棉織物溫敏變色微膠囊印花工藝及溫變色性能

吳飛揚(yáng)，吳映妮，王楚元，趙炳乾，潘學(xué)坤，張 婉，劉雯雯，王潮霞

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

溫敏變色材料是一種對(duì)溫度變化響應(yīng)的新型智能材料，能夠通過(guò)自身顏色變化表征環(huán)境溫度的變化，應(yīng)用范圍可從簡(jiǎn)單的示溫作用拓展到印刷［1］、涂料［2］、防偽［3］和生活用品［4］等方面。在紡織品領(lǐng)域中將溫敏變色材料應(yīng)用于織物，當(dāng)人體體溫或環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，經(jīng)過(guò)處理的織物表面會(huì)產(chǎn)生“動(dòng)態(tài)”的色彩和花紋［5］，不僅賦予紡織品美感與趣味性，還能起到一定的指示和保護(hù)作用，給人們的生活帶來(lái)便利。溫敏變色材料還可用于開(kāi)發(fā)智能變色服裝，例如帶有溫度指示功能的兒童服裝［6］，家長(zhǎng)可以從織物顏色的變化隨時(shí)獲知嬰幼兒的體溫情況以達(dá)到提醒防護(hù)功能，方便對(duì)嬰幼兒的及時(shí)護(hù)理。

溫敏變色材料顏色豐富，變色靈敏度高，但同時(shí)也存在熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性差［7］以及溶劑泄露等問(wèn)題。因此，要選用透明性好的殼材包覆溫敏變色材料，將制得的溫敏變色微膠囊作為溫變色涂層以隔絕外界物質(zhì)對(duì)內(nèi)部芯材的影響，減小殼材自身顏色對(duì)溫變微膠囊變色性能的影響［8］，避免高溫、強(qiáng)酸性或雜質(zhì)污染引起的不可逆顯色，從而獲得穩(wěn)定耐用的溫變色印花織物，增強(qiáng)織物的耐光性，提高微膠囊的化學(xué)穩(wěn)定性［9］。本實(shí)驗(yàn)采用絲網(wǎng)印花的方式，按一定比例將溫敏變色微膠囊、黏合劑、增稠劑等混合制成印花漿，制備具有溫敏變色性能的印花棉織物。考察溫變微膠囊用量、黏合劑用量等印花工藝條件對(duì)棉織物顏色深度、耐皂洗色牢度、溫變色可逆性的影響。此外，將不同變色溫度的紅、藍(lán)溫變微膠囊與黃色染料以不同比例混合制備拼色印花棉織物，拓展溫變顏色數(shù)目并獲得連續(xù)多變色性能，使織物在溫度（34～40 ℃）波動(dòng)時(shí)可以指示多個(gè)溫度點(diǎn)，達(dá)到多溫度點(diǎn)連續(xù)顏色警示的目的。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料及儀器

織物：棉布（330 根/10 cm×230 根/10 cm）；試劑：黏合劑HB-6020（廣州譽(yù)衡環(huán)保材料有限公司），增稠劑（FILO COLORS 公司），蜜胺樹(shù)脂溫敏變色微膠囊（自制）。儀器：KQ-3200 型超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司），SU1510 型掃描電子顯微鏡（日立株式會(huì)社），R-3 型焙烘機(jī)（臺(tái)灣瑞比染色試機(jī)有限公司），Brookhaven 型Zeta 電位與粒徑分析儀（Brookhaven 儀器公司），YG（B）982X 型標(biāo)準(zhǔn)光源箱、SW-12A 型耐洗色牢度實(shí)驗(yàn)機(jī)（溫州市大榮紡織標(biāo)準(zhǔn)儀器廠），X-Rite 8400 型電子測(cè)色配色儀（美國(guó)愛(ài)色麗股份有限公司）。

1.2 溫敏變色微膠囊印花棉織物的制備

將微膠囊分散在一定量水中，加入適量黏合劑，分散均勻后滴入適量增稠劑，攪拌均勻獲得印花漿，通過(guò)絲網(wǎng)印花的方式對(duì)棉織物進(jìn)行3 次印花，置于焙烘機(jī)中80 ℃預(yù)烘5 min，155 ℃焙烘2 min，皂洗，烘干，制得溫敏變色微膠囊印花棉織物。

1.3 測(cè)試與表征

表面形貌：取1 g 溫敏變色微膠囊于50 mL 無(wú)水乙醇中，超聲10 min 后用膠頭滴管滴于硅片上，待無(wú)水乙醇揮發(fā)后，用導(dǎo)電銅膠將硅片（或涂層棉織物）粘貼在鋁板上，在真空條件下用噴射涂層機(jī)噴金處理后，利用掃描電子顯微鏡觀察。

溫敏變色性能：將加熱器置于標(biāo)準(zhǔn)光源箱中，在D65光源下，將印花棉織物從34 ℃升溫至40 ℃，再進(jìn)行自然降溫。利用iPhone 6s plus 拍攝印花棉織物的溫變色過(guò)程，每隔1 ℃截圖并利用Photoshop 軟件的取色工具讀取圖片的 RGB 值［10］。

耐皂洗色牢度：根據(jù)GB/T 3921—2008《紡織品色牢度試驗(yàn)?zāi)驮硐瓷味取窚y(cè)試。

溫變可逆性：利用測(cè)色配色儀CIELab 測(cè)色系統(tǒng)測(cè)量溫敏變色微膠囊印花棉織物在室溫時(shí)的K/S值，再利用加熱器將印花棉織物加熱至50 ℃保持1 min，顏色褪去后再次測(cè)量K/S值［11］，重復(fù)操作30次。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫敏變色微膠囊及其印花棉織物微觀形貌

從圖1a 可看出，溫敏變色微膠囊呈規(guī)則球形，表面光滑，囊壁均勻，粒徑分布較集中，范圍在2～5 μm。由圖1b 可以看出，大量微膠囊覆蓋在棉織物表面，在黏合劑的作用下均勻地在纖維表面形成微膠囊膜。選用的微膠囊表面不含活性基團(tuán)，本身對(duì)纖維無(wú)作用力，通過(guò)黏合劑成膜被包埋在棉織物表面與內(nèi)部縫隙之間。微膠囊保護(hù)殼材內(nèi)部溫變色組分使發(fā)色劑與顯色劑間的電子轉(zhuǎn)移在加熱過(guò)程中免受酸、堿、有機(jī)溶劑等因素的影響，從而起到保護(hù)變色性能的作用，提高材料穩(wěn)定性與環(huán)境不耐受性，確保了加熱冷卻過(guò)程中溫變色性能的實(shí)現(xiàn)。黏合劑將無(wú)纖維反應(yīng)性的微膠囊粘貼在棉織物上，使溫敏變色微膠囊在織物上能夠穩(wěn)定地存在。

圖1 （a）溫敏變色微膠囊和（b）溫變色棉織物形貌

2.2 溫變色棉織物顏色深度的影響因素

2.2.1 溫敏變色微膠囊用量

從圖2 可以看出，紅色微膠囊用量從6%增加到10%時(shí)，K/S值從4.302 升至11.489，增幅較大；當(dāng)微膠囊用量從10%增加到12%時(shí)，K/S值從11.489 升至11.580，增幅極小，說(shuō)明當(dāng)微膠囊用量為10%時(shí)，達(dá)到染色飽和，繼續(xù)增加微膠囊用量不會(huì)顯著提高顏色深度。藍(lán)色微膠囊用量從6%增加到10%時(shí)，K/S值從2.707 升至8.755，增加了6.048；當(dāng)微膠囊用量從10%增加到12%時(shí)，K/S值從8.755 升至8.926，僅增加了0.171，與紅色微膠囊用量數(shù)據(jù)結(jié)論一致。綜合考慮，紅、藍(lán)溫敏變色微膠囊最佳用量均為10%，可獲得較鮮艷、溫敏變色效果顯著的印花棉織物，原因是黏合劑可以在棉織物表面交聯(lián)成膜而充分包埋溫敏變色微膠囊，使棉織物顏色均勻；當(dāng)微膠囊用量進(jìn)一步增加時(shí)，通過(guò)黏合劑成膜與棉織物結(jié)合的微膠囊數(shù)量過(guò)多，產(chǎn)生浮色，在皂洗中被洗去。

圖2 微膠囊用量對(duì)溫變色棉織物顏色深度的影響

2.2.2 黏合劑用量

由圖3 可以看出，黏合劑用量在12%～18%時(shí)，紅色印花棉織物K/S值逐漸增大；黏合劑用量為18%～24% 時(shí)，K/S值從 10.923 降到 8.296；黏合劑用量為18%時(shí)，棉織物的K/S值達(dá)到最大值10.923，這是因?yàn)?0%用量的微膠囊恰好能被18%的黏合劑固著在棉織物上；當(dāng)黏合劑用量為21%和24%時(shí)，棉織物的K/S值分別為 9.808 和 8.496，相比最大K/S值下降了1.115、2.427，下降幅度較大。藍(lán)色印花棉織物也呈此變化趨勢(shì)。以上現(xiàn)象可以解釋為，18%的黏合劑可以使溫敏變色微膠囊和棉織物充分結(jié)合，使棉織物獲得較深且均勻的顏色，黏合劑用量再增加不能使交聯(lián)反應(yīng)發(fā)揮更大的作用，過(guò)多的黏合劑將微膠囊稀釋?zhuān)炊斐煽椢锏腒/S值大幅下降。從人眼對(duì)顏色識(shí)別的局限性以及經(jīng)濟(jì)角度綜合考慮，黏合劑用量為18%時(shí)，已經(jīng)足夠充分地粘貼用量為10%的微膠囊，可獲得具有顯著溫敏變色效果的印花棉織物。

圖3 黏合劑用量對(duì)溫變色棉織物顏色深度的影響

綜上所述，選用的溫敏變色微膠囊性質(zhì)穩(wěn)定，變色規(guī)律一致，微膠囊顏色對(duì)印花漿的工藝不造成影響。

2.3 黏合劑用量對(duì)棉織物耐皂洗色牢度的影響

黏合劑的成膜性在一定程度上提高了涂層織物的耐皂洗色牢度［12］。表1 中，當(dāng)黏合劑用量從6%增加到18%時(shí)，棉織物耐皂洗變色牢度逐漸增加，從2 級(jí)增加到5 級(jí)。這是因?yàn)殡S著黏合劑用量的增加，黏合劑在棉織物表面成膜固定微膠囊的作用力更強(qiáng)，固著在織物表面的微膠囊數(shù)量越多且更加牢固。當(dāng)黏合劑用量達(dá)到21%與24%時(shí)，涂層棉織物的耐皂洗變色牢度僅為3～4 級(jí)。此時(shí)黏合劑用量過(guò)高，微膠囊黏附在黏合劑上，皂洗時(shí)隨著黏合劑成塊脫落，導(dǎo)致耐皂洗變色牢度較低。選用的溫敏變色微膠囊表面不含活性基團(tuán)，對(duì)纖維無(wú)作用力，依靠黏合劑的作用固著在纖維上，白色襯布不易沾色，因此耐皂洗沾色牢度均為5 級(jí)。綜合考慮顏色深度與耐皂洗色牢度，選取黏合劑用量為18%進(jìn)行印花，耐皂洗色牢度最好，達(dá)到5級(jí)。

表1 黏合劑用量對(duì)棉織物耐皂洗色牢度的影響

2.4 溫變色棉織物的溫變可逆性

10%溫敏變色微膠囊和18%黏合劑印花棉織物的溫變可逆性見(jiàn)圖4。

圖4 10%溫敏變色微膠囊和18%黏合劑印花棉織物的溫變可逆性

從圖4 可以發(fā)現(xiàn)，印花棉織物在反復(fù)升降溫30次后仍具有較好的變色性能。加熱至50 ℃再恢復(fù)至室溫，印花棉織物的K/S值與測(cè)試前相比無(wú)明顯變化和波動(dòng)，對(duì)變色靈敏度的影響較小。由此說(shuō)明選用的溫敏變色微膠囊的溫變可逆性?xún)?yōu)異，微膠囊殼材對(duì)溫敏變色材料起到了良好的包覆和保護(hù)作用，使之能夠反復(fù)地進(jìn)行顯色與褪色，延長(zhǎng)溫敏變色材料的使用壽命。

2.5 印花棉織物溫敏變色性能

從圖5、圖6 可知，紅、藍(lán)色溫敏變色微膠囊印花棉織物的變色區(qū)間分別為34～37 ℃和36～38 ℃。34～37 ℃時(shí)，紅色明顯褪去；36～38 ℃時(shí)，藍(lán)色明顯褪去。

圖6 藍(lán)色溫敏變色微膠囊印花棉織物隨溫度變化連拍圖

從表2可以看出，34～40 ℃時(shí)，紅色溫敏變色微膠囊涂層棉織物R（紅）值在一定范圍內(nèi)擺動(dòng)但基本穩(wěn)定，G（綠）、B（藍(lán)）值均明顯增大，分別增至231、222。其中，34～37 ℃時(shí)，G、B值上升趨勢(shì)明顯，分別增至228、212。說(shuō)明紅色溫敏變色微膠囊印花棉織物在34～37 ℃內(nèi)有明顯的顏色變化。34～36 ℃時(shí)，藍(lán)色溫敏變色微膠囊涂層棉織物R、G、B值均在極小范圍內(nèi)擺動(dòng)且基本穩(wěn)定，36～38 ℃時(shí)，R、G、B值均有增加，分別從54、103、172增至195、197、200。說(shuō)明藍(lán)色溫敏變色微膠囊印花棉織物在36～38 ℃內(nèi)有明顯的顏色變化。

表2 溫變色棉織物升溫過(guò)程顏色參數(shù)變化

根據(jù)紅、藍(lán)色溫敏變色微膠囊的變色特點(diǎn)，將紅、藍(lán)色微膠囊和黃色染料以不同比例混合，制得印花棉織物。由表3 可以看出，34 ℃時(shí)棉織物顯示為紅黃藍(lán)3 色的混合色；當(dāng)溫度上升至37 ℃時(shí)，紅色首先褪去，此時(shí)棉織物顯示為黃藍(lán)兩色的混合色；當(dāng)溫度繼續(xù)上升至40 ℃時(shí)，藍(lán)色褪去，此時(shí)織物顯示為黃色。實(shí)現(xiàn)了通過(guò)紅、藍(lán)色溫敏變色微膠囊配合黃色染料來(lái)獲取多種顏色的印花棉織物，且具有在不同溫度連續(xù)多變色性能。

表3 不同比例的紅、藍(lán)色溫敏變色微膠囊與黃色染料拼色印花棉織物在34～40 ℃的顯色情況

3 結(jié)論

通過(guò)紅、藍(lán)色溫敏變色微膠囊配合黃色染料絲網(wǎng)印花制備了具有多色系、連續(xù)變色的溫變色棉織物。綜合顏色深度和色牢度得到最佳的印花工藝為溫敏變色微膠囊用量10%、黏合劑用量18%，此時(shí)印花棉織物的K/S值最大，耐皂洗色牢度最好（達(dá)5級(jí)），經(jīng)過(guò)30 次加熱-冷卻循環(huán)，仍具有良好的顏色深度和溫變色性能。另外，按一定比例將溫敏變色紅色、藍(lán)色微膠囊與黃色染料進(jìn)行拼色，得到色彩豐富且具有連續(xù)多變色特點(diǎn)的印花棉織物，拓寬了溫敏變色微膠囊印花棉織物的顏色范圍，為制備多溫度點(diǎn)變色棉織物提供了新思路。