有机可逆热致变色材料的变色机理及进展分析

吴哲 刘金波 牛笑一

摘    要：热致变色指的是一些有机化合物与一些混合物在受热或者是冷却时，因吸收光谱而发生变化的一种性质。一些具有热致变色特性的物质材料就被称为热致变色材料。热致变色材料是由一种变色物质再加上其他成分的辅助材料所组成的功能材料，热致变色材料的颜色可以随着温度的改变，从热力学角度上来讲，热致变色材料可以分为不可逆变色和可逆热致变色两类。

关键词：有机可逆;热致变色材料;变色机理;应用进展

1  引言

与传统的无机可逆变色材料相比，有机可逆热致变色材料的低温变色性能较为优于传统的变色材料。因其特殊的热性能已受到大量研究者的关注，目前我国所研究和开发出来的有机可逆热致变色材料的种类已经不少，如有机、液晶等种类，它们的变色机能不尽相同。近几年低温可逆热致变色材料已经成为了热点研究，特别是低温有机可逆热致变色材料，它具有变色明显、颜色可自由组合以及变色温度选择性大等多种优势，现已被广泛应用于日常生产和生活的各个方面。

2  有机可逆热致变色材料的变色机理

2.1  物质结构的变化

有机可逆热致变色化合物物质结构的变化主要有晶体结构的变化、配位场与配位数的变化以及几何构型和分子结构的变化。晶体结构的变化指的是大部分无机热致变色化合物因晶体的转变或者是晶格常数的变化所引起的颜色变化。从理论上来讲，如碘化物、配合物以及复盐等，从理论方面来讲这类热致变色化合物的变色特性一般具有可逆性，但在冷却时发生晶体结构转变的较慢，所以这类热色性变化会在短时间内表现为不可逆。配位场与配位数的变化以及几何构型变化，指的是因配位数的几何构型的变化所引起的配合物颜色随着温度而变化。分子结构的变化指的是，由分子结构的变化所造成的有机化合物颜色随着温度的变化而变化。这种变化包括酸和碱、酮和烯醇以及内亚胺酸和内酰胺等物质之间的移动，有机化合物的氢迁移及分子受热开环或者是关环等等[1]。

2.2  有机分子中的电子转移平衡反应

有很多物質本身是没有热致变色性质的，但当它与其他一些适当的化合物进行混合后，在加热时也是会发生颜色变化的。这种可逆热致变色化合物所发生的颜色变化是通过电子在有机分子中的转移而吸收或者是辐射了一定的波长光，二而导致的化学平衡移动表面上便发生了颜色的变化。

2.3  分子间的质子得失

通常有机可逆热致变色材料的热变色体系发色剂主要是酸碱指示剂，这类显色剂通常是一些可以提供质子的酸弱。当温度发生改变的时候，发色剂就会得到或者是失去质子，这个时候发色剂的酸式结构与碱性结构就会相互转化，从而就引起颜色的变化。但通常热变色材料的颜色变化一般都是与指示剂PH值变化的颜色变化一致[2]。

3  有机可逆热致变色材料的应用进展

3.1  防伪材料

众所周知伪造货币、票据以及商标等行为会产生非常严重的后果，因此我国一直在致力于防伪技术的研究。目前我国主要的防伪手段有水印防伪、激光防伪以及隐形条码防伪等，其中激光全息防伪主要用于防伪商标，但激光防伪的设备价格昂贵且造价高。而基于热致变色材料变色机理的化学防伪不仅制作简单方便识别，而且造价成本较低，这种化学防伪在技术保密性方面和防伪有效性方面有着较大的优势。现阶段，这种化学防伪标记通常情况下都是直接印刷在商标、标签或者是商品外包装上面。采用有机可逆热致变色材料所制作的防伪商标，可在一定温度下发生可逆变化，这样便能起到防伪的目的。这种方法生产工艺较为简单且不易仿制，而且与无机热致变色材料相比有机可逆热致变色材料的耐久性较好、变色温度以及颜色都是可以进行选择的，目前，有机可逆热致变色材料是我国制作化学防伪标记的首选材料。

3.2  日用品

有机可逆热致变色材料可用于家用电器适宜温度的指示，例如蔬菜、水果以及各种乳制品等食品的适宜保存温度的指示。人们还将有机可逆热致变色材料制作成指示冷热的智能型材料，比如将涂料镀膜在木材或者金属和陶瓷等基材上，也可以做成指示冷热的可变色茶杯或者是婴儿可用的汤勺以及奶瓶等。例如，美国一家科技公司就将热色性涂料应用于陶瓷杯上，常温下杯体呈夜幕色，而倒入热水后黑夜景色就消失并显示白天的景象，通过景象人们就可以知道水的温度，同时还能给予我们以赏心悦目之感。应用在婴儿可用的汤勺、奶瓶上也是同样的道理，如果食物很烫，加在勺柄和瓶口的有机可逆热致变色材料就会发生颜色上的变化，提醒大人目前的食物过烫不适合婴儿食用[3]。目前变色的铅笔、变色指甲油以及热敏体温计等产品都已研发流入市场，这些产品的研发给人们的日常生活带来了极大的便利。

3.3  建筑行业

有机可逆热致变色材料还可用于建筑行业当中，可以制作调光窗或者是变色涂料。在室内装潢时，人们可以选择合适颜色的有机可逆热致变色涂料来代替普通的建筑涂料，涂层可以随着季节和温度的变化呈现出不同的颜色，例如夏天的时候呈现的为冷色调，冬天的时候是暖色调。这样一来可以起到一个美化居住环境的作用，人们的生活可以变得更为舒适。

3.4  工业

将有机可逆热致变色材料涂在被监视物的表面，可以长期的显示它的一个温度变化，这种涂层适用于一些危险区域的温度监察警报或者是温度指示。例如特殊低温工业的温度检示以及化学反应进行过程中的温度升降与反应热检测或者是电气回路与电器过载发热的温度预警标识等方面。除温度感知之外，有机可逆热致变色材料还可以制作成电池电压的测试片，可以将电池电能通过测试片的导电层转化为热能，这样就能根据其中的可逆热变层所发生的颜色变化来推测出干电池的电压高低。或者可以在汽车轮胎的边缘加入合适的热变色材料，来制作成一种智能轮胎。当外界温度或者是轮胎内部的温度超过汽车轮胎的正常使用温度的时候，汽车轮胎就会发生颜色变化给予车主以警告;当然还可以将有机可逆热致变色材料用于制作变色车窗以及变色油漆等，变色车窗是近几十年来各个发达国家相竟研究的一个重要课堂，现阶段相关国家已有电致变色调光车窗玻璃的报道，但热变色车窗玻璃还在进一步的研发当中[4]。

4  结束语

总而言之，虽然在我国有机可逆热致变色材料已经受到了广泛的关注和应用，但在实际的应用中却容易遭受到环境的影响，容易降低热敏性或造成热敏性丢失，相较无机可逆热致变色材料来说，有机可逆热致变色材料显示出了优良的性能，但在高温方面有机可逆热致变色材料的应用还是较少，因此我们还需要加大研发力度。

参考文献：

[1] 宋晓丽，李字明，陈靖文等.热致变色材料在智能社会中的发展现状及趋势[J].精细化工，2020（3）：452～461.

[2] 谢东津，王楠楠，汤丹等.FTIR对于PVA-Cu热致变色体系的研究[J].光谱学与光谱分析，2018（S1）：41～42.

[3] 张亚娜，王俊林，李小妹等.聚二炔酸/α-FeOOH复合材料热致可逆变色性能[J]. 精细化工，2019（4）：609～615.

[4] 汪鹏飞，王瑞侠.具有热致变色行为的铜配合物合成与表征的综合性材料化学实验设计[J].池州学院学报，2018（3）：130～132.

基金项目：

1.地板用长白山臭松改性利用技术研究，课题编号：20160828;

2.家具用山杨改性利用技术的研究成果中试，课题编号：20180706

作者简介：

吴哲（1996—）男，汉族，安徽省泾县人，硕士在读，专业：林业工程。

通讯作者简介：

牛笑一（1973—）男，硕士，教授，主要从事家具材料研究。