熱敏變色涂層厚度對織物變色性能的影響

陳 安，劉 茜

（上海工程技術大學紡織服裝學院，上海 201620）

隨著科學技術和產業水平的發展，形狀記憶、變色、智能調溫、自清潔紡織品等眾多智能紡織品在民用和產業用紡織品領域得到迅速發展。其中，變色紡織品是一種在軍事偽裝、個性服裝、家居裝飾、防偽商標等領域應用廣泛的智能紡織品［1］。國內外眾多學者對變色材料、變色紡織品的制備及變色機理等方面做了很多研究。

變色材料是一種在外界環境發生變化時，自身顏色也隨之改變的新型材料。根據激發條件的不同，主要可分為熱敏變色材料、光敏變色材料、電敏變色材料3 大類［2］。其中，熱敏變色材料具有變色反應快、顯色效果好等優點，在智能電網、智能建筑、智能醫療、智能服裝等領域應用廣泛［3］。為了將熱敏變色材料更好地應用在各個領域，中低溫熱敏變色材料成為研究重點［4］。國內外學者通過多種不同工藝制備變色性能優異的熱敏變色材料［5-7］。許多學者采用篩網印花、絲網印刷等方法制備不同的變色織物，研究黏合劑用量、烘干溫度、烘干時間等工藝條件對變色性能及織物色牢度的影響［8-11］。雖然關于熱敏變色織物制備工藝的研究較多，但是關于涂層厚度對變色材料變色性能的影響研究卻很少。Yanrong Jia 等［12-13］研究發現涂層厚度對有色材料的顏色會產生不同程度的影響。因此，研究涂層厚度對變色織物變色性能的影響極其重要。

本文以應用領域較為廣泛的中低溫熱敏變色材料為研究對象，選擇2 種不同溫度（31、65 ℃）的熱敏變色材料，在不改變黏合劑用量、攪拌時間、烘干溫度等工藝條件下，通過改變涂布機的刮刀壓力進而改變涂料用量，達到制備不同涂層厚度變色織物的目的。在制備基礎上，研究涂層厚度對變色織物基礎色相和亮度的影響，以及對變色響應速度、變色完全度等變色性能的影響。期望對未來中低溫熱敏變色產品的開發和研究提供一定的參考依據。

1 實驗

1.1 材料

織物：滌棉混紡平紋織物（滌、棉混紡比65∶35，織物厚度0.22 mm）。

試劑：31 ℃熱敏變色材料（藍色變綠色）、65 ℃熱敏變色材料（黑色變米白色）（深圳市幻彩變色科技有限公司），水性聚氨酯、增稠劑（深圳市吉田化工有限公司）。

1.2 儀器

BY-4031B 型成量電子測厚儀（揚州博裕試驗機械廠），3114 型涂布實驗機（意大利美斯丹公司），78-1 型磁力加熱攪拌器（金壇市科析儀器有限公司），ZB2020JR 型恒溫加熱臺（溫州市正邦電子設備有限公司），JA2003A 型電子天平（廣州瑞豐實驗設備有限公司）。

1.3 不同涂層厚度熱敏變色織物的制備

將2 種2 g 熱敏變色材料與4 g 水性聚氨酯、0.1 g增稠劑、6 mL 蒸餾水混合，磁力攪拌器攪拌10 min，使所有材料混合均勻，得到熱敏變色涂料。

通過控制涂布機的刮刀壓力來控制涂料用量，使涂層厚度不同。將涂料均勻地涂覆于織物表面后放入烘箱，90 ℃烘5 min 后取出，測得如表1所示的試樣涂層厚度。

表1 織物涂層參數

1.4 變色效果表征方法

采用HSB 模式［14］表征，H、S、B分別表示顏色的色相、飽和度、亮度。

31 ℃熱敏變色材料屬于色相改變，因此使用色相H表征。H值和幾種典型顏色的對應關系：紅色為0，黃色為60，綠色為120，青色為180，藍色為240，品紅為300，其他顏色的H值介于上述數值之間。65 ℃熱敏變色材料屬于亮度改變，使用亮度B表征。B值是顏色的相對明暗程度，通常用0%（黑）～100%（白）的百分數表示。在織物涂層表面隨機選取10 個點測量，取平均值。

1.5 測試

1.5.1 初始色和完全變色HSB 值

在改變溫度對織物施加熱量前，先讀取織物初始色的H值、B值，分別記為H0、B0；為了使織物完全變色，將試樣放置在高于其自身變色溫度20 ℃的環境中保持1 min，待其完全變色時再次讀取H值、B值，分別記為H1、B1，為后續測取變色完全度提供參照。

1.5.2 變色響應速度

通過恒溫加熱臺為織物試樣提供對應的變色溫度，當加熱臺達到變色溫度時開始計時，通過相機拍攝織物變色的全過程。待觀察到織物完全變色后再恒溫保持5 min，確保織物完全變色；通過獲取織物的HSB 值分析變色情況，當獲取的HSB 值與完全變色HSB 值保持基本一致時，記錄所需的變色時間，得到變色響應速度。

1.5.3 變色完全度

通過相機拍攝織物變色的全過程，分別記錄不同時間對應的織物H值、B值，并與完全變色時的H1、B1值對比，通過二者比值表征織物的變色完全度。

1.5.4 變色效果

通過恒溫加熱臺給31 ℃熱敏變色材料提供25～35 ℃的溫度區間，給65 ℃熱敏變色材料提供60～70 ℃的溫度區間。通過相機拍攝溫度區間內每個溫度對應的變色情況，以獲取織物的HSB 值，分析織物的變色效果。

2 結果與討論

2.1 初始色和完全變色HSB 值

運用Photoshop 軟件對相機拍攝的織物變色過程進行照片截取及顏色識別，在HSB 色彩模式中測取對應的H值和B值。

由圖1a 可知，涂層厚度對熱敏變色織物的初始色相H0值基本沒有影響，但對完全變色時的色相H1值有明顯影響，隨著涂層厚度的增加，H1值逐漸增大，說明涂層厚度增加導致顏色疊加變深。試樣T1的H1值為165.9，表面顏色為綠色；試樣T6的H1值為183.2，表面顏色為青綠色（如圖2a 所示）。由圖1b 可知，隨著涂層厚度的增加，在完全變色時，黑色變為米白色，由于厚度更厚，米白色出現疊加，涂層顏色發暗，亮度減小（如圖2b所示），B1值逐漸降低。

圖1 不同涂層厚度熱敏變色織物的初始色和完全變色HSB 值

圖2 熱敏變色織物發生完全變色時的圖片

2.2 變色響應速度

由圖3 可以看出，隨著涂層厚度的增加，2種熱敏變色材料的變色響應時間逐漸延長，變色響應速度下降。這是因為涂層越厚，溫度傳遞受到的阻礙越大，溫度傳遞越慢。在相同溫度下，越厚的涂層需要越長的時間來彌補受阻的溫度傳遞。

圖3 不同涂層厚度熱敏變色織物的變色響應時間

2.3 變色完全度

由圖4a、圖5a 可以看出，隨著時間的延長，變色織物的變色完全度逐漸升高，從局部不完全變色到完全變色。在相同的變色時間內，涂層越薄，變色完全度越高，這是因為涂層越薄，熱傳遞效果越好，變色越完全；反之亦然。同時涂層越厚，達到完全變色所需時間也越久。此外，涂層越薄，變色完全度增長速率越快，反之越慢。

由圖4b、圖5b 可以看出，隨著變色時間的延長，變色完全度逐漸提高。但是隨著涂層厚度的增加，在相同的變色時間內，變色完全度呈下降趨勢。在前半段，涂層越薄，熱傳遞效果越好，變色反應越快；在后半段，較薄的涂層已經由黑色變為米白色，亮度從低變為高，隨著時間的延長，亮度緩慢變化且不明顯，曲線斜率小。較厚的涂層還處在從黑色變為米白色，亮度由暗變亮的過程，跨度較大。因此，涂層越厚，曲線斜率在后半段越大。

圖4 熱敏變色織物的變色完全度

圖5 熱敏變色織物在不同時刻變色情況的圖片

2.4 變色效果

由圖6a 可以看出，隨著溫度的升高，不同厚度涂層對應的H值均逐漸降低。圖中曲線斜率最大處對應的橫坐標區間為變色織物色相發生最大改變的溫度區間，區間右端點為色相完成最大變化的點，也就是激發熱敏變色織物發生顏色改變的臨界溫度。從圖中可以得出，試樣T1、T2、T3、T4、T5和T6的激發溫度分別為31、32、33、35、34、34 ℃。盡管31 ℃熱敏變色材料的變色溫度為31 ℃，但是隨著涂層厚度的增加，激發變色的臨界溫度會逐漸升高，這與涂層厚度阻礙溫度的傳遞有關。

由圖6b 可知，隨著溫度的升高，不同厚度涂層所對應的亮度B值均逐漸增大。圖中斜率最大處的區間右端點代表熱敏變色織物的激發溫度。從圖中可以看出，試樣T1′、T2′、T3′、T4′、T5′、T6′的激發溫度分別為65、65、66、67、67、68 ℃。隨著涂層厚度的增加，溫度傳遞受阻，變色溫度逐漸升高，當溫度高于熱敏變色材料原本的變色溫度時，涂層織物發生變色。

圖6 不同激發溫度下熱敏變色織物的HSB 值

3 結論

2 種變色溫度不同的熱敏變色材料，涂層厚度不同對變色性能造成直接影響。涂層厚度影響變色織物基礎色相、亮度和溫度的傳遞效果，織物的變色響應速度、變色完全度和變色效果都會有差異。因此，在開發各種變色產品，如變色織物、智能變色服裝、軍用偽裝服時，要充分考慮涂層厚度對變色性能的影響，以保證產品變色效果的精準、一致、可重現，進而對變色織物的生產工藝提出更高的要求。