基于光蓄熱溫敏變色織物的制備與性能

肖 沭，嚴(yán)智瀧，文馨可，陳淑惠，吳宗淮，費(fèi) 良，殷允杰，王潮霞

（江南大學(xué)生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無(wú)錫 214122）

光熱轉(zhuǎn)化變色技術(shù)被廣泛應(yīng)用于食品保鮮［1］、防偽商標(biāo)［2］、產(chǎn)品檢測(cè)［3］、智能紡織品［4］、家居裝飾［5］、光熱治療［6-7］等領(lǐng)域。在紡織服裝行業(yè)，隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)于服飾的要求不僅限于實(shí)用性，還有對(duì)視覺(jué)效果與個(gè)性化方面的追求，由此變色紡織品逐漸出現(xiàn)在大眾的視野中。在日常生活中，人們經(jīng)常會(huì)感受到光照與溫度的變化，因此光與溫度是常用的誘導(dǎo)條件［8］。普通的光致變色材料易受外界環(huán)境條件的干擾而產(chǎn)生顯色不良與耐疲勞性差等問(wèn)題［9］，因而實(shí)際應(yīng)用受到限制。通過(guò)光熱轉(zhuǎn)化變色技術(shù)，選用合適的光蓄熱染料與溫敏變色微膠囊相結(jié)合，可以構(gòu)建可見(jiàn)光部分吸收光熱轉(zhuǎn)化變色材料，實(shí)現(xiàn)光蓄熱溫敏變色效果。

光熱轉(zhuǎn)化材料包括傳統(tǒng)的金屬、金屬納米材料、碳基材料、超分子晶體與導(dǎo)電聚合物等。其中，金屬納米材料中的納米銫鎢粉具有顆粒均勻、分散性好、光譜選擇性良好、光熱轉(zhuǎn)化效率高等特性。溫敏變色染料按照顏色改變的可逆特性可以分為可逆型與不可逆型；按照染料的化學(xué)性質(zhì)可以分為無(wú)機(jī)類(lèi)、有機(jī)類(lèi)與液晶類(lèi)；按照變色溫度范圍可以分為低溫型、中溫型和高溫型；按照變色顏色種類(lèi)可以分為單變色型與多變色型［10］。在日常生活中，有機(jī)可逆型溫敏變色染料比較適合，但是該染料易受外界環(huán)境條件的影響，其應(yīng)用與推廣受到了限制。為了減少環(huán)境影響，可以利用微膠囊化技術(shù)將其制成微膠囊染料。

本實(shí)驗(yàn)選用納米銫鎢粉作為光蓄熱材料，以溫敏變色微膠囊作為顯色染料，制得可見(jiàn)光部分吸收光熱轉(zhuǎn)化變色材料，并將其應(yīng)用于滌綸織物的印花，最終得到光蓄熱溫敏變色織物。對(duì)織物表面太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化材料的發(fā)熱性能以及溫敏變色微膠囊的變色性能進(jìn)行分析。結(jié)果表明，該光蓄熱溫敏變色織物可以在利用太陽(yáng)能的基礎(chǔ)上，對(duì)織物表面的溫度變化進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的光熱轉(zhuǎn)化以及紡織品對(duì)人體溫度的管理與監(jiān)控。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

試劑：納米銫鎢粉（Cs0.32WO3，鄭州阿爾法化工有限公司），黏合劑DH-BS（寧波市鎮(zhèn)海德匯化工有限公司），增稠劑RHT-01（江蘇新瑞貝科技股份有限公司），溫敏變色微膠囊（自制）。

儀器：NICOLET iS10 型傅里葉變換紅外光譜儀（美國(guó)賽默飛世爾科技公司），Sigma 300 型掃描電子顯微鏡（德國(guó)卡爾·蔡司股份公司），Cray50 紫外分光光度計(jì)（上海羅中紡織科技有限公司），938A 型攪拌器（廣州市祈和電器有限公司），Head Hires 640 sl 熱成像儀（德國(guó)ESW 公司），電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海安亭科學(xué)儀器有限公司）。

1.2 光蓄熱溫敏變色染料的制備

將5 g 5%的納米銫鎢粉（Cs0.32WO3）溶液、0.75 g黏合劑、0.25 g 增稠劑、19 g 水加入燒杯中，機(jī)械攪拌15 min，制成含1%Cs0.32WO3的光蓄熱染料；將5 g 5%的Cs0.32WO3溶液、0.375 g 黏合劑、0.125 g 增稠劑、7 g水加入燒杯中，機(jī)械攪拌15 min，制成含2%Cs0.32WO3的光蓄熱染料；將5 g Cs0.32WO3染料、0.75 g 溫敏變色微膠囊、0.25 g 增稠劑、0.75 g 黏合劑在燒杯中共混，機(jī)械攪拌15 min，制得Cs0.32WO3/溫變?nèi)玖匣焐玖稀?/p>

1.3 印花工藝

將Cs0.32WO3/溫變?nèi)玖匣焐玖贤ㄟ^(guò)絲網(wǎng)印花印制在滌綸雙層織物上，150 ℃焙烘7 min，得到Cs0.32WO3/溫變?nèi)玖匣焐』椢铩?/p>

將溫敏變色微膠囊與含1%Cs0.32WO3的光蓄熱染料通過(guò)絲網(wǎng)印花印制在織物的正反兩面，150 ℃焙烘7 min；再以同樣的方法獲得溫敏變色微膠囊與含2%Cs0.32WO3的光蓄熱染料印花的織物，得到兩類(lèi)Cs0.32WO3/溫變?nèi)玖想p面印花織物。

2 結(jié)果與討論

2.1 表征

2.1.1 SEM

由圖1a 可以看出，原滌綸織物的表面表現(xiàn)出了滌綸纖維表面平滑的典型特征。由圖1b、圖1c、圖1d可以看出，經(jīng)過(guò)印花處理后，織物保留了滌綸纖維的基本形貌特征，同時(shí)表面附著了部分粗糙的微膠囊結(jié)構(gòu)，充分表明了溫敏變色微膠囊已經(jīng)結(jié)合到滌綸織物表面。

2.1.2 FTIR

紅外光譜分析具有對(duì)樣品無(wú)損害、測(cè)試靈敏度高、測(cè)試區(qū)域小、測(cè)試點(diǎn)可達(dá)微米級(jí)別的特點(diǎn)，可以準(zhǔn)確地檢測(cè)出官能團(tuán)在織物上的分布，從而驗(yàn)證染料是否成功上染。采用KBr壓片法對(duì)樣品進(jìn)行紅外光譜分析，所得紅外光譜圖如圖2 所示。由圖2g 可以看出，2 930、2 850 cm-1處的特征吸收峰分別歸屬于甲基和亞甲基［11］，1 735 cm-1處為酯基的伸縮振動(dòng)吸收峰。由圖2 的其他曲線(xiàn)可知，1 534 cm-1處為N—H 的變形振動(dòng)吸收峰，3 280 cm-1處為N—H 的伸縮振動(dòng)吸收峰。由此表明經(jīng)過(guò)光蓄熱染料與溫敏變色微膠囊上染后織物含有脲醛樹(shù)脂成分，證明溫敏變色微膠囊已經(jīng)成功印染至織物表面。

2.2 光蓄熱溫敏變色織物的其他性能

2.2.1 光熱轉(zhuǎn)換性能

通過(guò)測(cè)定光蓄熱染料與溫敏變色微膠囊在不同混合方式下對(duì)織物的光熱轉(zhuǎn)化效率，并根據(jù)時(shí)間-溫度曲線(xiàn)得到光蓄熱溫敏變色織物經(jīng)過(guò)一段時(shí)間光照后的穩(wěn)定溫度，探究光蓄熱溫敏變色織物進(jìn)行光熱轉(zhuǎn)換過(guò)程后是否可以達(dá)到使溫敏變色微膠囊出現(xiàn)變色現(xiàn)象所需的溫度。通常平衡溫度越高，代表織物的光熱轉(zhuǎn)化效率越高，光蓄熱性能越好。

由圖3 可以看出，在模擬太陽(yáng)光輻射光照強(qiáng)度（500 W）下照射5 min，Cs0.32WO3/溫變?nèi)玖匣焐椢锱cCs0.32WO3/溫變?nèi)玖想p面印花織物均在2 min 達(dá)到平衡；Cs0.32WO3/溫變?nèi)玖匣焐椢锏钠胶鉁囟葹?6 ℃，相較之下，Cs0.32WO3/溫變?nèi)玖想p面印花織物的平衡溫度為38 ℃，說(shuō)明對(duì)光蓄熱染料和溫敏變色微膠囊進(jìn)行單面混合印染優(yōu)于雙面印染。因此，對(duì)光蓄熱染料和溫敏變色微膠囊進(jìn)行單面混合后印染可以獲得較好的光熱轉(zhuǎn)化性能，同時(shí)將光蓄熱染料和溫敏變色微膠囊進(jìn)行混合也可以提高染料的吸光性，進(jìn)而提高染料的光熱轉(zhuǎn)化性能。

2.2.2 溫敏變色性能

由圖4 可以看出，由溫敏變色微膠囊和納米銫鎢粉混合制備的Cs0.32WO3/溫變?nèi)玖匣焐椢锍尸F(xiàn)深紫色；而Cs0.32WO3/溫變?nèi)玖想p面印花織物則呈現(xiàn)溫敏變色微膠囊的紫色與納米銫鎢粉透過(guò)織物的顏色所形成的復(fù)合顏色，淺于混色織物。將拼色織物、1%、2%Cs0.32WO3雙面印花織物加熱到變色溫度后，織物由紫色變?yōu)闊o(wú)色。Cs0.32WO3/溫變?nèi)玖匣焐椢镲@示納米銫鎢粉的顏色（藍(lán)灰色，見(jiàn)圖4a）；而雙面印花織物則顯示Cs0.32WO3透過(guò)織物的顏色，且Cs0.32WO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，顏色越深（如圖4b、圖4c所示）。

2.2.3 顏色性能

K/S值是表征織物顏色的常數(shù)，其中K表示染料的吸收系數(shù)，S表示織物的散射系數(shù)，K/S值的大小與顏色深度呈線(xiàn)性關(guān)系，K/S值越大表示顏色越深［12］。K/S值的差值大小與顏色區(qū)分的難易程度有關(guān)，當(dāng)差值在0～0.5 時(shí)，人們無(wú)法用肉眼觀(guān)察兩種顏色的差別；當(dāng)差值在0.5～1.5 時(shí)，兩種顏色的辨識(shí)度提高，人們用肉眼仔細(xì)觀(guān)察可以看出差別；當(dāng)差值在1.5～3.0時(shí)，兩種顏色出現(xiàn)明顯差別。

比較圖5a 和圖5b 可知，圖5a 在波長(zhǎng)545 nm 處出現(xiàn)一個(gè)較強(qiáng)的吸收峰，與此波長(zhǎng)處圖5b 的K/S值差值為1.5～1.7，因此制備的光蓄熱溫敏變色織物出現(xiàn)明顯的顏色變化。

3 結(jié)論

（1）分別采用Cs0.32WO3和溫敏變色微膠囊作為光蓄熱材料和顯色材料，獲得可見(jiàn)光部分吸收光熱轉(zhuǎn)化變色材料。通過(guò)將1%、2%Cs0.32WO3光蓄熱染料與溫敏變色微膠囊以混色印花、雙面印花兩種方式印染至滌綸織物上制得Cs0.32WO3/溫變?nèi)玖匣焐玖峡椢?、Cs0.32WO3/溫變?nèi)玖想p面印花織物。兩種織物皆具有光蓄熱溫敏變色性能。

（2）通過(guò)掃描電子顯微鏡和紅外光譜分析證明Cs0.32WO3和溫敏變色微膠囊成功附著于滌綸織物表面；通過(guò)遠(yuǎn)紅外熱成像儀測(cè)試可知，Cs0.32WO3/溫變?nèi)玖匣焐椢锏钠胶鉁囟葹?6 ℃，Cs0.32WO3/溫變?nèi)玖想p面印花織物的平衡溫度為38 ℃，說(shuō)明Cs0.32WO3/溫變?nèi)玖匣焐椢锏墓庑顭嵝矢?、光熱轉(zhuǎn)化性能更好。

（3）通過(guò)對(duì)織物進(jìn)行加熱，兩種織物均出現(xiàn)變色現(xiàn)象，且變色前后織物均有1.5～1.7 的K/S值差值，說(shuō)明Cs0.32WO3/溫變?nèi)玖匣焐椢?、Cs0.32WO3/溫變?nèi)玖想p面印花織物均具有溫敏變色性能。