走近前沿新材料I：会变色的纤维

侯成义，王宏志今日新材料 2023-01-06

收录于合集 #走近前沿新材料 56个

导读：近些年，随着可穿戴电子产品的日益普及和智能服装概念的兴起，智能纤维和织物引起了人们的广泛关注。智能变色纤维作为智能纤维的重要分支，在可穿戴显示、视觉传感和自适应伪装等领域有着广阔的应用前景。

东华大学材料学院王宏志教授带领侯成义等团队人员，依托东华大学在纤维材料方向的学科与技术优势，利用电致变色、电热致变色及结构色原理，长期致力于实现纤维织物色彩的智能变化，搭建智能变色纤维的连续化加工平台，希望推动智能变色纤维在国家战略特需与时尚创意两个方面的应用（来自中国科学杂志社）。

生活中的颜色是五彩缤纷的。颜色在人类的手中则发挥着更加奇妙的作用，人们不仅利用颜色来感知或影响周围的环境，还像动植物一样，将颜色赋予到与人类息息相关且最为重要的衣服饰品上，通过简单且富有想象的组合，使得我们的生活色彩斑斓。

随着社会的发展，人们对于吃穿住用行等和自身联系极为紧密的方方面面的要求越来越高，高度便携化、智能化、多功能化设备成为发展的主流。衣物饰品作为与人类联系最为紧密的方面之一，其智能化更是受到广泛关注。其中颜色对于服饰来说，其重要性不言而喻，不同的颜色的服装使得我们的穿着含义丰富靓丽多彩，但是人们渐渐的发现，对于传统的染整技术来说，现有的服饰颜色大都是通过各种染料调配而成，颜色一旦成型就无法智能变化，这些单一功能的颜色大大限制了彩色服饰在更多领域的应用，因此变色纤维的研究对智能变色服饰等实际应用的实现十分重要。

图1 生活中的色彩。

1. 变色纤维的起源

变色纤维，是变色材料研究领域的一个小分支，它最早应用在1970年的越南战争的战场上，美国的CYANAMIDE公司为满足美军对作战服装的要求而开发的一种可以吸收光线后改变颜色的织物。此后各种变色复合纤维，如绣花丝线、针织纱、机织纱等，广泛用于装饰皮革、运动鞋、毛衣等，受到人们的广泛喜爱。

2. 变色纤维的概念与种类

变色纤维，是指随外界环境条件(如光、热、电等)的变化而显示不同颜色的纤维，比如光致变色纤维、热致变色纤维、电致变色纤维和结构色纤维等。

2.1 光致变色纤维

光致变色，是指一个化合物(A)在受到一定波长的光照下，进行光化学反应，生成产物(B)，由于化合物结构的改变导致其吸收光谱发生明显的变化即发生颜色变化，而在另一波长的照射下，又能恢复到原来状态的现象。

图2 物质的光致变色反应和吸收光谱。

最早在十九世纪Y. Hirshberg等人观察到光致变色现象，在40年代又发现了无机化合物和有机化合物的光致变色现象。G. Porter的时间分辨光谱技术的发明，加速了对光致变色物质研究的进程。光致变色材料主要分为有机光致变色材料、无机光致变色材料。有机光致变色材料主要有螺吡喃类、俘精酸酐类、偶氮苯类、二芳基乙烯类、螺噁嗪类等，无机光致变色材料主要有过渡金属氧化物类、金属卤化物类、多金属氧酸盐类、稀土配合物类等。

根据如何将光致变色染料引入纤维以及光致变色染料和纤维基质之间是否形成化学键，光致变色纤维的制备可以分为物理、机械法和化学法。物理或机械法是指染料和纤维通过物理手段联系在一起，比如原料共混物理改性、复合纺丝、纤维浸渍涂覆等方法。化学法是指染料和纤维通过化学键结合，生成新的光致变色聚合物纤维，比如对原料进行化学改性后纺丝、对成型纤维或天然纤维进行化学接枝改性等。

2.2 热致变色纤维

热致变色材料，是指一些化合物或混合物在受热或冷却时可见吸收光谱发生变化的功能材料，它具有颜色随温度改变而变化的特性，发生颜色变化的温度称为变色温度。热致变色材料从热力学角度(按其热变色的可逆性)，可分为不可逆热致变色材料和可逆热致变色材料两大类；按其热变色温度范围，可分为低温型(T＜373 K)、中温型(373 K＜T＜873 K)和高温型(T＞873 K)；根据其在某一温度范围内的变色次数，可分为单变色型(有色到无色、无色到有色、颜色A到颜色B)和多变色型(颜色A到颜色B到颜色C)；从现有可逆热致变色材料的组成和性质来看，可分为无机类、有机类和液晶类三大类。

自从1871年E. J. Houston观察到CuI等无机物的热致变色现象以来，人们对热致变色进行了不断的研究，具有可逆热致变色性质的化合物范围已从简单的金属、金属氧化物、复盐、络合物发展到各种有机物、液晶、聚合物以及生物大分子等。热致变色材料可以用于制作示温涂料、热变色墨水、变色服装等。目前已有变色T恤面市，在太阳光照射下，它可以随温度的不同而变换颜色。

热致变色纤维的制备方法，是将热敏变色剂充填到纤维内部，由融熔共混纺丝液制成。另一种方法是将含热敏变色微胶囊的聚合物溶液涂于纤维表面，并经热处理使溶液成凝胶状来获得可逆的热致变色功效。

图3 热致变色T恤。

2.3 电致变色纤维

电致变色，是指材料在外加电场或电流作用下所引起的颜色和透明度的可逆变化。这种变化是由于材料在紫外、可见光或近红外区域的光学属性(透射率、反射率或吸收率)在外加电场作用下产生了稳定的可逆变化而引起的。电致变色一词是由美国芝加哥大学J. R. Platt在1961年首次提出。直到1969年美国科学家S. K. Deb才首次详细地描述了非晶态WO3薄膜的电致变色现象，并提出“氧空位色心”的变色机理。此后，随着研究的深入，研究者们相继发现了多种新型电致变色材料。

电致变色材料按材料类型可分为无机电致变色材料和有机电致变色材料两大类。无机电致变色材料多为过渡金属氧化物及其衍生物，主要包括三氧化钨，五氧化二钒，氧化镍等。有机电致变色材料按照结构可以分为氧化还原性化合物，金属有机螯合物和导电聚合物，主要有紫罗精衍生物，金属酞花菁，聚苯胺等。无机电致变色材料一般具有着色效率高、响应时间快、电化学可逆性好、化学稳定性好、成本低等特点，其光吸收变化是由于离子和电子的双注入和双抽出而引起的。有机电致变色材料一般色彩丰富，易于进行分子设计，经过小分子掺杂后显示出很高的导电性和电致变色现象，其光吸收变化来自氧化还原反应。由于电致变色器件的多层结构，目前的电致变色纤维仍处于研究阶段，还没有具体的实际应用。

2.4 结构色纤维

结构色纤维，是指表面或内部因周期性结构而具备颜色的一类纤维。结构色来源于光与微结构的相互作用，其光学效应主要是由多层薄膜干涉、表面或体周期性结构相联系的衍射和由亚波长大小的颗粒产生的波长选择性散射引起的。自然界中有许多美丽的物质，如蝴蝶翅膀、孔雀羽毛、甲虫翅鞘等，它们本身并没有色彩，当被光照射时，物体利用自身特殊的微纳组织结构能够使光发生光学现象，从而产生颜色，即为结构色。

在自然界实例的启发下，Nauss最先提出了结构色概念。他指出，结构色的实质是物理光学的光栅衍射、干涉、反射、散射等过程所引起的生色效应。与由色素引起的化学色相比，由物体特殊的表面结构引起的结构色具有饱和度高、亮度高、虹彩性(结构色的光泽、色彩与观察者的观察角度有关)等性质，且结构色纤维也不像化学色会随着化学染料的老化而褪色。

结构色产生的原理大致可以分为以下几种：单层或多层薄膜干涉、栅格衍射、散射和光子晶体。目前制备光子晶体纤维的主要方法有多层膜干涉、自组装、电泳沉积、静电纺丝、热压印、微型挤压等。

图4 自然界中的光子晶体。(a) 孔雀羽毛的颜色；(b) 天然蛋白石结构；(c) 具有金刚石结构光子晶体的Lamprocyphus augustus象鼻虫。

3. 变色纤维的应用

3.1 变色服

所谓变色服，是指能够随着周围环境的变化而自动变色的服装，它是由变色纤维制造的，或是织物采用变色染料印染而成的服装。采用变色纤维制做的伪装服，可随地貌环境的变化而交替变换不同的颜色。如用于作战服装的“变色龙”，在雪地中呈白色，在沙漠中呈黄褐色，在丛林中呈绿色，在海洋中呈篮色。美军开发的采用电致变色光敏材料的变色伪装系统，采用可对电场变化做出响应的液态染料和固态颜料混合物填充到中空纤维中或改变光纤的表面涂层材料，其中噻吩衍生物聚合后特有的电和溶剂敏感性受到格外重视。电场变化由配有电脑的摄像头根据周围环境的不同而产生，这样由染料和颜料混合物共同决定的颜色就会发生改变，于是该系统便会根据士兵周围的环境而产生不同的伪装效果。

20世纪80年代以后，变色服装在民用领域得到广泛应用，如日本东邦人造纤维公司研制出一种叫“丝为伊”的变色服，当被紫外线照射时颜色发生变化。该公司还制成一种感温变色游泳衣，不同温度下变化出各种颜色的。进入21世纪后，变色服装的研制取得更大的进展，如日本研究了一种光色性染料，能使合成纤维织物“染”上周围景物的颜色，把人的服装“融”在自然景色中。英国科学家将液晶材料微胶囊加工成可印染的油墨，涂敷在一种黑色纤维表面，随身体部位不同以及体温变化而瞬息万变显示出迷人的色彩。

我国试制的见光变色睛纶线，编织成衣料后能随光源变化转换色彩。优尔创出品工作室和美国Radiat公司合作研发了世界上首款热感应变色T恤——Radiate。这是一款极其炫酷的运动T恤，能根据身体辐射出来的热量改变光子的反射方式，继而让衣服的颜色发生改变。穿上这件衣服运动时，身体不同部位的肌肉运动量不同，散发出的热量不同，衣服对应部位的颜色，就会有所不同。

图5 Radiate运动T恤。

3.2 名牌服饰防伪技术

名牌服饰标识防伪技术是指在商标特定部位采用“紫外隐形文字图案”、“温变识别”和“手感立体文字”技术，可以通过验钞机或手摸识别真伪，必要时候还可以加入“红外检测”，大大增加了技术含量，提高了假冒难度。

图6 防伪标识。

3.3 其它方面

(1) 防毒服物

现代战争发生在城市或城市的周边地带，为了限制非战斗性的严重伤亡，这就要提高战士的能力。其中变色纤维起到了举足轻重的作用。比如将植有化学检测传感器的变色纤维织物制成服装让战士穿上当有毒物质存在时，织物就会象石蕊试纸一样变色。还有用变色纤维织物制成的手套只要戴上这种手套把手插入水中，就能从它的颜色变化中得知水是否可以安全饮用。

(2) 变色墙布: 、

利用光致变色纤维和热致变色纤维的变色原理，可以使室内的墙布或涂料早上、中午、晚上各呈现不同的颜色和图案；还可以根据季节的不同呈现不同的颜色和图案——夏季呈冷色调，冬季呈暖色调，春秋季呈中性色调。

本文作者：东华大学材料学院侯成义，王宏志

中国科学技术大学出版社

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内容简介

　　我国高新技术产业发展面临的“卡脖子”问题，很多就卡在材料方面。新材料产业是制造强国的基础，是高新技术产业发展的基石和先导。为了普及材料知识，吸引青少年投身于材料研究，促使我国关键材料“卡脖子”问题尽快解决，中国材料研究学会特意组织了一批院士和材料专家，甄选部分对我国发展至关重要的前沿新材料进行介绍。《走近前沿新材料（1）/前沿科学普及丛书·新材料科普丛书》涵盖了20种新的前沿新材料领域新名词，主要包括信息仿生材料、纳米材料、医用材料、能源材料。所选内容既有我国已经取得的一批性技术成果，也努力将前沿材料、先进材料优势的智力资源不断引入国内，助力推动我国材料研究和产业快速发展。每一种材料的科普内容独立成文，深入浅出地阐释了新材料的源起、范畴、定义和应用领域，并配有引人入胜的小故事和原创图片，让广大读者特别是中小学生更好地学习和了解前沿新材料。