溫致變色塑料的研究進(jìn)展

鄭瓊娟 薛發(fā)珍（等同一作）

(國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心,廣東 廣州510700)

溫致變色塑料能夠通過(guò)改變自身顏色來(lái)顯示溫度的變化,該特性可使塑料產(chǎn)品增加一些特殊的功能和外觀美感。其溫致變色效果來(lái)自于溫致變色材料的使用, 溫致變色材料是指某些物質(zhì)材料在感受外界溫度變化的同時(shí)自身顏色產(chǎn)生變化, 其顏色變化伴隨自身物理或化學(xué)結(jié)構(gòu)的改變, 物質(zhì)結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致其光譜特性的轉(zhuǎn)變,從而展現(xiàn)出宏觀顏色的改變。長(zhǎng)期以來(lái),塑料溫致變色的應(yīng)用受到技術(shù)方面的限制, 但目前新技術(shù)的發(fā)展使得其應(yīng)用領(lǐng)域有望近一步得到拓寬。

1 溫致變色材料[1]

1.1 不可逆溫致變色材料

不可逆溫致變色材料加熱到一定溫度后顏色會(huì)發(fā)生變化,而冷卻后顏色不能恢復(fù)也不變化,其顏色變化是不可逆的,因此其只能記錄承受過(guò)的最高溫度。不可逆熱致變色材料種類多樣,常用的有錳、鈷等的磷酸鹽、硝酸鹽、硫酸鹽、硫化物、氧化物以及苯酚化合物等。

1.2 無(wú)機(jī)可逆溫致變色材料

無(wú)機(jī)可逆溫致變色材料主要有金屬及其氧化物、鹵化物,金屬氧化物的多晶體,過(guò)渡金屬配合物等。無(wú)機(jī)溫致變色材料具有良好的耐溫性、光穩(wěn)定性以及較好的加工性能,合成成本較低,可以在200℃以上使用;然而其變色單一、靈敏度不高,且有毒和腐蝕性,并且無(wú)法自主控制變色溫度和顏色,導(dǎo)致應(yīng)用受限。

1.3 液晶可逆溫致變色材料

液晶可逆溫致變色材料主要有膽甾液晶、近晶液晶及向列液晶三大類。膽甾型液晶可形成螺旋結(jié)構(gòu),其層間距命名螺距,螺距會(huì)隨溫度變化而產(chǎn)生變化,不同螺距可以反射不同波段的光, 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)顏色的變化。其優(yōu)點(diǎn)是變色溫度較低(23-42℃)且變色靈敏,能夠連續(xù)多層次可逆變色;缺點(diǎn)是易反應(yīng),導(dǎo)致變色效果變差,貯存期短,穩(wěn)定性較差,需避光保存或使用,而且其成本高,導(dǎo)致其推廣和應(yīng)用受限。

1.4 有機(jī)可逆溫致變色材料

有機(jī)可逆溫致變色材料數(shù)量較多, 根據(jù)其命名方式可分為:吲哚啉苯酞類、三芳甲烷苯酞類、熒烷類等。有機(jī)可逆溫致變色材料在200℃下的溫度范圍內(nèi)其綜合性能最優(yōu), 成為研究的熱點(diǎn)。但其本身存在一定缺陷:如耐熱性差,工作溫度受限; 化學(xué)穩(wěn)定性差,在強(qiáng)酸或強(qiáng)堿條件下容易變性,導(dǎo)致其應(yīng)用受限。隨著微膠囊化技術(shù)的發(fā)展, 應(yīng)用微膠囊化技術(shù)可以有效改進(jìn)有機(jī)可逆溫致變色材料的使用性能,提高其保存穩(wěn)定性和使用功能性。

2 溫致變色塑料的加工工藝

2.1 涂層工藝

涂層工藝是在塑料成型后將溫致變色涂料涂覆于塑料表面,其工藝簡(jiǎn)單、操作便捷,溫致變色涂層在表面,因此其靈敏度較高, 但由于涂層容易脫落等原因, 其耐久性相應(yīng)也較差。如CN101418094[2]通過(guò)在無(wú)色普通油墨的基礎(chǔ)上加入至少一種可逆溫變顏料MC 粉制成溫變油墨, 用激光整面刻蝕法對(duì)基底防老化/或防液滴膜面進(jìn)行處理后, 采用絲網(wǎng)印刷法將溫致變色油墨薄層涂覆于基底膜上后再將防液滴/或防老化膜熱粘壓于膜上制成防老化、防液滴、常溫可逆溫致變色三層復(fù)合農(nóng)膜。所生產(chǎn)的多功能可逆溫變農(nóng)膜能隨環(huán)境溫度條件變化而反復(fù)可逆改變農(nóng)膜的顏色及透光性、吸熱性和反光性,利用溫致變色特性賦予農(nóng)用塑料薄膜以調(diào)節(jié)地溫或棚溫的作用。再如CN205493385U[3]在塑料杯體表面涂覆一層溫致變色層,根據(jù)不同溫度顏色會(huì)發(fā)生變化方便人們直觀判斷溫度,避免燙傷。

2.2 注射成型

目前,注射成型是溫致變色塑料的主要加工工藝,并將繼續(xù)主導(dǎo)加工工藝的發(fā)展趨勢(shì)。如CN110615931A[4]將溫致變色材料直接或CN107841049A[5]制備成溫致變色微膠囊或CN108948431[6]制備成溫致變色母料,與塑料基體和加工助劑進(jìn)行熔融共混、擠出造粒,并根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求制備不同形狀的制品。該工藝將溫致變色材料均勻分布在基體材料中,可賦予產(chǎn)品較長(zhǎng)時(shí)間的溫致變色性, 但需要注意加工過(guò)程對(duì)溫致變色材料性能的影響,可通過(guò)微膠囊化使得芯材溫變材料受熱影響小,從而可以有效地保護(hù)變色組分,使其能經(jīng)受住長(zhǎng)期的受熱,能穩(wěn)定地來(lái)回變色,并賦予緩釋性:如CN107841049A[5]采用三苯甲烷金屬絡(luò)合物為芯材, 三聚氰胺甲醛樹脂為壁材制備了溫致變色微膠囊,溫致變色微膠囊的粒徑要適當(dāng),才能保證較好的包覆變色均勻性以及加工分散性。

3 溫致變色塑料的應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 汽車領(lǐng)域

隨著人們個(gè)性化需求的增加, 人們希望汽車制件的顏色能從靜態(tài)的單一顏色轉(zhuǎn)為隨著環(huán)境的變化而變色的效果。如CN107841049A[5]將具有溫致變色的聚丙烯組合物通過(guò)注塑成型應(yīng)用于汽車儀表板、副儀表板、座椅、門板、保險(xiǎn)杠或立柱中。

3.2 日常生活用品領(lǐng)域

可使用溫致變色材料用于加工制造嬰兒奶瓶 (如105878037A[7])或湯匙,家人可通過(guò)嬰兒奶瓶或湯匙顏色的變化來(lái)確定牛奶或食物的溫度是否適合嬰兒食用; 同樣也可用于加工制造飲用水杯,如CN205493385U[3],在杯體的表面設(shè)有溫致變色涂層, 可以通過(guò)水杯顏色的變化直觀判斷水的溫度是否適合飲用。還可應(yīng)用于眼鏡、手表、手環(huán)等用品中,如CN108948431[6],溫致變色材料應(yīng)用于日常生活,將大大提高生活品質(zhì)和體驗(yàn)。

3.3 手機(jī)外殼

現(xiàn)有的手機(jī)外殼圖案和顏色單一,如果要變換圖案就要換外殼, 操作不方便, 且浪費(fèi)資源。通過(guò)溫致變色材料的使用,如CN101834924A[8],將溫致可逆變色材料經(jīng)澆注成所述手機(jī)外殼,可實(shí)現(xiàn)無(wú)需更換外殼, 隨溫度變化即可使手機(jī)外殼顯示不同圖案,節(jié)省費(fèi)用,節(jié)省資源;采用溫致變色材料,圖案還可以根據(jù)溫度變換,增添使用樂(lè)趣。

3.4 家電領(lǐng)域

家用電器具備溫敏性,能夠起到警示或裝飾作用,避免燙傷或帶來(lái)安全隱患。如CN105509141A[9]通過(guò)在暖風(fēng)出風(fēng)口上應(yīng)用“溫致變色”技術(shù),保證了暖風(fēng)出風(fēng)口在出暖風(fēng)時(shí)有了較明顯的顏色變化,達(dá)到了警示(提示)及裝飾作用。如CN201903132U[10]通過(guò)在空調(diào)的結(jié)構(gòu)中,塑料粒子內(nèi)添加溫致變色粉,產(chǎn)品注塑出來(lái)冷卻后成本色(冷色調(diào)或暖色調(diào), 以便使用中產(chǎn)生明顯視覺差異),在產(chǎn)品運(yùn)行中受環(huán)境溫度的影響產(chǎn)生顏色變化。使得冷熱功能“模式”能通過(guò)顏色變化直觀的反映出來(lái),而當(dāng)顧客不注意或者老年人因顯示字體較小看不清時(shí),能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)操作錯(cuò)誤,保證了使用的有效時(shí)間。使用非常方便,增加顏色的變化功能,解決現(xiàn)實(shí)生活中易出現(xiàn)的問(wèn)題,達(dá)到產(chǎn)品人性化的效果。

4 結(jié)論

個(gè)性化產(chǎn)品對(duì)于視覺效應(yīng)的興趣與日俱增,這為溫致變色塑料提供了廣闊的發(fā)展空間。微膠囊化等技術(shù)的出現(xiàn),可以提高溫致變色材料的穩(wěn)定性, 這為溫致變色塑料的進(jìn)一步發(fā)展提供了技術(shù)支持。