有機可逆熱致變色材料的變色機理及進展分析

吳哲 劉金波 牛笑一

摘? ? 要：熱致變色指的是一些有機化合物與一些混合物在受熱或者是冷卻時，因吸收光譜而發生變化的一種性質。一些具有熱致變色特性的物質材料就被稱為熱致變色材料。熱致變色材料是由一種變色物質再加上其他成分的輔助材料所組成的功能材料，熱致變色材料的顏色可以隨著溫度的改變，從熱力學角度上來講，熱致變色材料可以分為不可逆變色和可逆熱致變色兩類。

關鍵詞：有機可逆;熱致變色材料;變色機理;應用進展

1? 引言

與傳統的無機可逆變色材料相比，有機可逆熱致變色材料的低溫變色性能較為優于傳統的變色材料。因其特殊的熱性能已受到大量研究者的關注，目前我國所研究和開發出來的有機可逆熱致變色材料的種類已經不少，如有機、液晶等種類，它們的變色機能不盡相同。近幾年低溫可逆熱致變色材料已經成為了熱點研究，特別是低溫有機可逆熱致變色材料，它具有變色明顯、顏色可自由組合以及變色溫度選擇性大等多種優勢，現已被廣泛應用于日常生產和生活的各個方面。

2? 有機可逆熱致變色材料的變色機理

2.1? 物質結構的變化

有機可逆熱致變色化合物物質結構的變化主要有晶體結構的變化、配位場與配位數的變化以及幾何構型和分子結構的變化。晶體結構的變化指的是大部分無機熱致變色化合物因晶體的轉變或者是晶格常數的變化所引起的顏色變化。從理論上來講，如碘化物、配合物以及復鹽等，從理論方面來講這類熱致變色化合物的變色特性一般具有可逆性，但在冷卻時發生晶體結構轉變的較慢，所以這類熱色性變化會在短時間內表現為不可逆。配位場與配位數的變化以及幾何構型變化，指的是因配位數的幾何構型的變化所引起的配合物顏色隨著溫度而變化。分子結構的變化指的是，由分子結構的變化所造成的有機化合物顏色隨著溫度的變化而變化。這種變化包括酸和堿、酮和烯醇以及內亞胺酸和內酰胺等物質之間的移動，有機化合物的氫遷移及分子受熱開環或者是關環等等[1]。

2.2? 有機分子中的電子轉移平衡反應

有很多物質本身是沒有熱致變色性質的，但當它與其他一些適當的化合物進行混合后，在加熱時也是會發生顏色變化的。這種可逆熱致變色化合物所發生的顏色變化是通過電子在有機分子中的轉移而吸收或者是輻射了一定的波長光，二而導致的化學平衡移動表面上便發生了顏色的變化。

2.3? 分子間的質子得失

通常有機可逆熱致變色材料的熱變色體系發色劑主要是酸堿指示劑，這類顯色劑通常是一些可以提供質子的酸弱。當溫度發生改變的時候，發色劑就會得到或者是失去質子，這個時候發色劑的酸式結構與堿性結構就會相互轉化，從而就引起顏色的變化。但通常熱變色材料的顏色變化一般都是與指示劑PH值變化的顏色變化一致[2]。

3? 有機可逆熱致變色材料的應用進展

3.1? 防偽材料

眾所周知偽造貨幣、票據以及商標等行為會產生非常嚴重的后果，因此我國一直在致力于防偽技術的研究。目前我國主要的防偽手段有水印防偽、激光防偽以及隱形條碼防偽等，其中激光全息防偽主要用于防偽商標，但激光防偽的設備價格昂貴且造價高。而基于熱致變色材料變色機理的化學防偽不僅制作簡單方便識別，而且造價成本較低，這種化學防偽在技術保密性方面和防偽有效性方面有著較大的優勢。現階段，這種化學防偽標記通常情況下都是直接印刷在商標、標簽或者是商品外包裝上面。采用有機可逆熱致變色材料所制作的防偽商標，可在一定溫度下發生可逆變化，這樣便能起到防偽的目的。這種方法生產工藝較為簡單且不易仿制，而且與無機熱致變色材料相比有機可逆熱致變色材料的耐久性較好、變色溫度以及顏色都是可以進行選擇的，目前，有機可逆熱致變色材料是我國制作化學防偽標記的首選材料。

3.2? 日用品

有機可逆熱致變色材料可用于家用電器適宜溫度的指示，例如蔬菜、水果以及各種乳制品等食品的適宜保存溫度的指示。人們還將有機可逆熱致變色材料制作成指示冷熱的智能型材料，比如將涂料鍍膜在木材或者金屬和陶瓷等基材上，也可以做成指示冷熱的可變色茶杯或者是嬰兒可用的湯勺以及奶瓶等。例如，美國一家科技公司就將熱色性涂料應用于陶瓷杯上，常溫下杯體呈夜幕色，而倒入熱水后黑夜景色就消失并顯示白天的景象，通過景象人們就可以知道水的溫度，同時還能給予我們以賞心悅目之感。應用在嬰兒可用的湯勺、奶瓶上也是同樣的道理，如果食物很燙，加在勺柄和瓶口的有機可逆熱致變色材料就會發生顏色上的變化，提醒大人目前的食物過燙不適合嬰兒食用[3]。目前變色的鉛筆、變色指甲油以及熱敏體溫計等產品都已研發流入市場，這些產品的研發給人們的日常生活帶來了極大的便利。

3.3? 建筑行業

有機可逆熱致變色材料還可用于建筑行業當中，可以制作調光窗或者是變色涂料。在室內裝潢時，人們可以選擇合適顏色的有機可逆熱致變色涂料來代替普通的建筑涂料，涂層可以隨著季節和溫度的變化呈現出不同的顏色，例如夏天的時候呈現的為冷色調，冬天的時候是暖色調。這樣一來可以起到一個美化居住環境的作用，人們的生活可以變得更為舒適。

3.4? 工業

將有機可逆熱致變色材料涂在被監視物的表面，可以長期的顯示它的一個溫度變化，這種涂層適用于一些危險區域的溫度監察警報或者是溫度指示。例如特殊低溫工業的溫度檢示以及化學反應進行過程中的溫度升降與反應熱檢測或者是電氣回路與電器過載發熱的溫度預警標識等方面。除溫度感知之外，有機可逆熱致變色材料還可以制作成電池電壓的測試片，可以將電池電能通過測試片的導電層轉化為熱能，這樣就能根據其中的可逆熱變層所發生的顏色變化來推測出干電池的電壓高低。或者可以在汽車輪胎的邊緣加入合適的熱變色材料，來制作成一種智能輪胎。當外界溫度或者是輪胎內部的溫度超過汽車輪胎的正常使用溫度的時候，汽車輪胎就會發生顏色變化給予車主以警告;當然還可以將有機可逆熱致變色材料用于制作變色車窗以及變色油漆等，變色車窗是近幾十年來各個發達國家相竟研究的一個重要課堂，現階段相關國家已有電致變色調光車窗玻璃的報道，但熱變色車窗玻璃還在進一步的研發當中[4]。

4? 結束語

總而言之，雖然在我國有機可逆熱致變色材料已經受到了廣泛的關注和應用，但在實際的應用中卻容易遭受到環境的影響，容易降低熱敏性或造成熱敏性丟失，相較無機可逆熱致變色材料來說，有機可逆熱致變色材料顯示出了優良的性能，但在高溫方面有機可逆熱致變色材料的應用還是較少，因此我們還需要加大研發力度。

參考文獻：

[1] 宋曉麗，李字明，陳靖文等.熱致變色材料在智能社會中的發展現狀及趨勢[J].精細化工，2020（3）：452～461.

[2] 謝東津，王楠楠，湯丹等.FTIR對于PVA-Cu熱致變色體系的研究[J].光譜學與光譜分析，2018（S1）：41～42.

[3] 張亞娜，王俊林，李小妹等.聚二炔酸/α-FeOOH復合材料熱致可逆變色性能[J]. 精細化工，2019（4）：609～615.

[4] 汪鵬飛，王瑞俠.具有熱致變色行為的銅配合物合成與表征的綜合性材料化學實驗設計[J].池州學院學報，2018（3）：130～132.

基金項目：

1.地板用長白山臭松改性利用技術研究，課題編號：20160828;

2.家具用山楊改性利用技術的研究成果中試，課題編號：20180706

作者簡介：

吳哲（1996—）男，漢族，安徽省涇縣人，碩士在讀，專業：林業工程。

通訊作者簡介：

牛笑一（1973—）男，碩士，教授，主要從事家具材料研究。