱致變色纖維的顏色完全恢復，此時纖維表面溫度為26.3 ℃。這就說明纖維表面散熱性較好，變色靈敏性較優(yōu)。纖維外徑為18 mm，柔軟性較好，滿足可穿戴織物的要求[10-15]。

圖1 電熱致變色纖維顏色變化Fig.1 Color change of electrochromic fiber

圖2 電熱致變色纖維表面溫度變化Fig.2 Surface temperature change of electrochromic fiber

2.3 電熱致變色織物的電響應特性

當電壓為3 V時，電熱致變色織物在一個周期內的顏色變化如圖3所示。將電熱致變色纖維紡織成織物后，在電壓為3 V的條件下，織物的變色性能與單根纖維一致，即紡織過程并不影響纖維的電熱變色靈敏性，滿足可穿戴織物的要求。

圖3 電熱致變色織物表面溫度變化Fig.3 Surface temperature change of electrochromic fabric

3 結論

本研究采用溶液混合法制備電熱致變色微膠囊/PMMA復合材料，使用該復合材料包裹金屬，利用纖維熱拉致變方法制備出電熱致變色纖維，并對該纖維的變色性能進行探討，具體結論如下：

(1)隨著微膠囊摻雜量的增加，微膠囊/PMMA復合材料顏色加深，當微膠囊與PMMA的質量比增至12%時，復合材料由透明逐步變?yōu)椴煌该?。同時，隨著保溫時間的增加，薄膜顏色由綠色變?yōu)榘咨?/p>

(2)以電熱致變色微膠囊/PMMA復合材料預制棒為包覆材料，以銅絲為導電金屬絲，成功制備出電熱致變色導電纖維。在電壓為3 V的條件下，纖維變色時間約10 s，變色溫度約34 ℃，顏色恢復時間約5 s，靈敏性和柔軟性較優(yōu)，可用于舞臺服裝。

(3)對電熱致變色纖維進行紡織，通過并聯(lián)的方式在每根纖維兩端分別接電源的正負極。通電后，在電壓為3 V的條件下，電熱致變色織物的變色性能與變色纖維一致，說明紡織過程不影響纖維的變色性能。