温致变色塑料的研究进展

郑琼娟 薛发珍（等同一作）

(国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心,广东 广州510700)

温致变色塑料能够通过改变自身颜色来显示温度的变化,该特性可使塑料产品增加一些特殊的功能和外观美感。其温致变色效果来自于温致变色材料的使用, 温致变色材料是指某些物质材料在感受外界温度变化的同时自身颜色产生变化, 其颜色变化伴随自身物理或化学结构的改变, 物质结构变化导致其光谱特性的转变,从而展现出宏观颜色的改变。长期以来,塑料温致变色的应用受到技术方面的限制, 但目前新技术的发展使得其应用领域有望近一步得到拓宽。

1 温致变色材料[1]

1.1 不可逆温致变色材料

不可逆温致变色材料加热到一定温度后颜色会发生变化,而冷却后颜色不能恢复也不变化,其颜色变化是不可逆的,因此其只能记录承受过的最高温度。不可逆热致变色材料种类多样,常用的有锰、钴等的磷酸盐、硝酸盐、硫酸盐、硫化物、氧化物以及苯酚化合物等。

1.2 无机可逆温致变色材料

无机可逆温致变色材料主要有金属及其氧化物、卤化物,金属氧化物的多晶体,过渡金属配合物等。无机温致变色材料具有良好的耐温性、光稳定性以及较好的加工性能,合成成本较低,可以在200℃以上使用;然而其变色单一、灵敏度不高,且有毒和腐蚀性,并且无法自主控制变色温度和颜色,导致应用受限。

1.3 液晶可逆温致变色材料

液晶可逆温致变色材料主要有胆甾液晶、近晶液晶及向列液晶三大类。胆甾型液晶可形成螺旋结构,其层间距命名螺距,螺距会随温度变化而产生变化,不同螺距可以反射不同波段的光, 进而实现颜色的变化。其优点是变色温度较低(23-42℃)且变色灵敏,能够连续多层次可逆变色;缺点是易反应,导致变色效果变差,贮存期短,稳定性较差,需避光保存或使用,而且其成本高,导致其推广和应用受限。

1.4 有机可逆温致变色材料

有机可逆温致变色材料数量较多, 根据其命名方式可分为:吲哚啉苯酞类、三芳甲烷苯酞类、荧烷类等。有机可逆温致变色材料在200℃下的温度范围内其综合性能最优, 成为研究的热点。但其本身存在一定缺陷:如耐热性差,工作温度受限; 化学稳定性差,在强酸或强碱条件下容易变性,导致其应用受限。随着微胶囊化技术的发展, 应用微胶囊化技术可以有效改进有机可逆温致变色材料的使用性能,提高其保存稳定性和使用功能性。

2 温致变色塑料的加工工艺

2.1 涂层工艺

涂层工艺是在塑料成型后将温致变色涂料涂覆于塑料表面,其工艺简单、操作便捷,温致变色涂层在表面,因此其灵敏度较高, 但由于涂层容易脱落等原因, 其耐久性相应也较差。如CN101418094[2]通过在无色普通油墨的基础上加入至少一种可逆温变颜料MC 粉制成温变油墨, 用激光整面刻蚀法对基底防老化/或防液滴膜面进行处理后, 采用丝网印刷法将温致变色油墨薄层涂覆于基底膜上后再将防液滴/或防老化膜热粘压于膜上制成防老化、防液滴、常温可逆温致变色三层复合农膜。所生产的多功能可逆温变农膜能随环境温度条件变化而反复可逆改变农膜的颜色及透光性、吸热性和反光性,利用温致变色特性赋予农用塑料薄膜以调节地温或棚温的作用。再如CN205493385U[3]在塑料杯体表面涂覆一层温致变色层,根据不同温度颜色会发生变化方便人们直观判断温度,避免烫伤。

2.2 注射成型

目前,注射成型是温致变色塑料的主要加工工艺,并将继续主导加工工艺的发展趋势。如CN110615931A[4]将温致变色材料直接或CN107841049A[5]制备成温致变色微胶囊或CN108948431[6]制备成温致变色母料,与塑料基体和加工助剂进行熔融共混、挤出造粒,并根据实际应用需求制备不同形状的制品。该工艺将温致变色材料均匀分布在基体材料中,可赋予产品较长时间的温致变色性, 但需要注意加工过程对温致变色材料性能的影响,可通过微胶囊化使得芯材温变材料受热影响小,从而可以有效地保护变色组分,使其能经受住长期的受热,能稳定地来回变色,并赋予缓释性:如CN107841049A[5]采用三苯甲烷金属络合物为芯材, 三聚氰胺甲醛树脂为壁材制备了温致变色微胶囊,温致变色微胶囊的粒径要适当,才能保证较好的包覆变色均匀性以及加工分散性。

3 温致变色塑料的应用领域

3.1 汽车领域

随着人们个性化需求的增加, 人们希望汽车制件的颜色能从静态的单一颜色转为随着环境的变化而变色的效果。如CN107841049A[5]将具有温致变色的聚丙烯组合物通过注塑成型应用于汽车仪表板、副仪表板、座椅、门板、保险杠或立柱中。

3.2 日常生活用品领域

可使用温致变色材料用于加工制造婴儿奶瓶 (如105878037A[7])或汤匙,家人可通过婴儿奶瓶或汤匙颜色的变化来确定牛奶或食物的温度是否适合婴儿食用; 同样也可用于加工制造饮用水杯,如CN205493385U[3],在杯体的表面设有温致变色涂层, 可以通过水杯颜色的变化直观判断水的温度是否适合饮用。还可应用于眼镜、手表、手环等用品中,如CN108948431[6],温致变色材料应用于日常生活,将大大提高生活品质和体验。

3.3 手机外壳

现有的手机外壳图案和颜色单一,如果要变换图案就要换外壳, 操作不方便, 且浪费资源。通过温致变色材料的使用,如CN101834924A[8],将温致可逆变色材料经浇注成所述手机外壳,可实现无需更换外壳, 随温度变化即可使手机外壳显示不同图案,节省费用,节省资源;采用温致变色材料,图案还可以根据温度变换,增添使用乐趣。

3.4 家电领域

家用电器具备温敏性,能够起到警示或装饰作用,避免烫伤或带来安全隐患。如CN105509141A[9]通过在暖风出风口上应用“温致变色”技术,保证了暖风出风口在出暖风时有了较明显的颜色变化,达到了警示(提示)及装饰作用。如CN201903132U[10]通过在空调的结构中,塑料粒子内添加温致变色粉,产品注塑出来冷却后成本色(冷色调或暖色调, 以便使用中产生明显视觉差异),在产品运行中受环境温度的影响产生颜色变化。使得冷热功能“模式”能通过颜色变化直观的反映出来,而当顾客不注意或者老年人因显示字体较小看不清时,能够及时发现操作错误,保证了使用的有效时间。使用非常方便,增加颜色的变化功能,解决现实生活中易出现的问题,达到产品人性化的效果。

4 结论

个性化产品对于视觉效应的兴趣与日俱增,这为温致变色塑料提供了广阔的发展空间。微胶囊化等技术的出现,可以提高温致变色材料的稳定性, 这为温致变色塑料的进一步发展提供了技术支持。