服装用电热致变色纤维材料的制备及性能

李启兵

(黎明职业大学 轻工学院，福建 泉州 362000)

变色服装作为现代表演用的重要道具，一直备受研究者重视。但变色纤维的耐久性、变色响应性较差，阻碍了变色纤维的应用。传统的变色纤维制备方法有微胶囊法[1]、复合纺丝法[2]、浸渍法[3]等。其中：复合纺丝法因热敏性材料容易被破坏，效果不是很理想；浸渍法制备得到的变色纤维色性差，不耐洗涤；微胶囊法制备的纤维耐久性好，变色性能稳定。本研究尝试制备一种电热致变色纤维，以期为表演用服装材料的创新提供参考。

1 实验材料与方法

1.1 材料与设备

实验材料：变色微胶囊(常州汉斯化学品有限公司，直径为3～7 μm)，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，淮安佳琪新材料科技有限公司，1.18 g/m3)，二甲基甲酰胺(DMF，山东聚富鑫旺化工有限公司，AR)，丙酮(C3H6O，南京合诚化工有限公司，AR)，无水乙醇(C2H6O，济南乔富化工有限公司，AR)，二甲基乙酰胺(DMAC，济南远祥化工有限公司，AR)，无水氯化钙(CaCl2，济南龙杰化工有限公司，AR)。

实验设备：UC-400DE型超声波清洗机(广东红泰清洗烘干设备有限公司)，DZF-6210型真空干燥箱(无锡展霖环境实验设备有限公司)，TS-14S型磁力搅拌器(上海沉汇仪器有限公司)，TY605型实验用热压机(宁波天誉机械设备有限公司)，YRH300型红外热像仪(山东金煤矿山机械设备有限公司)。

1.2 实验过程

1.2.1变色微胶囊/PMMA复合材料电热致变色薄膜的制备

(1)将适量PMMA和DMAC溶液置于烧杯中混合均匀，加入磁子后密封烧杯口。用TS-14S型磁力搅拌器充分搅拌5 h，搅拌温度为130 ℃，待PMMA完全溶解便得到PMMA/DMAC混合溶液。

(2)将50 mL DMAC试剂与热致变色微胶囊混合后加入PMMA/DMAC溶液中，磁力搅拌10 min后超声分散15 min，得到0.5 g/L的混合溶液。

(3)将混合溶液置于抽滤瓶中，在70 ℃条件下真空抽滤5 h，然后倒入自制特氟龙模具中放置12 h，待溶液变为半凝固状态后，真空干燥48 h。

(4)待混合物凝固成膜后，将膜剪碎置于真空干燥箱中烘干，得到复合颗粒。将热压机温度提升至120 ℃，在厚度为5 mm的特氟龙薄膜上挖出5 cm×5 cm的方形孔后，将薄膜平铺于不锈钢平板上。将复合材料颗粒填入特氟龙薄膜方形孔中，用两块钢板将复合材料夹住，开启热压机热压，得到复合电热致变色薄膜。

1.2.2变色微胶囊/PMMA复合材料电热致变色纤维的制备

(1)提前将热压机温度提升至120 ℃，将经过挖孔的特氟龙薄膜平铺在不锈钢板上。将热致变色微胶囊/PMMA 复合材料颗粒填入其中后，附上一张特氟龙薄膜，并盖上一块不锈钢板。

(2)开启热压机对不锈钢板施加2 MPa的载荷进行预压，预压时间为5 min，然后继续对钢板施加压力至30 MPa，在恒温恒压的条件下保持20 min。

(3)停止加热并打开冷却水降低产品温度至40 ℃。关闭电源，得到变色微胶囊/PMMA复合材料电热致变色板块。将该板块切割成180 mm×10 mm×20 mm的条状物。

(4)取复合材料条状物两条，在180 mm×20 mm一面的正中心切下凹槽。将两个长条拼接在一起，并在中间放入一根由特氟龙制成的棒子，在热压机和车床的共同作用下得到复合材料预制棒，而后将预制棒置于真空干燥箱中充分干燥24 h。

(5)选择Cu为金属丝导电材料，通过Cu的拉丝倍率推算预制棒中心孔径尺寸。拉丝倍率计算公式如下：

(1)

式中：dperform表示预制棒直径，这里取18 mm；dfiber表示所需光纤的直径，这里取500 μm。由此，测算出β=36。

为使复合聚合物与金属丝包裹紧密，预制棒中心孔径尺寸应遵循

(2)

微米Cu丝的直径为80 μm，所以预制棒中心孔的直径应小于2 880 μm。因此，预制棒的空心孔径为2 mm，即特氟龙棒的直径为2 mm。

(6)将空心结构的预制棒用预制棒夹固定，然后将金属丝穿过预制棒中心孔，在预制棒尾部固定。通过纤维热拉致变工艺对纤维进行拉制，得到中间有金属丝的电热致变色纤维。拉丝工艺参数如表1所示。

表1 拉丝工艺参数Tab.1 Parameters of drawing process

1.3 性能测试

1.3.1变色微胶囊/PMMA复合材料电热致变色薄膜的光学性能和变色性能

制备不同配比的微胶囊/PMMA变色薄膜，配比见表2。将不同配比的样品置于室温下，观察其颜色变化，然后提升温度，观察变色薄膜在不同温度下的颜色变化[4-5]。

表2 薄膜样品配比Tab.2 Ratio of film samples with different mass fraction

1.3.2变色纤维电响应特性测试

在通电的条件下，金属丝导电出现电热效应。在电热效应的作用下金属丝会产生焦耳热，导致纤维温度上升，包裹住金属丝的电热致变色复合材料受温度上升作用，颜色慢慢从原来的绿色变为白色。设计简易电路对20 cm的电热致变色纤维通电，电压为3 V，观察电热致变色纤维的颜色变化情况。用YRH300型红外热像仪探究纤维表面温度变化，并对电热致变色纤维颜色变化的灵敏性进行观察[6-9]。

1.3.3纤维织物电响应特性测试

将纤维纺制成一小块织物，以并联的方式在每根纤维两端分别接通电源的正负极，对织物通电，观察织物在电压为3 V时的颜色变化，用红外热像仪对织物表面温度的变化进行观察。

2 结果与讨论

2.1 变色微胶囊/PMMA复合材料的光学性能和变色性能

由光学性能测试发现，随着微胶囊与PMMA质量比的增加，薄膜颜色随之加重且分布均匀；当微胶囊与PMMA的质量比达到8%时，透明度降低；继续增加微胶囊与PMMA的质量比到12%后，薄膜变为不透明状态。由变色性能测试发现，随着保温时间的增加，薄膜几乎全部变成白色，说明该薄膜的变色性能良好。

2.2 电热致变色纤维的电响应特性

当电压为3 V时，电热致变色纤维在一个周期内的颜色变化情况和红外成像情况如图1和图2所示。结合图1和图2可知，当纤维未通电时，颜色为绿色，此时纤维表面温度为24.9 ℃；通电4 s后，纤维颜色慢慢变浅，呈现浅绿色，此时纤维表面温度为28.2 ℃；通电10 s后，纤维颜色完全褪去，变为纯白色，此时纤维表面温度达到了33.8 ℃。此现象说明导电可实现纤维变色，纤维变色时间约10 s，变色温度约34 ℃。待纤维完全变色后，关闭电源，观察纤维颜色变化。关闭电源2 s后，纤维颜色变为浅绿色，此时纤维表面温度为29.2 ℃；关闭电源5 s后，电热致变色纤维的颜色完全恢复，此时纤维表面温度为26.3 ℃。这就说明纤维表面散热性较好，变色灵敏性较优。纤维外径为18 mm，柔软性较好，满足可穿戴织物的要求[10-15]。

图1 电热致变色纤维颜色变化Fig.1 Color change of electrochromic fiber

图2 电热致变色纤维表面温度变化Fig.2 Surface temperature change of electrochromic fiber

2.3 电热致变色织物的电响应特性

当电压为3 V时，电热致变色织物在一个周期内的颜色变化如图3所示。将电热致变色纤维纺织成织物后，在电压为3 V的条件下，织物的变色性能与单根纤维一致，即纺织过程并不影响纤维的电热变色灵敏性，满足可穿戴织物的要求。

图3 电热致变色织物表面温度变化Fig.3 Surface temperature change of electrochromic fabric

3 结论

本研究采用溶液混合法制备电热致变色微胶囊/PMMA复合材料，使用该复合材料包裹金属，利用纤维热拉致变方法制备出电热致变色纤维，并对该纤维的变色性能进行探讨，具体结论如下：

(1)随着微胶囊掺杂量的增加，微胶囊/PMMA复合材料颜色加深，当微胶囊与PMMA的质量比增至12%时，复合材料由透明逐步变为不透明。同时，随着保温时间的增加，薄膜颜色由绿色变为白色。

(2)以电热致变色微胶囊/PMMA复合材料预制棒为包覆材料，以铜丝为导电金属丝，成功制备出电热致变色导电纤维。在电压为3 V的条件下，纤维变色时间约10 s，变色温度约34 ℃，颜色恢复时间约5 s，灵敏性和柔软性较优，可用于舞台服装。

(3)对电热致变色纤维进行纺织，通过并联的方式在每根纤维两端分别接电源的正负极。通电后，在电压为3 V的条件下，电热致变色织物的变色性能与变色纤维一致，说明纺织过程不影响纤维的变色性能。