作者：東華大學材料學院 侯成義，王宏志
生活中的顏色是五彩繽紛的。顏色在人類的手中則發(fā)揮著更加奇妙的作用，人們不僅利用顏色來感知或影響周圍的環(huán)境，還像動植物一樣，將顏色賦予到與人類息息相關且最為重要的衣服飾品上，通過簡單且富有想象的組合，使得我們的生活色彩斑斕。
隨著社會的發(fā)展，人們對于吃穿住用行等和自身聯(lián)系極為緊密的方方面面的要求越來越高，高度便攜化、智能化、多功能化設備成為發(fā)展的主流。衣物飾品作為與人類聯(lián)系最為緊密的方面之一，其智能化更是受到廣泛關注。其中顏色對于服飾來說，其重要性不言而喻，不同的顏色的服裝使得我們的穿著含義豐富靚麗多彩，但是人們漸漸的發(fā)現(xiàn)，對于傳統(tǒng)的染整技術來說，現(xiàn)有的服飾顏色大都是通過各種染料調(diào)配而成，顏色一旦成型就無法智能變化，這些單一功能的顏色大大限制了彩色服飾在更多領域的應用，因此變色纖維的研究對智能變色服飾等實際應用的實現(xiàn)十分重要。
圖1 生活中的色彩。
變色纖維，是變色材料研究領域的一個小分支，它最早應用在1970年的越南戰(zhàn)爭的戰(zhàn)場上，美國的CYANAMIDE公司為滿足美軍對作戰(zhàn)服裝的要求而開發(fā)的一種可以吸收光線后改變顏色的織物。此后各種變色復合纖維，如繡花絲線、針織紗、機織紗等，廣泛用于裝飾皮革、運動鞋、毛衣等，受到人們的廣泛喜愛。
變色纖維，是指隨外界環(huán)境條件(如光、熱、電等)的變化而顯示不同顏色的纖維，比如光致變色纖維、熱致變色纖維、電致變色纖維和結構色纖維等。
1.光致變色纖維
光致變色，是指一個化合物(A)在受到一定波長的光照下，進行光化學反應，生成產(chǎn)物(B)，由于化合物結構的改變導致其吸收光譜發(fā)生明顯的變化即發(fā)生顏色變化，而在另一波長的照射下，又能恢復到原來狀態(tài)的現(xiàn)象。
圖2 物質(zhì)的光致變色反應和吸收光譜。
最早在十九世紀Y. Hirshberg等人觀察到光致變色現(xiàn)象，在40年代又發(fā)現(xiàn)了無機化合物和有機化合物的光致變色現(xiàn)象。G. Porter的時間分辨光譜技術的發(fā)明，加速了對光致變色物質(zhì)研究的進程。光致變色材料主要分為有機光致變色材料、無機光致變色材料。有機光致變色材料主要有螺吡喃類、俘精酸酐類、偶氮苯類、二芳基乙烯類、螺噁嗪類等，無機光致變色材料主要有過渡金屬氧化物類、金屬鹵化物類、多金屬氧酸鹽類、稀土配合物類等。
根據(jù)如何將光致變色染料引入纖維以及光致變色染料和纖維基質(zhì)之間是否形成化學鍵，光致變色纖維的制備可以分為物理、機械法和化學法。物理或機械法是指染料和纖維通過物理手段聯(lián)系在一起，比如原料共混物理改性、復合紡絲、纖維浸漬涂覆等方法。化學法是指染料和纖維通過化學鍵結合，生成新的光致變色聚合物纖維，比如對原料進行化學改性后紡絲、對成型纖維或天然纖維進行化學接枝改性等。
2.熱致變色纖維
熱致變色材料，是指一些化合物或混合物在受熱或冷卻時可見吸收光譜發(fā)生變化的功能材料，它具有顏色隨溫度改變而變化的特性，發(fā)生顏色變化的溫度稱為變色溫度。熱致變色材料從熱力學角度(按其熱變色的可逆性)，可分為不可逆熱致變色材料和可逆熱致變色材料兩大類；按其熱變色溫度范圍，可分為低溫型(T＜373 K)、中溫型(373 K＜T＜873 K)和高溫型(T＞873 K)；根據(jù)其在某一溫度范圍內(nèi)的變色次數(shù)，可分為單變色型(有色到無色、無色到有色、顏色A到顏色B)和多變色型(顏色A到顏色B到顏色C)；從現(xiàn)有可逆熱致變色材料的組成和性質(zhì)來看，可分為無機類、有機類和液晶類三大類。
自從1871年E. J. Houston觀察到CuI等無機物的熱致變色現(xiàn)象以來，人們對熱致變色進行了不斷的研究，具有可逆熱致變色性質(zhì)的化合物范圍已從簡單的金屬、金屬氧化物、復鹽、絡合物發(fā)展到各種有機物、液晶、聚合物以及生物大分子等。熱致變色材料可以用于制作示溫涂料、熱變色墨水、變色服裝等。目前已有變色T恤面市，在太陽光照射下，它可以隨溫度的不同而變換顏色。
熱致變色纖維的制備方法，是將熱敏變色劑充填到纖維內(nèi)部，由融熔共混紡絲液制成。另一種方法是將含熱敏變色微膠囊的聚合物溶液涂于纖維表面，并經(jīng)熱處理使溶液成凝膠狀來獲得可逆的熱致變色功效。
圖3 熱致變色T恤。
3.電致變色纖維
電致變色，是指材料在外加電場或電流作用下所引起的顏色和透明度的可逆變化。這種變化是由于材料在紫外、可見光或近紅外區(qū)域的光學屬性(透射率、反射率或吸收率)在外加電場作用下產(chǎn)生了穩(wěn)定的可逆變化而引起的。電致變色一詞是由美國芝加哥大學J. R. Platt在1961年首次提出。直到1969年美國科學家S. K. Deb才首次詳細地描述了非晶態(tài)WO3薄膜的電致變色現(xiàn)象，并提出“氧空位色心”的變色機理。此后，隨著研究的深入，研究者們相繼發(fā)現(xiàn)了多種新型電致變色材料。
電致變色材料按材料類型可分為無機電致變色材料和有機電致變色材料兩大類。無機電致變色材料多為過渡金屬氧化物及其衍生物，主要包括三氧化鎢，五氧化二釩，氧化鎳等。有機電致變色材料按照結構可以分為氧化還原性化合物，金屬有機螯合物和導電聚合物，主要有紫羅精衍生物，金屬酞花菁，聚苯胺等。無機電致變色材料一般具有著色效率高、響應時間快、電化學可逆性好、化學穩(wěn)定性好、成本低等特點，其光吸收變化是由于離子和電子的雙注入和雙抽出而引起的。有機電致變色材料一般色彩豐富，易于進行分子設計，經(jīng)過小分子摻雜后顯示出很高的導電性和電致變色現(xiàn)象，其光吸收變化來自氧化還原反應。由于電致變色器件的多層結構，目前的電致變色纖維仍處于研究階段，還沒有具體的實際應用。
4.結構色纖維
結構色纖維，是指表面或內(nèi)部因周期性結構而具備顏色的一類纖維。結構色來源于光與微結構的相互作用，其光學效應主要是由多層薄膜干涉、表面或體周期性結構相聯(lián)系的衍射和由亞波長大小的顆粒產(chǎn)生的波長選擇性散射引起的。自然界中有許多美麗的物質(zhì)，如蝴蝶翅膀、孔雀羽毛、甲蟲翅鞘等，它們本身并沒有色彩，當被光照射時，物體利用自身特殊的微納組織結構能夠使光發(fā)生光學現(xiàn)象，從而產(chǎn)生顏色，即為結構色。
在自然界實例的啟發(fā)下，Nauss最先提出了結構色概念。他指出，結構色的實質(zhì)是物理光學的光柵衍射、干涉、反射、散射等過程所引起的生色效應。與由色素引起的化學色相比，由物體特殊的表面結構引起的結構色具有飽和度高、亮度高、虹彩性(結構色的光澤、色彩與觀察者的觀察角度有關)等性質(zhì)，且結構色纖維也不像化學色會隨著化學染料的老化而褪色。
結構色產(chǎn)生的原理大致可以分為以下幾種：單層或多層薄膜干涉、柵格衍射、散射和光子晶體。目前制備光子晶體纖維的主要方法有多層膜干涉、自組裝、電泳沉積、靜電紡絲、熱壓印、微型擠壓等。
圖4 自然界中的光子晶體。(a) 孔雀羽毛的顏色；(b) 天然蛋白石結構；(c) 具有金剛石結構光子晶體的Lamprocyphus augustus象鼻蟲。
1.變色服
所謂變色服，是指能夠隨著周圍環(huán)境的變化而自動變色的服裝，它是由變色纖維制造的，或是織物采用變色染料印染而成的服裝。采用變色纖維制做的偽裝服，可隨地貌環(huán)境的變化而交替變換不同的顏色。如用于作戰(zhàn)服裝的“變色龍”，在雪地中呈白色，在沙漠中呈黃褐色，在叢林中呈綠色，在海洋中呈籃色。美軍開發(fā)的采用電致變色光敏材料的變色偽裝系統(tǒng)，采用可對電場變化做出響應的液態(tài)染料和固態(tài)顏料混合物填充到中空纖維中或改變光纖的表面涂層材料，其中噻吩衍生物聚合后特有的電和溶劑敏感性受到格外重視。電場變化由配有電腦的攝像頭根據(jù)周圍環(huán)境的不同而產(chǎn)生，這樣由染料和顏料混合物共同決定的顏色就會發(fā)生改變，于是該系統(tǒng)便會根據(jù)士兵周圍的環(huán)境而產(chǎn)生不同的偽裝效果。
20世紀80年代以后，變色服裝在民用領域得到廣泛應用，如日本東邦人造纖維公司研制出一種叫“絲為伊”的變色服，當被紫外線照射時顏色發(fā)生變化。該公司還制成一種感溫變色游泳衣，不同溫度下變化出各種顏色的。進入21世紀后，變色服裝的研制取得更大的進展，如日本研究了一種光色性染料，能使合成纖維織物“染”上周圍景物的顏色，把人的服裝“融”在自然景色中。英國科學家將液晶材料微膠囊加工成可印染的油墨，涂敷在一種黑色纖維表面，隨身體部位不同以及體溫變化而瞬息萬變顯示出迷人的色彩。
我國試制的見光變色睛綸線，編織成衣料后能隨光源變化轉換色彩。優(yōu)爾創(chuàng)出品工作室和美國Radiat公司合作研發(fā)了世界上首款熱感應變色T恤——Radiate。這是一款極其炫酷的運動T恤，能根據(jù)身體輻射出來的熱量改變光子的反射方式，繼而讓衣服的顏色發(fā)生改變。穿上這件衣服運動時，身體不同部位的肌肉運動量不同，散發(fā)出的熱量不同，衣服對應部位的顏色，就會有所不同。
圖5 Radiate運動T恤。
2.名牌服飾防偽技術
名牌服飾標識防偽技術是指在商標特定部位采用“紫外隱形文字圖案”、“溫變識別”和“手感立體文字”技術，可以通過驗鈔機或手摸識別真?zhèn)危匾獣r候還可以加入“紅外檢測”，大大增加了技術含量，提高了假冒難度。
圖6 防偽標識。
1.防毒服物
現(xiàn)代戰(zhàn)爭發(fā)生在城市或城市的周邊地帶，為了限制非戰(zhàn)斗性的嚴重傷亡，這就要提高戰(zhàn)士的能力。其中變色纖維起到了舉足輕重的作用。比如將植有化學檢測傳感器的變色纖維織物制成服裝讓戰(zhàn)士穿上當有毒物質(zhì)存在時，織物就會象石蕊試紙一樣變色。還有用變色纖維織物制成的手套只要戴上這種手套把手插入水中，就能從它的顏色變化中得知水是否可以安全飲用。
2.變色墻布
利用光致變色纖維和熱致變色纖維的變色原理，可以使室內(nèi)的墻布或涂料早上、中午、晚上各呈現(xiàn)不同的顏色和圖案；還可以根據(jù)季節(jié)的不同呈現(xiàn)不同的顏色和圖案——夏季呈冷色調(diào)，冬季呈暖色調(diào)，春秋季呈中性色調(diào)。
來源：今日新材料
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