变色纺织材料及其在功能性服装中的应用
文献引用格式:黄大为,程伟,张新乐.变色纺织材料及其在功能性服装中的应用[J].纺织科技进展,2025,47(6):58-61.
变色纺织材料及其在功能性服装中的应用
黄大为,程 伟* ,张新乐
(武汉纺织大学服装学院,武汉 430073)
第一作者:黄大为(2001—),男,硕士在读,研究方向为服装设计与理论。
*通信作者:程 伟(1978—),男,副教授,硕士,研究方向为数字化服装艺术设计。
摘 要:变色纺织材料能够随外界环境变化改变颜色,这一智能特性在功能性服装领域具有广泛的应用前景。综合分析近年来相关领域的研究成果,根据变色条件的不同,详细分类介绍光致、湿致、电致、热致4种变色纺织材料及其性能与制备方法,并分别对它们在功能性服装的具体应用展开研究。结果指出,变色纺织材料根据特定条件下的变色特性,可在医疗、军事、运动等领域为功能性服装提供技术支持,主要功能为警示标识、防伪标识、数据监测、疾病诊断等。结合使用场景和市场需求,根据材料特性综合分析利弊,为制定变色纺织材料在功能性服装中的应用思路和未来发展方向提供一定的参考。
关键词:光致变色材料;湿致变色材料;电致变色材料;热致变色材料;功能性服装
随着科技的不断进步和社会需求的多样化,传统纺织材料已经逐渐不能满足现代人的需求,尤其是在功能性服装领域。功能性服装根据其使用目的、受众群体以及市场需求与行业发展衍生出不同的设计思路[1],而纺织材料的选择在功能性服装的设计中起到了重要的作用。智能纺织材料是指能够对某种刺激作出反应,产生性能变化的纺织材料[2]。选取特定的智能纺织材料能够让服装实现温度调控、自我清洁、健康监测等特殊功能。在这一背景下,变色纺织材料作为一种新型智能材料,因其独特的变色特性而受到了广泛关注,变色纺织材料在功能性服装中具有较大的应用潜力和良好的市场前景。在此,对变色纺织材料进行分类剖析,并探讨这种材料的功能性用途。
1 变色纺织材料的分类与性能
变色纺织材料是指能够在外界环境变化时改变颜色与明暗等物理性能的纺织材料,按照作用条件的不同,一般分为光致变色、湿致变色、电致变色、热致变色4种。
1.1 光致变色材料
光致变色材料是指在光照条件变化时发生颜色变化的材料。其原理是在特定波长的光线照射下,材料的结构发生改变,从而导致其吸收光谱变化,使颜色发生改变,当光线波长恢复时,又能够恢复原有结构,因而其变色具有可逆性[3]。光致变色材料分为有机和无机2种类别。有机光致变色材料主要为螺吡喃、螺恶嗪、螺旋恶嗪、偶氮苯类和二芳基乙烯等,无机变色材料主要为多金属氧酸盐、过渡金属氧化物、金属卤化物和稀土配合物等[4]。光致变色材料具有可逆性、反复性以及快速响应的性能特点,同时因其低成本、工序简单、绿色环保的特性而具有广阔的市场前景,迎合了当今服装产业的可持续理念,是一种较为理想的智能纺织材料。
1.2 湿致变色材料
湿致变色材料是指在湿度变化时发生颜色变化的材料。其原理是在吸收、失去水或其他溶剂后材料的分子结构或聚集状态发生变化,从而导致其吸收光谱变化,使颜色发生改变,当对材料进行脱水处理时,能够呈现可逆变化。同时,在环境湿度和吸湿剂的作用下,会催化这种材料的变色效果[3]。湿致变色材料分为有机和无机2类。有机湿致变色材料一般有醌类、苯酞类、三苯甲烷类等,而无机材料主要有钴盐、铜盐、含磺酸盐等,相比有机材料更加容易获得且对湿度更为敏感[3]。湿致变色材料具有可逆性、吸湿性、环境湿度响应性等特点,能够根据需要,通过调节材料的吸湿性能来调节材料的变色敏锐程度,且材料价格低廉,适合根据特定需求批量生产。
1.3 电致变色材料
电致变色材料是指在施加电场或电压时会发生颜色变化的材料。电致变色材料的变色机制是通过对材料施加电场或电压,使材料处于氧化还原状态,从而改变材料的结构或者光学性质,实现通过电场或电压控制材料的颜色及明暗度变化。电致变色材料分为有机和无机2类。有机电致变色材料常包括有机分子、聚合物和共价有机框架[5]。有机电致变色材料响应快速,易于通过溶液加工,但稳定性较差,缺乏商业化、批量化生产条件。而依靠过渡金属离子的氧化还原反应改变颜色的无机电致变色材料稳定性好,应用前景广。相对于其他变色材料,电致变色材料同样具备可逆性,不易受环境因素影响,具有更精准的可控制、可调节性,可选颜色丰富。
1.4 热致变色材料
热致变色材料是指在温度变化时会发生颜色变化的材料。与湿致变色材料类似,热致变色材料同样易受环境因素影响,在外界温度的变化下敏锐改变自身分子结构,从而呈现出色彩的变化。热致变色材料分为有机、无机和液晶3种类型。有机热致材料有螺环吡喃类、三苯甲烷类、荧烷类、螺恶嗪等,具有颜色组合自由度高、变色温度不高、变色灵敏度佳等优势[5],同时,由于其低造价、低毒性,适合作为纺织服装材料进行批量生产。无机热致材料主要为过渡金属化合物和金属络合物,可在30~500 ℃的温度范围内发生可逆变色,且具有良好的耐热性、耐久性、耐日晒牢度和混合加工性[6],但这种材料含有重金属成分导致其不适合作为贴合人体使用的纺织服装材料。液晶类热致变色材料根据内部分子排列情况分为向列型、近晶型和胆甾型,耐光性好、稳定性好、热敏性高,但由于其化学敏感性高、成本高、稳定性差,实际应用有限[3]。
2 变色纺织材料的制备
变色纺织材料的制备可以根据直接和间接2种应用形式分为变色纤维制备和变色染料制备。
2.1 变色纤维制备
变色纤维一般可以直接用于纺织面料。制备变色纤维主要有熔融纺丝、溶液纺丝、接枝聚合等方法。熔融纺丝法是将变色基团或材料加入聚合物,通过聚合、共混、皮芯复合等方式纺成变色纤维。溶液纺丝法是通过溶解聚合物和染剂,挤出拉伸并蒸发溶剂,制备变色纤维。接枝聚合法通过构建变色剂与聚合物表面的共价键结合,形成接枝结构,实现纤维变色。其中,接枝聚合法操作简便,应用范围广阔,是一种易于推广的变色纤维生产技术[7]。变色纤维制成的面料手感好、耐磨、耐洗涤、变色效果持久[8]。
2.2 变色染料制备
变色染料通常间接应用到变色纺织材料中,这一过程主要依靠微胶囊涂料技术实现。微胶囊技术利用聚合物薄膜包覆固体或液体颗粒,制得稳定、耐疲劳的微小颗粒,使用黏合剂将这种微小颗粒粘附到纤维或面料上就实现了变色材料的制备,如图1所示。使用变色染料制成的变色纺织材料具有化学性质稳定、适合后整理加工的优势。
3 变色纺织材料在功能性服装中的应用
变色纺织材料在服装上产生的视觉效果通常被认为具有科技感、艺术性、美观性,借助变色材料能够让服装产生动态美感[9],因而受到时装设计师们的青睐。对于功能性服装来说,变色纺织材料的变色特性一般能够起到警示标识、防伪标识、数据监测、疾病诊断等功能。
3.1 光致变色材料的应用
皮肤在紫外线的长期照射下可能会引发皮肤癌等疾病[10]。利用光致变色材料对紫外线的敏感性,可以设计出能够显示紫外线强度的服装,从而通过服装颜色的变化提醒穿着者紫外线辐射的强度,有效预防皮肤受损。使用螺吡喃等响应快速的有机光致变色材料能够提高服装预警的有效性。光致变色材料制成的服装在紫外线照射下发生颜色变化这一特性也可以用于帮助识别身份,起到防伪、身份验证的功能。
此外,利用稀土等无机光致变色材料响应速度慢的特点制成蓄光型发光材料[11],能够用于制作夜间或者低光环境下的工作服装,利用变色材料的亮度提高穿着者的可见性,增强作业安全性,如图2所示。
在军用领域,光致变色材料常被用于自适应伪装。利用光致变色材料的可逆性、反复性以及快速响应的特点,根据不同军事作战环境改变服装的颜色,从而融入环境,如图3所示,实现军事伪装目的。但目前光致变色材料主要通过紫外线照射的方式进行响应,关于可见光和红外光的响应变色材料有待研究[12],因此军事应用相对有限。
3.2 湿致变色材料的应用
湿度对于人体来说是衡量健康的标准之一,湿度过低或者过高都不利于人体健康。过低的湿度会导致皮肤干燥过敏、呼吸道黏膜干燥、眼睛干涩等健康问题。湿度过高会增加患风湿疾病的风险,还会加重疲劳感,使人不适。专业的皮肤湿度测量仪器不便于携带,而通过将湿致变色材料应用到贴合人体皮肤的服装上能够直观便捷地对人体湿度数据进行监测,预防和提醒潜在疾病威胁。湿致变色材料在运动服装、健康监测服装、户外探险服装上具有较大的应用空间。
3.3 电致变色材料的应用
电致变色材料相比于其他变色材料而言可控性、精准性更强,因此在应用方面也有新的拓展。电致变色材料同样可用于军事伪装服装领域,相较于光致变色材料,电驱动自适应伪装具有调控精确、响应速度快和光谱变化大等优势[12]。
利用电致变色材料的可控制性,智能服装可以实现图案或者文字的动态显示,为穿着者提供信息交流的新方式,如直观显示体温、心率或者环境信息等。电致变色材料还可以用于快速监测生物分子的存在和浓度,用于医学诊断、食品安全和环境监测等方面[7],为相关领域的服装提供了新的设计思路。
3.4 热致变色材料的应用
热致变色材料在服装中主要用于监测体温和疾病,通过材料的颜色变化可以清晰判断婴幼儿等特殊人群是否发烧、高温作业下的工人是否中暑、低温工作环境的工人是否失温。图4是英国发明家ChrisEbejer推出的Babyglow婴儿变色服,能够在婴儿发烧时改变服装的颜色。
热致变色材料可以通过每块肌肉在服装上呈现出的不同颜色来监测专业运动员的肌肉运动量以及体力消耗情况,从而为他们提供更加直观的运动分析和健康建议。RadiateAthletics公司在2013年推出了采用美国宇航局NASA 热感应技术的运动T恤,如图5所示。此外,热致变色材料还可以通过商标图案在特定温度条件下的可逆变色,起到防伪作用[13],可用于有身份认证需求的VIP特殊场所服装或是职业制服。
4 结束语
变色纺织材料根据其不同特性,在不同领域的功能性服装上展现出良好的应用价值。但在实际应用中仍面临着稳定性、耐用性、能耗及成本等方面的挑战,特别是对于服装领域而言,材料的环保和安全尤为重要。随着材料科学和纺织技术的不断进步,变色纺织材料在功能性服装中的应用将越来越广泛,将不断为社会和公众生活带来新的便利。未来,我们期望看到更多基于变色纺织材料的创新服装设计,以及这些技术为服装行业带来的巨大变革。
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