这种智能材料 助衣服颜色实现“七十二变”

业界 | 2021-09-22 10:18:28
时间:2021-09-22 10:18:28   /   来源: 科技日报      /   点击数:()

纺织材料之所以能像“变色龙”一样善变,其奥秘主要来自于机敏变色材料。外界环境因素的变化,诱导变色材料的分子结构产生重排、开环闭环、互变异构等作用,导致分子结构中的共轭体系发生变化,从而在表观上使材料的颜色发生改变。

在自然界中,有很多可根据环境而改变颜色的动植物“伪装高手”。人们在惊叹世界真奇妙的同时,也积极在自然界中汲取灵感,努力开发具有“变色”功能的材料。

与大多数处于研发阶段的变色材料不同,智能变色纺织材料目前应用前景最为广泛,且部分材料已经产业化并出现在日常生活中。天津工业大学纺织科学与工程学院教授马晓光表示,智能变色纺织材料具有独特的智能可逆变色特性,在保持纺织制品基础功能的同时,将功能、时尚等融为一体,深受市场青睐。

机敏变色材料是纺织品“善变”的奥秘

“顾名思义,智能变色纺织材料(变色纤维/织物)是一种能对外界环境因素的变化作出响应的智能纺织品。”马晓光介绍,将变色材料添加到纺织材料上,纺织材料的颜色会在受到光源、温度等外界环境因素刺激后,发生可逆性变化,从而营造出绚丽多彩的视觉效果。

智能变色纺织材料之所以能像“变色龙”一样善变,其奥秘主要来自于机敏变色材料。外界环境因素的变化,诱导变色材料的分子结构产生重排、开环闭环、互变异构等变化,导致分子结构中的共轭体系发生改变,从而在表观上使材料变换颜色。因机敏变色材料不同,智能变色纺织材料主要可分为光致变色纺织材料和热致变色纺织材料。

不过,研发制备智能变色纺织材料并不是把机敏变色材料和纺织材料做个简单的1+1=2的加法,将机敏变色材料与纺织材料结合的方法,有夹层法、浸渍法、涂层法、交联法、微胶囊法、填充纤维法、纤维接枝法、成纤法等多种技术路线及相应的加工工艺。

“纺织品的可逆变色特性取决于机敏变色材料的变色性能。而机敏变色材料的性能又与技术路线的选择和加工工艺的水平有关。”马晓光表示,目前这几种结合方式各有利弊。比如浸渍法是将织物浸渍在由机敏材料制成的分散液中,使机敏材料吸附在织物上。这种方法虽然简单易操作,但产品牢度较差、不耐洗,一般仅供一次性使用;填充纤维法是将机敏材料填充到中空纤维之中,再纺织制成智能织物。这种制备方法可保持较高的智能变色效果,但填充工艺复杂、成本高,给实际生产带来一定困难。

可在多个应用领域“一展身手”

早在Alexander Wang 2014秋冬系列中,设计师王大仁就将热致变色油墨应用到面料上,结合多种油墨拼色的方法使得面料呈现出由黑色向彩色转变的可逆效果,同时再结合激光切割、编织等手法,使作品成功吸引了观众们的目光。

“目前智能变色纺织品的应用领域非常广阔。比如在时装界,特别是近些年,越来越多的国际时装品牌开始尝试将热致变色材料应用于成衣设计中,将智能变色与服装设计相结合。”马晓光介绍。

“在一般的民用服装领域,我们将智能变色服装同传感器件相结合还能达到情感表达、健康监测等目的。”马晓光举例说,比如设计成可监测耐力及运动员皮肤温度的运动衣,就可以通过衣服颜色的变化实时掌握运动员的身体疲劳程度。

此外,变色材料在疾病诊断等方面的应用也引起了人们极大兴趣。比如人体各部位温度是疾病诊断的重要依据,科学家采用液晶类热致变色材料,设计出可对人体温度进行灵敏监测的纺织贴片,用于感染和血液循环变化等的早期检测。

“进入21世纪,具有热致变色功能的纺织材料还越来越多地应用于航空航天、军工等领域。同时在开发相关变色产业用布、装饰面料、防护服装等方面也取得了很好的经济效益和社会效益。”马晓光十分看好智能变色纺织品的应用前景。

大范围产业化尚面临掣肘

“随着科学技术的发展,成本低、性能优异的机敏变色材料相继被研发出来,有些已实现产业化,促进了机敏变色材料产业链的形成,这对变色智能纺织材料的研发有着极大的推动作用。”马晓光介绍,目前我国已逐步完善相关加工技术,和英国、美国以及日本一起成为少数几个能够生产变色智能纺织材料的国家。

“总体来看,智能变色纺织品在国内外还处于研发推广之中。由于机敏变色材料种类及应用技术的限制,大范围产业化还需时日。”马晓光解释,可以产生变色效果的材料有很多种,但适用于纺织基体材料、并可用于制备智能可逆变色纺织品的机敏变色材料,需要变色色谱宽、反应灵敏、具有可逆的快速响应速率;变色体系稳定且不损伤纺织基体;环保、成本低等,因此可供选择的余地很小。

另外,目前的变色材料普遍存在颜色变化范围窄的缺陷,大多在同一冷暖色调内变化,例如从草绿(冷色调)到紫蓝色(冷色调);或仅是在同类色区域内颜色深度发生变化,例如从深蓝色到浅蓝色等。

“变色色谱能够跨越色调、超出同类色的变色材料很少,而性能优良最终可实际应用的更是罕见。”马晓光认为,颜色变化单一、色谱短缺,极大限制了机敏变色材料的应用及智能变色纺织品的发展。

因此对于新型变色材料的研发,获得一个全面扩展的变色色谱是非常重要的课题,也是研发广域色谱可逆智能变色纺织品所亟待解决的关键性问题。

科研工作者对此也在进行积极探索,比如马晓光课题组,将优化的专用染料与基础变色体系结合,设计、构架了一种热致变色材料与专用染料的复合体系。通过互补原理,这种新型热致变色材料的颜色可以在不同冷、暖色调之间可逆变化,表现出更宽的颜色变化范围和丰富的热致变色色谱。

在上述工作基础上,课题组又研发出一种能连续变换几种颜色的热致变色体系,实现了对热致变色纺织品变色温度和变色色泽的控制,开发出变色色谱广、色差明显、精度高的新型热致变色纺织品。

未来发展需精准设计变色性能

“随着对各类智能纺织材料不断深入的研究,多功能融合的智能变色纺织材料必然是未来的发展方向。”马晓光举例说,通过将导电织物的电阻加热性能和热致变色材料的变色性能相结合,可解决热致变色织物颜色被动变化的问题,还可通过对发热织物温度的精确控制,结合热致变色材料的色彩叠加,实现热致变色织物多种颜色的变化;而光热变色织物,则是利用日光响应型加热层在太阳光照射下的光热转换性能,来实现颜色的调节。

在不同应用领域,产品对变色性能的需求不同。为了进一步开发智能变色纺织材料,需要有针对性地对变色纺织材料的变色性能进行设计。例如针对不同的应用场景,研发出多样变色效果的服装,将其与人们日常生活中的各种服饰相结合,这样的产品不仅能够满足大众的需求,还具有广阔的市场前景。

“智能变色纺织品作为高附加值产品,它的发展符合《纺织工业‘十四五’发展规划》中‘加快高功能纺织消费产品、智能纤维及制品等先进纺织制品关键技术的突破’的要求。”马晓光认为,虽然市场前景很好,但是只有在把握好纺织品的安全性、环保性和耐用性的前提下,兼顾款式设计、色彩变换、面料选择以及舒适性和卫生性等,才能更好地提高智能变色纺织品的市场竞争力。

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