這種智慧材料 助衣服顏色實現“七十二變”
走近智慧紡織材料②
紡織材料之所以能像“變色龍”一樣善變，其奧秘主要來自於機敏變色材料。外界環境因素的變化，誘導變色材料的分子結構產生重排、開環閉環、互變異構等作用，導致分子結構中的共軛體系發生變化，從而在表觀上使材料的顏色發生改變。
在自然界中，有很多可根據環境而改變顏色的動植物“偽裝高手”。人們在驚歎世界真奇妙的同時，也積極在自然界中汲取靈感，努力開發具有“變色”功能的材料。
與大多數處於研發階段的變色材料不同，智慧變色紡織材料目前應用前景最為廣泛，且部分材料已經產業化並出現在日常生活中。天津工業大學紡織科學與工程學院教授馬曉光表示，智慧變色紡織材料具有獨特的智慧可逆變色特性，在保持紡織製品基礎功能的同時，將功能、時尚等融為一體，深受市場青睞。
機敏變色材料是紡織品“善變”的奧秘
“顧名思義，智慧變色紡織材料（變色纖維/織物）是一種能對外界環境因素的變化作出響應的智慧紡織品。”馬曉光介紹，將變色材料新增到紡織材料上，紡織材料的顏色會在受到光源、溫度等外界環境因素刺激後，發生可逆性變化，從而營造出絢麗多彩的視覺效果。
智慧變色紡織材料之所以能像“變色龍”一樣善變，其奧秘主要來自於機敏變色材料。外界環境因素的變化，誘導變色材料的分子結構產生重排、開環閉環、互變異構等變化，導致分子結構中的共軛體系發生改變，從而在表觀上使材料變換顏色。因機敏變色材料不同，智慧變色紡織材料主要可分為光致變色紡織材料和熱致變色紡織材料。
不過，研發製備智慧變色紡織材料並不是把機敏變色材料和紡織材料做個簡單的1+1=2的加法，將機敏變色材料與紡織材料結合的方法，有夾層法、浸漬法、塗層法、交聯法、微膠囊法、填充纖維法、纖維接枝法、成纖法等多種技術路線及相應的加工工藝。
“紡織品的可逆變色特性取決於機敏變色材料的變色效能。而機敏變色材料的效能又與技術路線的選擇和加工工藝的水平有關。”馬曉光表示，目前這幾種結合方式各有利弊。比如浸漬法是將織物浸漬在由機敏材料製成的分散液中，使機敏材料吸附在織物上。這種方法雖然簡單易操作，但產品牢度較差、不耐洗，一般僅供一次性使用；填充纖維法是將機敏材料填充到中空纖維之中，再紡織製成智慧織物。這種製備方法可保持較高的智慧變色效果，但填充工藝複雜、成本高，給實際生產帶來一定困難。
可在多個應用領域“一展身手”
早在Alexander Wang 2014秋冬系列中，設計師王大仁就將熱致變色油墨應用到面料上，結合多種油墨拼色的方法使得面料呈現出由黑色向彩色轉變的可逆效果，同時再結合鐳射切割、編織等手法，使作品成功吸引了觀眾們的目光。
“目前智慧變色紡織品的應用領域非常廣闊。比如在時裝界，特別是近些年，越來越多的國際時裝品牌開始嘗試將熱致變色材料應用於成衣設計中，將智慧變色與服裝設計相結合。”馬曉光介紹。
“在一般的民用服裝領域，我們將智慧變色服裝同感測器件相結合還能達到情感表達、健康監測等目的。”馬曉光舉例說，比如設計成可監測耐力及運動員面板溫度的運動衣，就可以透過衣服顏色的變化實時掌握運動員的身體疲勞程度。
此外，變色材料在疾病診斷等方面的應用也引起了人們極大興趣。比如人體各部位溫度是疾病診斷的重要依據，科學家採用液晶類熱致變色材料，設計出可對人體溫度進行靈敏監測的紡織貼片，用於感染和血液迴圈變化等的早期檢測。
“進入21世紀，具有熱致變色功能的紡織材料還越來越多地應用於航空航天、軍工等領域。同時在開發相關變色產業用布、裝飾面料、防護服裝等方面也取得了很好的經濟效益和社會效益。”馬曉光十分看好智慧變色紡織品的應用前景。
大範圍產業化尚面臨掣肘
“隨著科學技術的發展，成本低、效能優異的機敏變色材料相繼被研發出來，有些已實現產業化，促進了機敏變色材料產業鏈的形成，這對變色智慧紡織材料的研發有著極大的推動作用。”馬曉光介紹，目前我國已逐步完善相關加工技術，和英國、美國以及日本一起成為少數幾個能夠生產變色智慧紡織材料的國家。
“總體來看，智慧變色紡織品在國內外還處於研發推廣之中。由於機敏變色材料種類及應用技術的限制，大範圍產業化還需時日。”馬曉光解釋，可以產生變色效果的材料有很多種，但適用於紡織基體材料、並可用於製備智慧可逆變色紡織品的機敏變色材料，需要變色色譜寬、反應靈敏、具有可逆的快速響應速率；變色體系穩定且不損傷紡織基體；環保、成本低等，因此可供選擇的餘地很小。
另外，目前的變色材料普遍存在顏色變化範圍窄的缺陷，大多在同一冷暖色調內變化，例如從草綠（冷色調）到紫藍色（冷色調）；或僅是在同類色區域內顏色深度發生變化，例如從深藍色到淺藍色等。
“變色色譜能夠跨越色調、超出同類色的變色材料很少，而效能優良最終可實際應用的更是罕見。”馬曉光認為，顏色變化單一、色譜短缺，極大限制了機敏變色材料的應用及智慧變色紡織品的發展。
因此對於新型變色材料的研發，獲得一個全面擴充套件的變色色譜是非常重要的課題，也是研發廣域色譜可逆智慧變色紡織品所亟待解決的關鍵性問題。
科研工作者對此也在進行積極探索，比如馬曉光課題組，將最佳化的專用染料與基礎變色體系結合，設計、構架了一種熱致變色材料與專用染料的複合體系。透過互補原理，這種新型熱致變色材料的顏色可以在不同冷、暖色調之間可逆變化，表現出更寬的顏色變化範圍和豐富的熱致變色色譜。
在上述工作基礎上，課題組又研發出一種能連續變換幾種顏色的熱致變色體系，實現了對熱致變色紡織品變色溫度和變色色澤的控制，開發出變色色譜廣、色差明顯、精度高的新型熱致變色紡織品。
未來發展需精準設計變色效能
“隨著對各類智慧紡織材料不斷深入的研究，多功能融合的智慧變色紡織材料必然是未來的發展方向。”馬曉光舉例說，透過將導電織物的電阻加熱效能和熱致變色材料的變色效能相結合，可解決熱致變色織物顏色被動變化的問題，還可透過對發熱織物溫度的精確控制，結合熱致變色材料的色彩疊加，實現熱致變色織物多種顏色的變化；而光熱變色織物，則是利用日光響應型加熱層在太陽光照射下的光熱轉換效能，來實現顏色的調節。
在不同應用領域，產品對變色效能的需求不同。為了進一步開發智慧變色紡織材料，需要有針對性地對變色紡織材料的變色效能進行設計。例如針對不同的應用場景，研發出多樣變色效果的服裝，將其與人們日常生活中的各種服飾相結合，這樣的產品不僅能夠滿足大眾的需求，還具有廣闊的市場前景。
“智慧變色紡織品作為高附加值產品，它的發展符合《紡織工業‘十四五’發展規劃》中‘加快高功能紡織消費產品、智慧纖維及製品等先進紡織製品關鍵技術的突破’的要求。”馬曉光認為，雖然市場前景很好，但是隻有在把握好紡織品的安全性、環保性和耐用性的前提下，兼顧款式設計、色彩變換、面料選擇以及舒適性和衛生性等，才能更好地提高智慧變色紡織品的市場競爭力。
(科技日報)
