基于光蓄热温敏变色织物的制备与性能

肖 沭，严智泷，文馨可，陈淑惠，吴宗淮，费 良，殷允杰，王潮霞

（江南大学生态纺织教育部重点实验室，江苏无锡 214122）

光热转化变色技术被广泛应用于食品保鲜［1］、防伪商标［2］、产品检测［3］、智能纺织品［4］、家居装饰［5］、光热治疗［6-7］等领域。在纺织服装行业，随着经济的不断发展，人们对于服饰的要求不仅限于实用性，还有对视觉效果与个性化方面的追求，由此变色纺织品逐渐出现在大众的视野中。在日常生活中，人们经常会感受到光照与温度的变化，因此光与温度是常用的诱导条件［8］。普通的光致变色材料易受外界环境条件的干扰而产生显色不良与耐疲劳性差等问题［9］，因而实际应用受到限制。通过光热转化变色技术，选用合适的光蓄热染料与温敏变色微胶囊相结合，可以构建可见光部分吸收光热转化变色材料，实现光蓄热温敏变色效果。

光热转化材料包括传统的金属、金属纳米材料、碳基材料、超分子晶体与导电聚合物等。其中，金属纳米材料中的纳米铯钨粉具有颗粒均匀、分散性好、光谱选择性良好、光热转化效率高等特性。温敏变色染料按照颜色改变的可逆特性可以分为可逆型与不可逆型；按照染料的化学性质可以分为无机类、有机类与液晶类；按照变色温度范围可以分为低温型、中温型和高温型；按照变色颜色种类可以分为单变色型与多变色型［10］。在日常生活中，有机可逆型温敏变色染料比较适合，但是该染料易受外界环境条件的影响，其应用与推广受到了限制。为了减少环境影响，可以利用微胶囊化技术将其制成微胶囊染料。

本实验选用纳米铯钨粉作为光蓄热材料，以温敏变色微胶囊作为显色染料，制得可见光部分吸收光热转化变色材料，并将其应用于涤纶织物的印花，最终得到光蓄热温敏变色织物。对织物表面太阳能转化材料的发热性能以及温敏变色微胶囊的变色性能进行分析。结果表明，该光蓄热温敏变色织物可以在利用太阳能的基础上，对织物表面的温度变化进行监控，实现太阳能的光热转化以及纺织品对人体温度的管理与监控。

1 实验

1.1 试剂与仪器

试剂：纳米铯钨粉（Cs0.32WO3，郑州阿尔法化工有限公司），黏合剂DH-BS（宁波市镇海德汇化工有限公司），增稠剂RHT-01（江苏新瑞贝科技股份有限公司），温敏变色微胶囊（自制）。

仪器：NICOLET iS10 型傅里叶变换红外光谱仪（美国赛默飞世尔科技公司），Sigma 300 型扫描电子显微镜（德国卡尔·蔡司股份公司），Cray50 紫外分光光度计（上海罗中纺织科技有限公司），938A 型搅拌器（广州市祈和电器有限公司），Head Hires 640 sl 热成像仪（德国ESW 公司），电热恒温鼓风干燥箱（上海安亭科学仪器有限公司）。

1.2 光蓄热温敏变色染料的制备

将5 g 5%的纳米铯钨粉（Cs0.32WO3）溶液、0.75 g黏合剂、0.25 g 增稠剂、19 g 水加入烧杯中，机械搅拌15 min，制成含1%Cs0.32WO3的光蓄热染料；将5 g 5%的Cs0.32WO3溶液、0.375 g 黏合剂、0.125 g 增稠剂、7 g水加入烧杯中，机械搅拌15 min，制成含2%Cs0.32WO3的光蓄热染料；将5 g Cs0.32WO3染料、0.75 g 温敏变色微胶囊、0.25 g 增稠剂、0.75 g 黏合剂在烧杯中共混，机械搅拌15 min，制得Cs0.32WO3/温变染料混色染料。

1.3 印花工艺

将Cs0.32WO3/温变染料混色染料通过丝网印花印制在涤纶双层织物上，150 ℃焙烘7 min，得到Cs0.32WO3/温变染料混色印花织物。

将温敏变色微胶囊与含1%Cs0.32WO3的光蓄热染料通过丝网印花印制在织物的正反两面，150 ℃焙烘7 min；再以同样的方法获得温敏变色微胶囊与含2%Cs0.32WO3的光蓄热染料印花的织物，得到两类Cs0.32WO3/温变染料双面印花织物。

2 结果与讨论

2.1 表征

2.1.1 SEM

由图1a 可以看出，原涤纶织物的表面表现出了涤纶纤维表面平滑的典型特征。由图1b、图1c、图1d可以看出，经过印花处理后，织物保留了涤纶纤维的基本形貌特征，同时表面附着了部分粗糙的微胶囊结构，充分表明了温敏变色微胶囊已经结合到涤纶织物表面。

2.1.2 FTIR

红外光谱分析具有对样品无损害、测试灵敏度高、测试区域小、测试点可达微米级别的特点，可以准确地检测出官能团在织物上的分布，从而验证染料是否成功上染。采用KBr压片法对样品进行红外光谱分析，所得红外光谱图如图2 所示。由图2g 可以看出，2 930、2 850 cm-1处的特征吸收峰分别归属于甲基和亚甲基［11］，1 735 cm-1处为酯基的伸缩振动吸收峰。由图2 的其他曲线可知，1 534 cm-1处为N—H 的变形振动吸收峰，3 280 cm-1处为N—H 的伸缩振动吸收峰。由此表明经过光蓄热染料与温敏变色微胶囊上染后织物含有脲醛树脂成分，证明温敏变色微胶囊已经成功印染至织物表面。

2.2 光蓄热温敏变色织物的其他性能

2.2.1 光热转换性能

通过测定光蓄热染料与温敏变色微胶囊在不同混合方式下对织物的光热转化效率，并根据时间-温度曲线得到光蓄热温敏变色织物经过一段时间光照后的稳定温度，探究光蓄热温敏变色织物进行光热转换过程后是否可以达到使温敏变色微胶囊出现变色现象所需的温度。通常平衡温度越高，代表织物的光热转化效率越高，光蓄热性能越好。

由图3 可以看出，在模拟太阳光辐射光照强度（500 W）下照射5 min，Cs0.32WO3/温变染料混色织物与Cs0.32WO3/温变染料双面印花织物均在2 min 达到平衡；Cs0.32WO3/温变染料混色织物的平衡温度为46 ℃，相较之下，Cs0.32WO3/温变染料双面印花织物的平衡温度为38 ℃，说明对光蓄热染料和温敏变色微胶囊进行单面混合印染优于双面印染。因此，对光蓄热染料和温敏变色微胶囊进行单面混合后印染可以获得较好的光热转化性能，同时将光蓄热染料和温敏变色微胶囊进行混合也可以提高染料的吸光性，进而提高染料的光热转化性能。

2.2.2 温敏变色性能

由图4 可以看出，由温敏变色微胶囊和纳米铯钨粉混合制备的Cs0.32WO3/温变染料混色织物呈现深紫色；而Cs0.32WO3/温变染料双面印花织物则呈现温敏变色微胶囊的紫色与纳米铯钨粉透过织物的颜色所形成的复合颜色，浅于混色织物。将拼色织物、1%、2%Cs0.32WO3双面印花织物加热到变色温度后，织物由紫色变为无色。Cs0.32WO3/温变染料混色织物显示纳米铯钨粉的颜色（蓝灰色，见图4a）；而双面印花织物则显示Cs0.32WO3透过织物的颜色，且Cs0.32WO3的质量分数越高，颜色越深（如图4b、图4c所示）。

2.2.3 颜色性能

K/S值是表征织物颜色的常数，其中K表示染料的吸收系数，S表示织物的散射系数，K/S值的大小与颜色深度呈线性关系，K/S值越大表示颜色越深［12］。K/S值的差值大小与颜色区分的难易程度有关，当差值在0～0.5 时，人们无法用肉眼观察两种颜色的差别；当差值在0.5～1.5 时，两种颜色的辨识度提高，人们用肉眼仔细观察可以看出差别；当差值在1.5～3.0时，两种颜色出现明显差别。

比较图5a 和图5b 可知，图5a 在波长545 nm 处出现一个较强的吸收峰，与此波长处图5b 的K/S值差值为1.5～1.7，因此制备的光蓄热温敏变色织物出现明显的颜色变化。

3 结论

（1）分别采用Cs0.32WO3和温敏变色微胶囊作为光蓄热材料和显色材料，获得可见光部分吸收光热转化变色材料。通过将1%、2%Cs0.32WO3光蓄热染料与温敏变色微胶囊以混色印花、双面印花两种方式印染至涤纶织物上制得Cs0.32WO3/温变染料混色染料织物、Cs0.32WO3/温变染料双面印花织物。两种织物皆具有光蓄热温敏变色性能。

（2）通过扫描电子显微镜和红外光谱分析证明Cs0.32WO3和温敏变色微胶囊成功附着于涤纶织物表面；通过远红外热成像仪测试可知，Cs0.32WO3/温变染料混色织物的平衡温度为46 ℃，Cs0.32WO3/温变染料双面印花织物的平衡温度为38 ℃，说明Cs0.32WO3/温变染料混色织物的光蓄热效率更高、光热转化性能更好。

（3）通过对织物进行加热，两种织物均出现变色现象，且变色前后织物均有1.5～1.7 的K/S值差值，说明Cs0.32WO3/温变染料混色织物、Cs0.32WO3/温变染料双面印花织物均具有温敏变色性能。