可逆感溫變色非織造材料的制備及性能研究

陳 遲 薛孟迪 李婷婷 王 慧 付譯鋆,2

（1.南通大學，江蘇南通，226019；2.安全防護用特種纖維復合材料研發國家地方聯合工程研究中心，江蘇南通，226019）

傳統紡織品不能感知外界變化而傳遞信息。隨著數字信息化時代的發展，傳統紡織品開始與智能仿生領域相結合［1］。其中感溫變色紡織材料可通過感知外界溫度變化做出變色反應并傳達信息［2］，實現偽裝變色，在服裝［3］、醫療健康［4］和軍事偽裝［5］等領域具有廣泛應用。感溫變色材料可根據環境溫度范圍設置不同的變色響應溫度，例如可感知體溫的變色嬰幼兒服飾，家長可通過服裝的色彩變化，實時監測嬰幼兒的體溫變化；在軍事作戰中，穿越綠林和曠野區等不同地形時，軍用偽裝服能夠根據地表溫度的變化完成環境偽裝變色。

感溫變色材料顯色豐富，變色靈敏度高，顏色多樣，主要分為有機、無機和液晶三類［6-7］。其中，液晶類感溫變色材料的靈敏度高，變色范圍廣，但成本高，耐久性差，保存周期短，應用受到一定的限制。無機類感溫變色材料主要由金屬氧化物和金屬配合物等構成，具有良好的耐久性，耐光耐高溫性，但其變色靈敏度低，顏色單一，并且具有較大的毒性和腐蝕性，對人體有害［8］。有機感溫變色材料具有成本低、安全性高、可多樣混合、顏色多變、變色溫度可調節等優點［9-10］，是目前應用比較廣泛的一類感溫變色材料。

常見的感溫變色紡織材料的制備方法有染色、印花、浸漬、涂層等［11］。其中，絲網印刷具有操作簡單、一步成形、適用基材和媒介范圍廣、花色多變、可規模化生產等優點。本研究以感溫變色油墨和非織造材料為原料，通過絲網印刷工藝制備可逆感溫變色非織造材料，研究分析絲網印刷前后試樣的微觀形貌和化學結構變化，并重點分析了絲網印刷次數對非織造材料厚度、機械力學、變色性能以及皂洗色牢度的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

試驗原料均為外購，包括聚丙烯（PP）紡黏非織造材料（面密度47 g/m2）、感溫變色油墨DF-紅色31 ℃和感溫變色油墨DF-深藍35 ℃。

1.2 可逆感溫變色非織造材料的制備

以紅色感溫變色油墨為涂料，對PP紡黏非織造材料進行絲網印刷后整理，并在60 ℃烘干，待試樣冷卻后，重復進行絲網印刷，分別得到不同印刷次數的紅色感溫變色非織造材料。

為了研究人體皮膚直接接觸情況下感溫變色非織造材料的感溫變色效果，將紅色和藍色感溫變色油墨混合均勻后對PP紡黏非織造材料進行絲網印刷后整理，并在60 ℃烘干，得到紅藍復合感溫變色非織造材料。

1.3 性能測試

1.3.1 表面微觀形貌

采用KYKY2800SEM型掃描電子顯微鏡對絲網印刷整理前后非織造材料的表面形貌進行觀察。

1.3.2 紅外光譜

采用Nicolet iS10型傅里葉變換紅外光譜儀對絲網印刷整理前后的非織造材料進行紅外光譜分析，波長范圍4 000 cm-1~500 cm-1。

1.3.3 厚度

參考GB/T 24218.2—2009《紡織品 非織造布試驗方法 第2部分：厚度的測定》，用數字式織物厚度儀測試，每個試樣測試5次，取平均值。

1.3.4 拉伸性能

參考GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能第1部分 斷裂強力和斷裂伸長率的測定 條樣法》，將試樣裁剪成1 cm×5 cm，用Instron 5969系列萬能材料試驗機測定不同試樣的拉伸斷裂強力，設置夾持長度3 cm，拉伸速度100 mm/min，每個試樣測3次。

1.3.5 感溫變色性能

采用電子加熱元件對材料進行控溫加熱，在達到材料變色溫度時，拍攝記錄試樣變色情況，通過Photoshop軟件讀取色相。

1.3.6 皂洗色牢度

參考GB/T 12490—2014《紡織品 色牢度試驗 耐家庭和商業洗滌色牢度》進行測試，制備2 g/L的皂水，以1∶50的浴比，在40 ℃下洗滌30 min，去離子水清洗3次后，自然晾干，采用Datacolor 650型測色配色儀進行皂洗色牢度評級。

2 結果與討論

2.1 微觀形貌分析

圖1為不同設計圖案的絲網印刷非織造材料實物圖。

圖1 不同設計圖案的絲網印刷非織造材料實物圖

從圖1中可以看出，通過設計不同圖案制備帶有特殊標識的感溫變色非織造材料，其圖案邊界清晰，色彩鮮艷，印刷光滑。圖2為絲網印刷整理前后PP紡黏非織造材料的微觀形貌。從圖2（a）可以看到，未經整理的PP紡黏非織造材料的纖維表面光滑，互相纏結，纖維之間存在大量孔隙結構；從圖2（b）可以看出，經絲網印刷后的PP紡黏非織造材料纖維表面被大量油墨顆粒覆蓋，只有少許纖維露出，大部分纖維之間的孔隙被感溫變色材料滲透填充。

圖2 絲網印刷前后材料的微觀形貌

2.2 紅外光譜分析

圖3為絲網印刷整理前后PP紡黏非織造材料的紅外圖譜。其中，整理前的試樣分別在2 950 cm-1、2 910 cm-1、1 460 cm-1、1 378 cm-1處出現了—CH3不對稱伸縮振動、—CH2—不對稱伸縮振動、—CH2—彎曲振動、—CH3彎曲振動特征峰［12］，對應PP紡黏非織造材料的特征吸收峰。經過絲網印刷整理后，在保留原有特征吸收峰的基礎上，在1 730 cm-1處出現了C=O的特征峰；1 580 cm-1和1 540 cm-1為苯環的C=C骨架伸縮振動特征峰，對應苯乙烯-馬來酸酐共聚物中苯乙烯［13］；1 300 cm-1~900 cm-1為馬來酸酐的C—O特征吸收峰帶［14］，表明感溫變色油墨成功負載到PP紡黏非織造材料上。

圖3 絲網印刷前后材料的紅外光譜圖

2.3 厚度分析

圖4為不同絲網印刷次數感溫變色非織造材料的厚度，厚度增加率為后一次絲網印刷材料較前一次絲網印刷材料所增加的厚度百分率，5次印刷非織造材料的厚度增加率依次為28.95%、4.08%、3.92%、3.77%和2.73%。可以看出，隨著印刷次數的增加，非織造材料的厚度不斷增加；一次絲網印刷后材料的厚度增加率達28.95%，隨后幾次的厚度增加率降至在2.73%。這是因為第一次絲網印刷時，油墨不僅覆蓋在纖維表面，而且能滲入非織造材料纖維結構內部，填充纖維之間的孔隙。隨著印刷次數的增加，非織造材料纖維間的孔隙結構逐漸減少，變色油墨只能在干燥后的油墨表面進行二次覆蓋，滲透進纖維內部的油墨顆粒越來越少，導致后續絲網印刷厚度增加率較低。

圖4 絲網印刷次數對材料厚度的影響

2.4 力學性能分析

圖5為不同印刷次數感溫變色非織造材料的典型拉伸曲線。其中，絲網印刷整理前，PP紡黏非織造材料的拉伸斷裂強力為（22.97±1.13）N，拉伸斷裂伸長為（22.59±0.69）mm，經過絲網印刷整理后，試樣的拉伸斷裂強力和拉伸斷裂伸長分別提高至26.88 N~29.73 N和22.30 mm~30.54 mm，顯著高于整理前的試樣。這是因為絲網印刷工藝使感溫變色油墨滲入PP非織造材料纖維之間的孔隙中，加強了纖維之間的纏結和抱合作用，提高了非織造材料拉伸斷裂強力和拉伸斷裂伸長。

圖5 不同印刷次數材料的典型拉伸曲線

2.5 變色完全度分析

感溫變色材料能夠感知外界環境溫度的變化，當外界達到或超過變色溫度臨界點時，顏色會迅速變淺直至無色。在變色過程中，當材料所有的面積都完整發生了一次變色過程，稱為變色完全度［15-16］。將感溫變色非織造材料和電子加熱元件組裝，通過控溫器調節溫度，當溫度達到31 ℃變色溫度臨界點時，觀察不同印刷次數感溫變色非織造材料在1 min內的實時變色圖像和變色完全度，結果如圖6所示。從圖6（a）可以看出，隨著絲網印刷次數的增加，PP非織造材料的初始色相逐漸變大，色彩更為鮮明，且材料表面趨于光滑。當溫度達到變色溫度臨界點后，感溫變色油墨中的有機發色體產生電子轉移，分子結構變化［17］，發生立體異構或分子重排［18］，宏觀上表現為感溫變色材料顏色的變化，從紅色逐漸轉變為粉色，最終顯現出PP非織造材料基布原有的白色。結合圖6（a）和圖6（b）可知，隨著印刷次數的增加，試樣起始變色時間從5 s逐漸后移至15 s；這是因為感溫變色非織造材料的厚度增加，傳熱效率降低，變色響應時間逐漸延長，但所有試樣均能在30 s內完成有效變色。

圖6 不同印刷次數材料在1 min內的變色圖像和變色完全度

2.6 感溫變色效果分析

為了探究人體皮膚直接接觸情況下感溫變色非織造材料的變色效果，通過混合不同顏色、不同變溫區間的變色油墨，制備了紅藍復合感溫變色非織造材料，利用手指接觸感溫變色非織造材料3 s后，觀察其變色效果。圖7為不同感溫變色非織造材料的感溫變色效果。其中，圖7（a）單色組為1次絲網印刷后紅色感溫變色非織造材料，圖7（b）混色組為1次絲網印刷后紅藍復合感溫變色非織造材料。單色組在手指接觸3 s離開后，手指所接觸的區域由紅色變為白色；混色組在手指接觸3 s后，手指所接觸的區域由紫色褪變為藍色。這是因為人體手指溫度顯著高于紅色感溫變色油墨的變色溫度，且低于藍色感溫變色油墨的變色溫度，因此只有紅色感溫變色油墨受到影響發生變色反應，而藍色感溫變色油墨在3 s內受到的影響不大，從而僅顯現藍色。當感溫變色材料表面降到室溫時，又能迅速恢復原來的顏色，表現出優良的可逆感溫變色性能。

圖7 不同感溫變色非織造材料的可逆感溫變色效果

2.7 皂洗色牢度分析

皂洗色牢度指印染品的色澤抵抗肥皂溶液洗滌的牢度，即肥皂溶液對印染品上的染料產生的乳化作用和剝色作用，使樣布在肥皂液中皂洗后褪色的程度，一般用變褪色灰卡（GS）評級，共分為5級9檔，1級最差，5級最好。絲網印刷1次~5次，感溫變色非織造材料的GS評級依次為3—4、4、4、4—5、4—5。可以看出，隨著印刷次數的增加，GS評級數值增大，印刷2次后試樣的皂洗色牢度評級結果均能達到4級，符合國家標準要求。這是因為多次印刷實現了油墨的反復覆蓋，在干燥的油墨表面又形成了新的覆蓋層，使得材料表面顏色加深，同時變色油墨與PP非織造材料的結合更緊密，產品更不易掉色，耐水洗作用增強，故皂洗色牢度評級更高。

3 結論

本研究以感溫變色油墨和非織造材料為原料，通過絲網印刷工藝制備得到可逆感溫變色非織造材料，并分析了絲網印刷整理前后材料的表觀形貌、化學結構、厚度、力學性能、感溫變色性能及皂洗色牢度等，可得出以下結論。

（1）掃描電子顯微鏡和紅外光譜表明，采用絲網印刷工藝，可成功制備出可逆感溫變色非織造材料。

（2）隨著絲網印刷次數的增加，非織造材料的厚度不斷增加，但厚度增加率逐漸減小；適度增加絲網印刷次數，有利于增加試樣的拉伸斷裂強力和拉伸斷裂伸長。

（3）隨著絲網印刷次數的增加，試樣的初始色相加深，起始變色時間從5 s逐漸后移至15 s，變色響應時間延長，但所有試樣均能在30 s內完成有效變色。

（4）人體手指觸摸試驗結果表明，一次絲網印刷后的感溫變色非織造材料可在3 s內實現快速變色，具有良好的可逆感溫變色性能。

（5）隨著印刷次數的增加，GS評級數值增大，印刷2次后試樣的皂洗色牢度評級結果均能達到4級，符合國家標準要求。