棉织物的螺吡喃微胶囊印花及其光致变色性能

杨梦凡， 王潮霞， 殷允杰， 邱 华

生态纺织教育部重点实验室(江南大学)， 江苏 无锡 214122)

螺吡喃光致变色材料在智能服装、智能窗、光学数据储存、防伪、可擦除墨水等方面具有广阔的应用前景。螺吡喃结构在紫外光(UV)的激发下发生键的断裂形成部花菁结构，从而在可见光波段有吸收，导致颜色改变[1-2]性能。然而，螺吡喃材料的光致变色性能受环境条件影响较大，其颜色随介质的不同有很大变化，在高温、极端pH值及有氧环境中容易失去变色能力[3-4]。微胶囊化的螺吡喃拥有更为稳定的光致变色性能，微胶囊结构能为螺吡喃提供稳定的变色环境，提高其耐疲劳性能，延长使用寿命[5-6]。光致变色微胶囊可用于纺织品印花及制造光致变色纤维。

紫外光可以促进人体维生素D的合成，然而强烈的紫外光会诱发眼部疾病和皮肤疾病，所以对室外紫外光强度进行检测及评估是必要的[7]。光致变色纺织品具有随紫外光强度、波长及照射时间的不同变换颜色的特性[8]，在紫外光强度检测方面已有应用。Zheng等[9]通过静电纺掺杂有光致变色染料的聚己内酯来制造光致变色纤维和纱线，并设计了图案用于紫外光强度警示。Bao等[10]通过聚丙烯酸和十钨酸钠的简单氢键自组装制备了一种复合光致变色棉织物，由于耐洗性差，将其应用于可摘除的太阳光强度检测不干胶贴片的制作。Fang等[11]把矿物光致变色材料加入于溶解了棉纤维的离子液体中制造再生纤维素纤维，并制成针织面料，由于肉眼看不出颜色差别，可借助手机应用分析颜色以判断紫外光强度。

本文以溶剂挥发法制备螺吡喃微胶囊，并对棉织物进行丝网印花，制得一种用于检测紫外光强度的光致变色纺织品。探究了微胶囊用量、紫外光强度及照射时间对纺织品光致变色性能的影响，以期拓展光致变色纺织品在户外防护及医疗保健方面的应用。

1 实验部分

1.1 实验材料与仪器

材料：棉织物(面密度为151.5 g/m2)，鲁泰纺织股份有限公司；N-羟乙基-3,3-二甲基-6-硝基吲哚啉螺吡喃光致变色材料(简称螺吡喃)，广州崇誉工业材料科技有限公司；正辛烷、二氯甲烷、聚乙烯醇17-88、聚甲基丙烯酸甲酯(重均分子量为35 000 g/mol，PMMA)，国药集团化学试剂有限公司；增稠剂C-26，广东中联邦精细化工有限公司；黏合剂EM-460，广东奕美化工科技有限公司。

仪器：BSM-2200.2电子天平(上海卓精电子科技有限公司)；DK-3000P超声波清洗机(深圳市德康洗净设备有限公司)；DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器(巩义市予华仪器有限责任公司)；FA25高剪切分散乳化机(上海弗鲁克公司)；GZX-9240 MBE电热鼓风干燥箱(上海博迅实业有限公司)；SU1510扫描电子显微镜(日本日立株式会社)；ZetaPlus Zeta电位与粒径分析仪(美国布鲁克海文仪器公司)；UV-2600紫外-可见分光光度计(日本岛津公司)；365 nm专业伍德式灯(广州天火电子科技有限公司)；Q500热重分析仪(美国TA仪器公司)；R-3自动定形烘干机(厦门瑞比精密机械有限公司)；CEL-NP2000强光光功率计(北京中教金源科技有限公司)；X-Rite 8400测色仪(美国X-Rite仪器有限公司)；Y571染色摩擦色牢度仪(莱州市电子仪器有限公司)。

1.2 实验试样的制备

1.2.1 螺吡喃微胶囊的制备

制备质量分数为1%的聚乙烯醇1788水溶液为水相。取螺吡喃溶于正辛烷中，使其质量分数为0.5%，制得芯材溶液。取聚甲基丙烯酸甲酯溶于二氯甲烷中，质量分数为9%，制得壁材溶液。将芯材与壁材溶液混合，使螺吡喃与聚甲基丙烯酸甲酯质量比为2∶1，均质5 min形成均一的油相。取油相20 g滴加到300 g水相中，于10 000 r/min均质15 min，超声波处理50 min消除泡沫，然后于35 ℃水浴加热、磁力搅拌6 h，离心10 min取底部沉淀，用质量分数为1%的乙醇水溶液离心清洗、烘干，得到螺吡喃微胶囊粉末。

1.2.2 光致变色印花棉织物的制备

调制印花浆，其中螺吡喃微胶囊粉末质量分数分别为2%、6%、10%、14%，黏合剂质量分数分别为12%、14%、16%、18%、20%，增稠剂质量分数为3%，加水搅拌均匀，超声波分散处理。对棉织物进行丝网印花，刮浆3次，预烘至干燥，用自动定形烘干机在150 ℃焙烘2 min，得到光致变色印花棉织物。

1.3 测试与表征

1.3.1 螺吡喃微胶囊测试与表征

微胶囊表面形貌观察：向水中放入少量螺吡喃微胶囊，超声波处理5 min。取微胶囊分散液滴在硅片上于烘箱40 ℃烘干，用导电铜胶带将硅片背面与铝板黏合，真空喷金后在扫描电子显微镜下观察微胶囊表面形貌。

微胶囊粒径测试：取少量光致变色微胶囊分散在水中并装入测试皿，用电位与粒径分析仪于室温下测试，记录粒径及分散指数(PDI)，以对数正态强度来表征粒径分布。

微胶囊吸收光谱测试：为探究紫外光照射前后螺吡喃的正辛烷溶液与微胶囊的最大吸收波长变化，测试其吸收光谱。分别取少量螺吡喃溶于正辛烷中，取少量微胶囊粉末分散于水中，超声波处理5 min，装入测试皿于紫外-可见分光光度计测试400～800 nm波段的吸收光谱。用365 nm专业伍德式灯对测试皿中的液体照射30 s，迅速用紫外-可见分光光度计测试400～800 nm波段的吸收光谱。

微胶囊热力学性能测试：分别于热重分析仪测试微胶囊、螺吡喃与聚甲基丙烯酸甲酯在30～800 ℃范围的热重曲线，气氛环境为N2，升温速度为10 ℃/min。

1.3.2 微胶囊印花织物的光致变色性能测试

微胶囊印花织物对紫外光响应灵敏，撤去紫外光后迅速褪色。为及时记录微胶囊印花织物的变色性能，制作变色梯度板用于快速对照微胶囊印花织物变色数据。

变色梯度板的制作：取印花浆微胶囊质量分数为14%的印花棉织物，用专业伍德式灯距离印花织物表面0.5 cm照射60 s并拍照，得到14%微胶囊印花织物的最深变色照片。用Adobe Photoshop软件取色工具读取该色的L*、a*、b*数值，按照下式计算色差ΔE：

将L*、a*、b*值按比例减小并绘制相应颜色的色块，以模拟微胶囊印花织物的变色梯度。彩色打印变色梯度作为变色梯度板，其色块L*、a*、b*及ΔE数据如表1所示。

表1 变色梯度板的色度值

紫外光照射时间对微胶囊印花织物光致变色性能的影响：用强光光功率计测量紫外光光功率密度，调整专业伍德式灯的位置，使光功率密度为20 W/m2。将微胶囊印花织物与强光光功率计探头处于同一平面，用专业伍德式灯照射20、40、60、80、100、120 s，并迅速与变色梯度板对照记录数值。重复测试3次,取平均值。

紫外光强度对微胶囊印花织物光致变色性能的影响：调整专业伍德式灯的位置，使光功率密度为10、20、30 W/m2，照射微胶囊印花织物100 s，并迅速与变色梯度板对照，记录数值。重复测试3次，取平均值。

1.3.3 微胶囊印花织物的循环变色性能测试

调整专业伍德式灯的位置，使光功率密度为30 W/m2，然后照射微胶囊印花织物100 s，迅速与变色梯度板对照记录数值；然后撤去紫外光，将织物暴露于室内可见光下，待其褪色至颜色不再变化，记录颜色数值，此为1个紫外-可见光循环，循环照射20次测试印花织物的ΔE。

1.3.4 微胶囊印花织物的耐摩擦色牢度测试

依据GB/T 3920—2008《纺织品 色牢度试验 耐摩擦色牢度》，用染色摩擦色牢度仪对微胶囊印花织物进行干摩擦和湿摩擦处理后，用专业伍德式灯距离织物表面0.5 cm照射60 s，迅速于测色仪测试印花织物的耐干摩擦色牢度与耐湿摩擦色牢度。

2 结果与讨论

2.1 螺吡喃微胶囊形貌及变色性能分析

2.1.1 微胶囊形貌及粒径

螺吡喃微胶囊粒径分布如图1所示。可以看出，微胶囊的有效粒径为872 nm，平均粒径为729 nm，分散指数为0.34。

图1 螺吡喃微胶囊的粒径分布

图2示出不同放大倍数的螺吡喃微胶囊的SEM照片。可以看出，大量粒径为200～800 nm的球形粒子存在，说明所制备微胶囊为表面光滑的球形或椭球形颗粒。

图2 不同放大倍数的螺吡喃微胶囊的SEM照片

2.1.2 微胶囊吸光度及光致变色性能

图3示出螺吡喃粉末、正辛烷润湿的螺吡喃粉末和微胶囊粉末在紫外光照射前后的变色情况。经紫外光照射后，干燥的螺吡喃粉末不变色，而正辛烷润湿的螺吡喃粉末由黄色变成品红色，微胶囊粉末由白色变成粉红色。撤去紫外光，正辛烷润湿的螺吡喃粉末和微胶囊粉末恢复至原色。

图3 螺吡喃、微胶囊粉末紫外光照射前后照片

图4示出螺吡喃的正辛烷溶液和微胶囊水分散液经365 nm紫外光照射前后的吸收光谱。可以看出：未经紫外光照射时，螺吡喃的正辛烷溶液和微胶囊的水分散液在400～800 nm波段没有吸收峰；紫外光照射后，螺吡喃的正辛烷溶液的吸光度曲线在约520 nm处出现吸收峰，而微胶囊水分散液在约550 nm处出现吸收峰。二者吸收峰的位置有所变化，这可能是由于微胶囊壁的存在使吸收峰发生了一定的偏移。

图4 紫外光照射前后螺吡喃正辛烷溶液及微胶囊水分散液的波长与吸光度曲线

在正辛烷溶液中，螺吡喃结构经紫外光照射发生了螺碳-氧键的断裂，形成了部花菁结构带来共轭面积的变化，宏观上表现出颜色改变[1]，如图5所示。干燥的螺吡喃粉末未发生光致变色现象，这是由于溶剂介质影响了螺吡喃材料的异构结构、比例及稳定性[3-4]。用PMMA包裹螺吡喃的正辛烷溶液制成微胶囊无需介质即可变色，简化了使用步骤，为螺吡喃光变材料拓宽了应用方式。

图5 紫外光照射前后的螺吡喃结构

2.1.3 微胶囊热重曲线

图6示出微胶囊、螺吡喃与PMMA的热重曲线。可知：螺吡喃在283.67～448 ℃之间质量急剧下降，448 ℃时质量保留率为31.96%，600 ℃时为28.72%。PMMA在302.66～432.97 ℃范围内质量急剧下降，432.97 ℃时质量保留率为1.05%。微胶囊中的正辛烷在105.91 ℃开始挥发,温度升至148.96 ℃时曲线恢复平稳，正辛烷挥发完毕，此时质量保留率为92.86%；微胶囊中的PMMA从274.74 ℃开始分解，430.69 ℃时分解结束，质量保留率为3.18%。由于原料中螺吡喃的含量极少，其质量损失在微胶囊热重曲线中没有明显体现，而芯材由正辛烷和螺吡喃组成，经过计算可得到光致变色微胶囊芯材含量为7.14%。

图6 微胶囊、螺吡喃及聚甲基丙烯酸甲酯的热重曲线

2.2 印花工艺对光致变色性能的影响

2.2.1 微胶囊用量对印花织物光变性能的影响

图7示出微胶囊印花织物的变色ΔE随微胶囊质量分数及紫外光照射时间的变化。可以看出，随紫外光照射时间的延长，微胶囊印花织物的变色ΔE提高。在0～40 s内变色ΔE提升较快，60～100 s之间变色ΔE提升减缓，100 s后变色ΔE不再有明显提升。

图7 微胶囊质量分数及紫外光照射时间对印花织物变色ΔE的影响

当紫外光照射时间相同时，印花织物的变色ΔE随微胶囊质量分数的提高而增加。采用20 W/m2紫外光照射100 s，质量分数为2%、6%、10%、14%的微胶囊印花织物变色ΔE分别为4.48、6.34、8.95、15.67。

图8示出微胶囊印花织物的变色ΔE随微胶囊质量分数及紫外光强度的变化。可以看出，微胶囊印花织物的变色ΔE随光功率密度的提高而增加。当光功率密度从0 W/m2提升至10 W/m2时，微胶囊印花织物的变色ΔE提升较快；光功率密度从10 W/m2提升至30 W/m2时，变色ΔE提升放缓。当微胶囊质量分数为14%时，光功率密度为10、20、30 W/m2紫外光照射印花织物的变色ΔE分别为10.82、15.67、19.02，在30 W/m2时达到最大值。当光功率密度相同时，印花织物的变色ΔE随微胶囊质量分数的增加而提高。

图8 微胶囊质量分数及紫外光强度对印花织物变色ΔE的影响

本文采用的变色色差比照方法具有检测迅速便捷、成本低廉的特点，但模拟的变色梯度受拍摄及印刷的影响，其颜色存在一定误差。

2.2.2 微胶囊印花织物的循环变色性能

图9示出微胶囊印花织物受紫外光和可见光循环照射20次的变色ΔE。可以看出：紫外-可见光循环照射0～12次，印花织物的变色ΔE范围为18.45～19.24;循环照射13～20次，印花织物的变色ΔE范围为16.88～17.67。紫外-可见光循环照射20次后，微胶囊印花织物的变色ΔE损失12.26%。

图9 紫外-可见光循环照射次数对印花织物变色ΔE的影响

2.2.3 黏合剂用量对耐摩擦色牢度的影响

表2示出微胶囊印花织物耐摩擦色牢度等级随黏合剂质量分数的变化。可以看出，黏合剂质量分数从12%提高至16%，耐湿摩擦色牢度从2级提高到4级，耐干摩擦色牢度保持不变。当黏合剂质量分数提高至18%时，耐干、湿摩擦色牢度等级最高，分别达4～5级和4级。黏合剂质量分数进一步提升至20%，耐干、湿摩擦色牢度降低。这是因为色浆的黏度随黏合剂质量分数的增加而提高，当黏度过高时，色浆在织物上出现聚集凸起，在外力作用下易脱落导致色牢度变差。综上可得，当微胶囊质量分数为14%时，耐摩擦色牢度达到最佳时的黏合剂质量分数为18%。

表2 黏合剂质量分数对印花织物耐摩擦色牢度的影响

3 结 论

1)本文制备的螺吡喃光致变色微胶囊有效粒径为872 nm，分散指数为0.34，其芯材含量为7.14%。经紫外光照射螺吡喃的水分散液在550 nm处出现吸收峰。

2)用所制备的螺吡喃微胶囊对棉织物进行印花，紫外光照射后其变色色差随微胶囊质量分数、紫外光强度和紫外光照射时间的增加而提高。经20 W/m2紫外光照射100 s后，微胶囊印花织物的变色色差不再明显提升。对于微胶囊质量分数为14%的印花织物，光功率密度为10、20、30 W/m2紫外光照射时，变色色差分别为10.82、15.67、19.02。说明在一定范围内，螺吡喃微胶囊印花织物的变色可以反映紫外光强度，表明其在智能纺织品方面有很大应用潜力。

3)紫外-可见光循环照射20次，微胶囊印花织物的变色色差损失12.26%，耐疲劳性能良好。随着黏合剂质量分数从12%提高至18%，微胶囊质量分数为14%的光致变色印花织物的耐摩擦色牢度达到最高，耐干摩擦色牢度最高可达4～5级，耐湿摩擦色牢度最高可达4级。