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这种智能材料帮助衣服在颜色上实现“七十二变”

2021-09-22 15:13:00 来源:科技日报

这种智能材料可以帮助衣服在颜色上实现“七十二变”。

走近智能纺织材料。

纺织材料之所以能像变色龙一样善变,是因为其中的奥秘主要来自于智能变色材料。外界因素的变化在变色材料的分子结构中诱发重排、开环闭环、互变异构等作用,导致分子结构中共轭体系的变化,从而使材料的颜色发生明显变化。

自然界中有很多动植物“伪装大师”,可以根据环境改变颜色。人们在惊叹美好世界的同时,积极从大自然中汲取灵感,努力开发具有“变色”功能的材料。

与研发阶段的大多数变色材料不同,智能变色纺织材料目前具有最广泛的应用前景,部分材料已经产业化并出现在日常生活中。天津理工大学纺织科学与工程学院教授马晓光表示,智能变色纺织材料具有独特的智能可逆变色特性,既保留了纺织产品的基本功能,又将功能与时尚融为一体,深受市场青睐。

智能变色材料是“善变”纺织品的奥秘。

“顾名思义,智能变色纺织材料(变色纤维/织物)是一种能够响应外界环境因素变化的智能纺织品。”马晓光认为,在纺织材料中加入变色材料后,受到光源、温度等外界环境因素的刺激,纺织材料的颜色会发生可逆的变化,从而产生多彩的视觉效果。

智能变色纺织材料之所以能像“变色龙”一样善变,主要来自于智能变色材料。外界因素的变化导致变色材料的分子结构发生重排、开环闭环、互变异构等变化。导致分子结构中共轭体系的改变,从而使材料发生明显的颜色变化。由于智能变色材料的不同,智能变色纺织材料可分为光致变色纺织材料和热致变色纺织材料。

但智能变色纺织材料的研发并不是简单的将智能变色材料和纺织材料按1 1=2相加,而是智能变色材料和纺织材料的结合。有三明治法、浸渍法、涂布法、交联法、微胶囊法、填充纤维法、纤维接枝法、纤维成型法等多种技术路线和相应的加工工艺。

“纺织品的可逆变色特性取决于智能变色材料的变色性能。智能变色材料的性能与工艺路线的选择和加工工艺水平有关。”马晓光说,目前,这些组合各有利弊。例如,浸渍法是将织物浸入由智能材料制成的分散体中,使智能材料吸附在织物上。这种方法虽然简单易操作,但产品牢度差,不耐洗,一般只使用一次。填充纤维法是将智能材料填充到中空纤维中,然后纺成智能织物。这种制备方法可以保持较高的智能变色效果,但填充工艺复杂,成本较高,给实际生产带来一定困难。

能在多个应用领域“大显身手”。

早在亚历山大王2014秋冬系列中,设计师王大仁就将热致变色油墨应用到面料上,结合多种配色方法,使面料呈现出从黑色到彩色的可逆效果。同时,结合激光切割和编织技术,作品成功吸引了观众的注意力。

“目前,智能变色纺织品的应用领域非常广阔。比如在时尚行业,尤其是近年来,越来越多的国际时尚品牌开始尝试将热致变色材料应用到成衣设计中,将智能变色与时尚设计相结合。”马晓光介绍。

此外,变色材料在疾病诊断中的应用也引起了人们的极大兴趣。例如,人体各部位的温度是疾病诊断的重要依据。科学家设计了一种纺织贴片,通过使用液晶热致变色材料,可以灵敏地监测人体的温度,可用于感染和血液循环变化的早期检测。

“21世纪,具有热致变色功能的纺织材料越来越多地应用于航空航天、军事等领域。同时,在相关变色工业面料、装饰面料、防护服的开发上也取得了良好的经济效益和社会效益。”马晓光非常看好智能变色纺织品的应用前景。

大规模工业化仍面临制约。

“随着科技的发展,低成本、性能优异的智能变色材料相继被开发出来,部分已经实现产业化,推动了智能变色材料产业链的形成,极大地推动了变色智能纺织材料的研发。”据马晓光介绍,目前,中国已逐步完善相关加工技术,与英、美、日一起,成为少数能生产变色智能纺织材料的国家之一。

“总的来说,智能变色纺织品在国内外仍在开发和推广。由于智能变色材料和应用技术的限制,大规模产业化还需要时间。”肖解释说,能产生变色效果的材料有很多种,但都适用于纺织基体材料和智能变色材料,可用于制备智能可逆变色纺织品。它们需要宽的变色色谱、灵敏的响应和可逆的快速响应速率。变色体系稳定,不破坏纺织品基体;环保,成本低,所以选择余地小。

此外,目前的变色材料普遍存在变色范围窄的缺陷,大多在同一个冷暖色调下变化,如从草绿(冷色调)到紫蓝色(冷色调);或者只有同一个颜色区域的色深发生变化,比如从深蓝色变为浅蓝色。

“能在变色色谱中跨越色调、超越相近颜色的变色材料非常少,能在实际应用中表现优异的更是凤毛麟角。”马晓光认为,单一的颜色变化和色谱的不足极大地限制了智能变色材料的应用和智能变色纺织品的发展。

因此,对于新型变色材料的研发来说,获得全面、拓展的变色色谱是一个非常重要的课题,也是广域色谱可逆智能变色纺织品研发中亟待解决的关键问题。

研究人员也在积极探索这一点。例如,马晓光研究小组将优化设计。

用染料与基础变色体系结合,设计、构架了一种热致变色材料与专用染料的复合体系。通过互补原理,这种新型热致变色材料的颜色可以在不同冷、暖色调之间可逆变化,表现出更宽的颜色变化范围和丰富的热致变色色谱。

在上述工作基础上,课题组又研发出一种能连续变换几种颜色的热致变色体系,实现了对热致变色纺织品变色温度和变色色泽的控制,开发出变色色谱广、色差明显、精度高的新型热致变色纺织品。

未来发展需精准设计变色性能

“随着对各类智能纺织材料不断深入的研究,多功能融合的智能变色纺织材料必然是未来的发展方向。”马晓光举例说,通过将导电织物的电阻加热性能和热致变色材料的变色性能相结合,可解决热致变色织物颜色被动变化的问题,还可通过对发热织物温度的精确控制,结合热致变色材料的色彩叠加,实现热致变色织物多种颜色的变化;而光热变色织物,则是利用日光响应型加热层在太阳光照射下的光热转换性能,来实现颜色的调节。

在不同应用领域,产品对变色性能的需求不同。为了进一步开发智能变色纺织材料,需要有针对性地对变色纺织材料的变色性能进行设计。例如针对不同的应用场景,研发出多样变色效果的服装,将其与人们日常生活中的各种服饰相结合,这样的产品不仅能够满足大众的需求,还具有广阔的市场前景。

“智能变色纺织品作为高附加值产品,它的发展符合《纺织工业‘十四五’发展规划》中‘加快高功能纺织消费产品、智能纤维及制品等先进纺织制品关键技术的突破’的要求。”马晓光认为,虽然市场前景很好,但是只有在把握好纺织品的安全性、环保性和耐用性的前提下,兼顾款式设计、色彩变换、面料选择以及舒适性和卫生性等,才能更好地提高智能变色纺织品的市场竞争力。

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