热致变色材料及其微胶囊技术

陈世怡

(北京化工大学材料学院 北京 100029)

热致变色材料及其微胶囊技术

陈世怡

(北京化工大学材料学院 北京 100029)

本文简述了热致变色材料的发展过程及发展趋势，介绍了热致变色材料的表征方法和研究方法，对热致变色材料进行了分类总结，对微胶囊技术的应用和特点进行了详细的展开描述，最后阐述了热致变色材料的应用。

热致变色材料；微胶囊；应用

1.引言

变色材料是一种新型的功能型智能材料，是一类可在外界光、热、湿、电等刺激下发生颜色改变的材料。按材料变色时所受外界刺激的不同，可分为光致变色材料、热致变色材料、电致变色材料和压致变色材料等几大类。本文主要介绍热致变色材料。

热致变色材料又称示温材料，是一类在某一特定温度区间内可以随外界温度的改变而发生颜色变化的材料，是一类具有热记忆功能的智能材料。在信息处理、工业防伪、服装纺织、航空航天、杂志印刷、建筑材料、医疗诊断、节能材料、装饰用品等多个领域都得到了比较广泛的应用。相信随着高新技术的发展，变色材料的研究将不断完善，具有更广阔的应用前景和更大的发展空间。[1]

2.热致变色材料的发展

自从1871年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。

随后，Seeboth等人又制得了具有热致变色特性的染料／聚乙烯醇水凝胶，Chung Woo-Young等人对上述染料／聚乙烯醇水凝胶进行了改进，这些热致变色材料均为三组分体系。

Baron和Elie制得了含双组分的一系列染料／Nation热致变色薄膜，Seeboth等人制得到了一种非水型热致变色材料[2]。

3.热致变色材料的研究方法

热致变色材料的主要性能指标是材料的变色温度。用于热致变色材料上的研究方法主要有差示扫描量热法(DSC)、紫外可见分光光度法、光散射法、动态流变法等。

差示扫描量热法（differential scanning calorimetry）这项技术被广泛应用于一系列应用，它既是一种例行的质量测试也是一个研究工具。该设备易于校准，使用熔点低，是一种快速和可靠的热分析方法。差示扫描量热法(DSC)是在程序控制温度下，测量输给物质和参比物的功率差与温度关系的一种技术。

紫外-可见分光光度法是根据物质分子对波长为200～760nm这一范围的电磁波的吸收特性所建立起来的一种定性、定量和结构分析方法。操作简单、准确度高、重现性好。波长长（频率小）的光线能量小，波长短（频率大）的光线能量大。分光光度测量是关于物质分子对不同波长和特定波长处的辐射吸收程度的测量。通过对聚合物的光谱扫描和对一定波长下透光率的对比，可直接读出其变色特性。该方法灵敏准确，可以研究热致变色材料的整个变色过程。

光散射法可以得知溶液中大分子的尺寸形态及相互作用情况，比紫外-可见分光光度法中的云点法和差示扫描法提供更多的微观信息，用于研究聚合物的整个变色过程。

动态流变学方法用来研究热敏聚合物材料的热敏行为。该方法的本质在于当温度接近变色温度时，聚合物体系出现明显的浓度变化。该方法的优点在于：聚合物的结构在测定过程中不受影响；对于大部分热致变色聚合物体系的变色行为都能进行比较可靠的测定。

4.热致变色材料的分类

热致变色材料的种类很多，按照不同的分类方法，可以得到不同的分类结果：

（1）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；

（2）按其热变色温度范围（T为热变色温度），可分为低温型(T<373K)、中温型(373K873K)；

（3）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)；

（4）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[3]。

5.热致变色材料的微胶囊化

5.1 微胶囊技术的应用

纺织品涂料印花通常采用有机类热致变色材料，是一种有机复配物，为了提高有机复配物的化学稳定性，通常将高分子材料作为壁材包封变色复配物芯材，将其制成微胶囊后使用。微胶囊包覆之后，变色材料作为芯材被全部包覆于壁材里，与外界环境隔绝，提高了变色材料的环境适应性和化学稳定性[4]。

在医用热敏记录材料中，主要应用的是热敏微胶囊技术。将隐色染料重氮盐包覆在微胶囊内，将显色剂置于微胶囊外侧，在常温下用微胶囊壁将发色成分隔开。当在微胶囊壁材的玻璃化温度以上时，形成微胶囊囊壁物质的透过性明显增加，使得显色剂等向胶囊内渗透，因发色成分瞬间接触而发色，由此得到稳定的热敏记录材料[5]。

5.2 微胶囊技术及特点

微胶囊技术（Microencapsulation）是微量物质包裹在聚合物薄膜中的技术，是一种储存固体、液体、气体的微型包装技术。目前已在食品、纺织、医药、建筑材料等多方面得到了广泛的应用。其优点主要表现在以下几方面：

（1）提高热致变色材料的化学稳定性：有效地减少了活性物质对外界环境因素（如光、氧、水）的反应。

（2）提高材料的耐久性：严密的包覆壳使变色材料即使受热熔融也能很好的包覆在囊壁内，有效成份不会流失，从而提高了材料的耐久性。

（3）提高变色材料的利用率：包覆后，变色材料全部被包覆在囊壁内，使用时不会粘附在机械表面，材料的利用率得到提高。

（4）环保：经微胶囊包覆后的变色材料与包覆前相比更容易清理，使用的洗涤剂较少，且废水的净化处理也相对更容易。

6.热致变色材料的应用

6.1 热致变色材料在防伪包装领域的应用

目前，热致变色液晶的防伪作用一般是通过制成液晶防伪油墨和液晶防伪纸来实现的。

液晶防伪纸是将具有热色效应的液晶涂于纸基上，利用热致变色液晶的可逆变色特性来鉴别真伪的。液晶油墨在温度变化时显现出明暗图文，且图文可随温度的变化呈现不同的颜色，具有实施简单、成本低、隐蔽性好、色彩鲜艳、重现性强等优点，是各国纸币、票证及产品商标的首选防伪技术。

6.2 热致变色材料在服装行业的应用

在服装行业中，应用变色温度不太高的材料印刷在衣服上面，当人穿上这种衣服的时候，材料受热颜色会发生变化，深受年轻人喜爱。

7.结语

目前，我国的变色材料领域有许多研究课题有待于突破，通过查阅有关文献和撰写论文，我对此提出以下见解：

（1）我们可以将变色材料运用在军事方面，可制作像变色龙一样的智能度很高的变色材料，给军人形成一种保护色，我认为这个技术会对军事和国防领域带来很大的突破。

（2）变色服装虽然现已研究开发出来，可是并未实现大规模生产，是由于它的技术尚未成熟，成本较高，我认为可以从微胶囊的材料入手，对壁材和芯材的材料加以探索，找到成本更低、性能更好的材料。也可以试着对原有材料进行共混改性或化学改性，提高它的各方面性能。

（3）我们可以将变色材料巧妙地运用于刑事案件侦破中，比如我们可以将对体温敏感的材料穿戴在身上，轻松或者开心时是一种颜色，悲伤或者紧张时会变成另一种颜色。这样可以很直观地看出人的喜怒哀乐，在侦破案件或审犯罪嫌疑人时会有很大的帮助。与微表情学、心理学相得益彰，可以对案情发展起到重大作用。

[1]徐栋.陈宏书.王结良.XU Dong.CHEN Hongshu.WANG Jieliang 变色材料的研究进展[J].兵器材料科学与工程，2011(3).

[2]吴玉鹏，高虹.热致变色材料的分类及变色机理[J].节能，2012(1).

TP204

A

1009-5624（2016）05-0086-03