变色纤维的发展现况与应用

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1、变色纤维的发展现况与应用变色纤维的发展现况与应用作者：作者： jing 简介简介 在缤纷色彩的世界里，充满了各式各样不同的颜色，让我们视觉感受不再单调，心情 也会受到这些色彩的影响，红色让我们感到温暖、热情、喜悦、危险和血腥。绿色带来生 机、自然和祥和。蓝色使我们感到广阔和忧郁。然而各种事物有其特有的色彩，而且不会 改变，但是自然界也有少数会变色的动植物，例如：枫叶到秋天树叶会由绿转黄变红；变 色动物最耳熟能响的是变色龙，其肤色会随周遭环境改变，达到伪装的效果。随着材料科 技的进步，变色的衣裳已经不再是梦想；人们已经有能力制造可随环境改变的变色纤维。 这类纤维已跳脱了传统的单一颜色表现方式，取

2、而代之的是由这些纤维编织而成的多变化、 多功能的机能性织物。 因状态不同而产生颜色变化的物质，称之为变色材料，常见的变色材料有酸碱指示剂， 例如：石蕊试纸在酸性呈红色，碱性成蓝色，其颜色可以表现不同的 pH 值。其它变色材 料还有感湿、感压、感温和感光变色，还有一类会随电场改变颜色的电致变色材料。虽然 这些材料可应用于玻璃、纸张及塑料上；但是在纤维或织物应用上，主要还是以感温、感 光和电致变色为主，以下介绍变色纤维的原理及应用。 感温变色纤维（感温变色纤维（Thermochromic Fibers） 温敏纤维是指性能会随温度发生可逆变化的纤维。广泛研究的有保温纤维和感温变色 纤维。将温度敏感性

3、材料包敷在纤维中，随外界环境变化，纤维中所包含的温敏材料发生 液-固可逆相变化，或从环境中吸收热量储存于纤维内部，或放出纤维中储存的热量，在纤 维周围形成温度相对恒定的微观气候，从而在一定时间内实现温度调节功能，称之为保温 纤维。 另一类温敏纤维为感温变色或温致变色纤维，英国伦敦的一家时装公司，曾举办过一 次时装表演，女模特儿身着款式新潮的时装，时装在行走中不断飘动，并不断改变色彩， 有如彩虹飞舞。事实上这些时装都是用一种含液晶的感温变色纺织面料制造的，温度一变 化，衣服面料的颜色就变化。在 28时，面料是红色的；在 33时，又变成黄色；在2833之间，还可以变出其它各种色彩。模特儿表演时，行

4、 走的快慢和时装的摆动不同， 身体各部位的体温对时装各个部位的温度影响就不同。因此，随着模特儿的行走，时装面 料就会出现彩虹般的色调。日本人造纤维公司还研制出一种变色游泳衣，游泳衣在岸上是 一种颜色，游泳者跳进游泳池，就会变出红、蓝、绿等各种色彩。这种衣料是由感温变色 纤维制成的，因为它对温度的变化很敏感，会在岸上、水中、野外、室内或海边沙滩变幻 出不同的色彩。 感温变色(亦称为温致变色)材料的应用，已经开发多年，主要用于变色温度计，如额 温量测或水族箱上的温度显示，现在也有人运用于变色马克杯，依冷热程度不同，所呈现 的花色不同，除了美观外也易于了解水温。 热变色材料可分为无机系和有机系两类，

5、其中以有机类效果最好。无机系的变色材料 主要成份是金属错合物(MxHgIy)或是碱金属硼酸盐类，藉由结晶变化产生颜色转换。 有机系又可分为液晶型、有机染料型。液晶型主要成份是胆固醇型液晶，光线进入液 晶后，其反射光会受到液晶排列的节距(pitch)影响，当温度改变时其节距也会因而改变， 连带的色彩也会变化；其颜色变化可由红变紫，改变液晶物质的调和比例，可挪移变色温 度范围，且色泽鲜艳，反应灵敏。而有机染料型材料的结构会随着环境介质中质子浓度的 改变，而发生变化(sp2 与 sp3 混成转换)，电子重组产生颜色变化。 从有色变成无色或另一种颜色，这种染料变色是可逆的，当达到某一温度后，颜色消 失

6、或由一种颜色变成另一种颜色，而当温度低于这一温度后，又会显出原来的颜色，此类 感温材料其变色温度有一定的范围，不同原料及配方可以调控其变色温度与颜色，以温度2431为例，升温至 26温度开始变化，当温度到达 28时变化了 75%，一直到 31才 完全无色，降温需到 29时才开始变化，到 24时才完全转换，其变色范围有些热变色材 料对纤维没有亲和力，因此加工成微胶囊后靠粘着剂固着在纤维上；另一些变色染料只有 封闭在微胶囊中才能维持变色的条件产生变色效应；还有一些变色染料需要防止外界因素 的作用，也需要制成微胶囊的形态。因此纺织业以往多采用印染法，将色素、显示剂和醇 类消色剂，调制成微胶囊，其粒径

7、为 110?，变色温度范围为-1575，利用印染或印 刷方式附着在纤物上。近年为改善其耐洗涤性及耐旋光性，开始趋向于采用聚合物中添加 感温变色显色剂的方法。可加入纺丝溶液中，用于湿纺。根据所用成纤聚合物的种类，也 可以直接共混于聚酯、聚丙烯、聚酰胺等聚合物中进行熔融纺丝，也可将微胶囊与聚乙烯 作芯部，以聚酯、聚酰胺等为皮部，用于复合纺丝。针对不同的用途可以有不同的变色温 度，例如滑雪服的变色温度为 1119，妇女服装的变色温度为 1322，灯罩布的变色 温度为 2432等，其水洗牢度可达 45 级。感温变色纤维亦可用于温度的侦测器上。 感光变色纤维感光变色纤维(Photochromic Fib

8、ers) 在炎热的阳光下，衣服颜色若是纯白色，可以很好地反射热量，让你不会感到非常炎 热，若进入室内，它又会变成浅蓝色，给人一种朴实淡雅的气质，到傍晚时，它又 会变成 漂亮迷人的紫色，在完全黑暗的情况下又能发出淡淡的亮光，这种衣服具有相当的吸引力。 在阳光或照射下，呈现不同颜色的纤维称为感光纤维，而在吸光后放光的，称为蓄光 纤维。 感光(又称为光致或光敏)变色材料最早用于变色的太阳眼镜上，此类变色材料会吸收 阳光或紫外线的能量，产生颜色变化，当失去阳光或紫外线照射时，又会回到原来的颜色。 所进行的化学反应主要有顺反异构化、互变异构化、开环死循环反应，有时为二聚或氧化 还原反应。 感光变色纺织品

9、加工方式与感温变色相似，微胶囊化可以提高光敏剂的抗氧化能力， 从而延长使用寿命。日本钟纺公司将吸收 350400nm 波长紫外线后，由无色变为浅蓝色或 深蓝色的喃类光敏物质包裹在微胶囊中，用于印花技术制成光敏变色织物。采用这种技术 生产的光敏变色 T-shirt 已经于 1989 年问市。耐克公司也曾在球鞋鞋带上使用变色纤维。 中国大陆对感光变色纤维的研究才刚刚开始，还未进入实用化阶段。目前感光变色纤维主 要用于娱乐服装、安全服和装饰品等。 在介绍蓄光(夜光)纤维原理前，先介绍有机化合物吸光所进行的反应，一般化合物吸 光后，会将电子激发到激发态，此时必须将所吸收的能量释放，依其释放方式不同，可

10、分 为光化学反应、放光、放电和放热。 光化学会造成结构改变，如顺-反异构化、加成及环化等。如果有适当的媒介将电子 导出，并补充化合物(染料)电子，即为太阳能电池。 吸光后放光有两种不同方式，电子激发到单重态立即放光，所放的光称之为萤光，当 光源移去时，立即停止放光，一般用于道路的车道分隔线上。如果单重态电子经内部系统 转换成三重态，此时电子轨域跃迁呈不允许状态，但是光还是会慢慢释放，这种光称之为 磷光，即使光源移去，化合物还是会持续放光，一般用于钟表上。 放热则是靠分子的震动或转动将能量释放，这类化合物一般用于防晒。夜光纤维就是 利用放磷光的特性，在没有灯光情况下，仍然会发光，但是所放的光亮度

11、较低，须在全黑 的情况下才能看到，而且放光时间也有限制，虽然长效型蓄光材料可达 10 小时以上，但是 亮度会因时间而递减。蓄光纤维可用于家俱、窗帘、逃生标示及娱乐装饰上。 电致变色纤维 前述之变色纤维，主要是靠外在环境改变，产生颜色变化，现在最新开发的是智能型 变色纤维，主靠是藉由电场或电流改变，使得颜色可以随心所欲的改变，预期将大量的运 用在伪装服上。未来战场上，战士的衣服会随环境产生转换，使敌人难以辨识，完完全全 与变色龙伪装相同，其概念是利用环境颜色监控的侦测器结合电致变色服装，随着颜色侦 测器所得之资料，透过纤维传送视觉信息立即改变衣服的颜色、光线和图案，达到自动控 制的目标，实现服装

12、颜色的自动变化，美国马萨诸塞州的陆军研究中心在这方面加速研发 中，据称，这种衣服将于 2010 年装配于部队中。 电致变色原理与 LED(发光二极管)相同，透过电子与电洞的结合，过剩的能量会以光 的形式释出，达成发光的效果，属于冷性发光。其组件构造是由基材、导电层、发光层及 透明导电层所组合而成。所用的发光材料其发射团相同，但是不一定需要高亮度。由于基 材是纤维或织物，其特性是柔软、可弯曲。一般显示器所用的 ITO 透明导电层则无法适用， 需要其它高导电度的透明导电层，现在倾向使用导电高分子，常用的有 PANI(聚苯胺)或 PEDOT(poly-3,4-ethylene- dioxythiop

13、hene)。 发射团易受氧气与水气的降解，因此需要稳定发色团或较好的密封，才能商品化。电 致变色材料可直接使用在纤维或是先制成薄膜，再贴合于织物上，除了伪装服之外，也可 用于变化不同图案的挂布、画布上，如果亮度足够亦可成为显示布，取代现在投影的方式。 这方面研究仍在进行中，但有些问题必须改善，例如：可绕式透明导电层的导电度不高和 透明度不佳，发色团的稳定性不足等，如果这些问题能一一克服，电致变色的产品未来商 机无限。 结语 变色纤维除了广泛的应用于衣着之外，最近也已经扩展到工业用途，例如：钞票中掺 入变色纤维，使伪钞制做者难以仿冒，消费者容易辨识真假；地毯中掺混发光纤维可使夜 间或室内产生亮光，当关灯或停电时，能导引路径；商标中加入变色纤维，也可使消费者 不易受仿冒者欺骗，间接保障消费者权益。 变色纤维未来将在美观、保健、娱乐、装饰、伪装、防伪、安全和视讯上有相当大的 运用空间。电致变色纤维技术成熟后，这方面的产品将在日常生活和军事上广泛使用。变 色织物将使我们的生活更多彩多姿。