针织物的感温变色涂层整理及性能研究

张传茹 刘怡君 王金凤

摘要：为了使人体温度变化可视化，设计开发了智能温度监测变色织物。选择云母改性凉感涤纶长丝编织三种不同组织结构的针织物作为基布并对其进行感温变色涂层整理。采用2种不同变色温度及变色效果的可逆温敏变色粉末，与水性聚氨酯、增稠剂等按一定比例制成变色涂料，将其涂覆在织物表面得到不同温度范围的变色织物。分析水性聚氨酯质量分数、烘干温度及烘干时间对变色织物的色牢度、透气性等性能的影响，并探究不同组织结构对变色效果、响应速度等变色性能的影响。结果表明：面密度越大，织物的响应速度越慢，透气率略有下降；水性聚氨酯质量分数达到60%，烘干温度90 ℃，烘干时间7 min时，织物的色牢度最好；以凉感纬平针织物作为基底时，织物的变色性能及服用性能综合效果最佳。

关键词：温致变色；多阶段变色；HSB色彩模型；透气性；响应速度；色牢度

中图分类号：TS195.597

文献标志码：A

文章编号：10017003（2024）02006709

DOI：10.3969/j.issn.1001-7003.2024.02.008

收稿日期：20230721;

修回日期：20231219

基金项目：纺织工程国家级教学示范中心项目（2020FZ03）

作者简介：张传茹（1996），女，硕士研究生，研究方向为智能针织产品的开发。通信作者：王金凤，副教授，wangjinfengwjs@163.com。

随着人们对服装的功能性和多样化的要求越来越高，智能纺织品成为纺织行业的热点之一。智能纺织品包括形状记忆智能纺织品、变色智能纺织品及防水透湿纺织品等，其中变色纺织品受到消费者的青睐。变色材料是一种通过改变自身颜色来响应外界条件变化的新型材料，按照条件的不同可分为温致变色、光致变色和电致变色等。热敏变色纺织品表面颜色能够跟随周围温度的变化而变化，变色效果分为可逆和不可逆两种，其具有变色反应快、顯色效果好等优点，在建筑、医疗和服装等领域应用广泛。

目前，Karagam等开发出使用热致变色着色剂在棉针织物上进行丛林图案的变色印花产品，该智能针织服装可用于军事国防领域；ZHANG等采用固相反应法制备了ZnCoO 纳米粉末，其红外发射率随温度发生明显变化，在可见光红外区域具有很强的智能自适应伪装应用；伴随着变色材料性能的优化和变色纤维技术手段的成熟，变色材料在国内纺织品服装的应用也愈加广泛，但一般选用普通面料对其进行处理。本文选用不同组织结构的凉感针织面料，通过涂层法对织物进行加工处理，并对其进行一系列的服用性能测试。在夏季的强高温下，织物上图案的颜色随温度的变化而变成不同颜色，从而可以起到人体温度监测的作用，感温变色织物在可穿戴显示领域有一定的应用前景，期望对未来热敏变色产品的开发和研究提供一定的参考依据。

1 实 验

1.1 凉感针织物的选用

本文选用纬平针、四角网眼和添纱组织这三种不同的组织结构，织造出舒适、轻薄和凉爽的凉感针织面料。采用成圈系统为112路的针织大圆机编织，共设计编织了四种不同类型的凉感针织面料，并通过凉感性能测定仪对织物的接触凉感系数进行测试。由于不同组织结构会影响织物的服用性能和热湿舒适性能，包括手感和外观等，故通过蔡司显微镜观察三种组织结构的凉感织物表观形貌。针织物的基本参数如表1所示，凉感针织物的实物如图1所示。

1.2 材料与仪器

试剂：31 ℃热敏变色材料（蓝色变无色）、38 ℃热敏变色材料（玫红色变无色）（深圳市幻彩变色科技有限公司），水性聚氨酯、增稠剂（深圳市吉田化工有限公司）。

仪器：85-1型强磁力搅拌器（杭州龙祥仪器有限公司），DGG-9240B电热恒温鼓风干燥箱（上海森信实验仪器有限公司），AR223CN电子天平（奥豪斯仪器（常州）有限公司），Y571C摩擦色牢度测试仪、YG461E透气性测试仪（温州方圆仪器有限公司），SW-24AⅡ耐洗色牢度试验机（温州大荣纺织仪器有限公司），iPhone XS Max的手机（苹果公司）。

1.3 温致变色织物的制备

根据减法混合理论制备热敏变色涂料，步骤如下：将一定量的增稠剂、去离子水、水性聚氨酯和两种热敏变色材料（质量比 1∶1）通过磁力搅拌器搅拌均匀后，在织物表面进行涂覆并在一定温度、时间下进行干燥。最终变色效果如图2所示：温度小于31 ℃时表现为蓝紫色（蓝色与玫红色混合），31～38 ℃时为玫红色，38 ℃以上时为无色，从而实现多阶段的变色效果。

实验过程中对温致变色织物影响较大的因素为水性聚氨酯质量分数、烘干温度和烘干时间。本文采用正交实验设计三因素三水平正交表，参考前人的实验，将质量分数、温度和时间分别设定为20%、40%、60%；70、80、90 ℃；7、8、9 min。具体实验参数如表2所示。

1.4 测 试

1.4.1 变色性能

1）变色效果：采用HSB色彩模型进行表征，HSB分别表示颜色的色相、饱和度、亮度。色相用角度（0°～360°）表示，其中0°为红色，60°为黄色，120°为绿色，180°为青色，240°为蓝色，300°为品红。饱和度用0（灰色）～100%（完全饱和）表示，亮度用0（黑）～100%（白）表征。通过烧杯杯壁为31 ℃热敏变色材料提供30～35 ℃的温度，38 ℃热敏变色材料提供38～43 ℃的温度。拍摄各温度区间内的不同变色织物对应的变色过程，分析织物变色效果。

2）变色HSB值：在织物变色前，先读取织物初始HSB值。然后通过放有规定温度的水的玻璃烧杯为样布提供变色所需温度，并使织物在不同温度区间的环境中保持1 min，待织物变色后再次读取HSB值。不同变色阶段时测10次HSB值取平均值，以减小误差。

3）响应速度：通过手机的原相机拍摄织物变色的全过程，分别记录织物不同变色阶段所需的时间，从而获得织物的变色响应速度。

1.4.2 服用性能测试

参照GB/T 35263—2017《纺织品 接触瞬间凉感性能的检测和评价》，对针织物进行凉感系数测试；参照GB/T 3920—2008《纺织品 色牢度试验 耐摩擦色牢度》，对温致变色织物进行耐干摩擦和耐湿摩擦色牢度测试；参照GB/T 3921—2008《纺织品 色牢度试验 耐皂洗色牢度》，对织物进行耐皂洗色牢度测试；参照GB/T 5453—1997《纺织品 织物透气性的测定》，对温致变色织物进行透气性能的测试。

2 结果与分析

2.1 颜色变化响应速度分析

根据表2将四种不同组织结构的针织物各裁剪9块布样，按照正交实验表中的方案进行第一阶段实验。温致变色织物从蓝紫色完全变为无色时的时间t为变色响应速度；织物脱离烧杯直到完全褪色的时间t为褪色响应速度；t为变色织物从蓝紫色变为无色加上无色恢复为蓝紫色的时间为一个变色循环。变色织物的颜色变化响应速度如图3所示。

变色的响应速度是温致变色纺织品的关键指标，可以反映溫致变色材料变色的灵敏性。由图3可知，当热敏变色织物达到变色温度时，四种织物的变色反应都比较迅速，完全变色响应速度均不超过20 s；当脱离变色温度时，褪色反应同样迅速，褪色响应速度均不超过30 s。四种变色的一个循环时间不超过50 s，说明这两种温致变色材料的灵敏度高，显色效果好。不同组织结构的织物作为基底时对温致变色材料的变色、褪色响应速度影响不大，并且同种织物的变色响应速度和褪色响应速度较为接近。

根据表3中正交实验的K值可以直接看出不同水平和指标值的变化趋势。通过影响等级可知，不同织物中各因素对实验结果的影响各不相同，从而获得不同织物的最佳实验水平。

基于此，通过变色/褪色响应速度分析后，对最佳实验参数进一步优化得到正交因素水平（表4）。优化后的实验方案测试结果如图4所示。

由图4（a）可知，织物的变色响应速度比第一阶段实验方案的变色速度快。从蓝紫色变为无色的时间不超过15 s，时间明显缩短。由图4（b）可知，褪色响应时间增加较大，是由于褪色时的室温温度比第一阶段时的温度高，影响了织物降温的速度，从而使变色材料恢复到原来颜色的时间加长；变色区间的温度值也超过了31 ℃热敏变色材料的变色温度，所以当温度从38.5 ℃降到31 ℃时，热敏变色材料仍处于变色状态，从而表现出褪色时间较长的现象。再基于织物本身参数对不同的响应时间进行分析。

首先，由于四种织物的平方米质量不同，1（52.4 g/m）和2（61.3 g/m）差别较大，3（133.4 g/m）和4（133.8 g/m）基本相同。其中1织物的平方米质量最小，4织物的平方米质量最大。平方米质量越大，织物的响应速度越慢。由于平方米质量越大，编织的织物紧密度越大或厚度越大，热量传递和散失时参与的纤维量就越多，所以要使染色部分彻底的变色，平方米质量大的织物就需要更长的时间。即在相同时间内，平方米质量小的织物比平方米质量大的织物变色完全度更高。平方米质量越小，织物的响应速度越快。原因是平方米质量越小，织物的紧密度较小，通过纱线之间的孔隙可以快速将人体热量传递给织物，为变色材料提供变色温度所需要的热量。

其次，作为基底的四种针织物其接触凉感系数不同。1和2接触凉感系数均为0.12，3和4接触凉感系数均为0.16。随着平方米质量的增加，针织物的凉感系数也有所增加。这是因为凉感针织物接触凉感系数与面密度有明显的正相关，平方米质量越大，吸收热量就越多，在织物与人体皮肤接触时可以迅速带走更多的热量，给人凉爽的感觉。由于织物的紧密度和厚度增加，孔隙较小，热量从织物反面传递到正面的速度变慢，从而使正面的变色材料响应时间增大。但经过涂层后的织物凉感效果仍较好，其中涂层的部分为印花工艺，只占据全部织物的小部分，未涂层的部分保持原有的凉感性能。基于水性聚氨酯的黏合力，变色染料只涂覆在织物的正面，未渗透到织物反面，织物反面是接触皮肤的部分，仍保持将皮肤表面的热量传递给外界环境的性能。因此，涂层后织物的凉感性能基本不受影响，有较好的凉感效果。

最后，四种织物的组织结构不同。1和2织物的组织结构相同（四角网眼），在四种织物其变色/褪色响应速度中最快，原因是四角网眼具有较好的透气透湿性，水蒸气能够顺着网眼通道迅速扩散，因此吸热散热效果好，使纤维之间的热传递较快，能快速为变色材料提供热量使其变色。3（添纱组织）和4（纬平针组织）织物的组织结构不同，两种织物的变色/褪色响应速度相差不大。这是由于两种织物的面密度和凉感系数基本相同。由此可知，织物的响应速度与织物组织结构中纱线面密度关系紧密，而与具体组织结构形态相关性不大。

2.2 变色效果分析

实验中，织物变色的实际情况如图5所示（a为1织物，b为2织物，c为3织物，d为4织物）。对织物进行拍照，并通过Photoshop软件中的HSB模式的色彩识别，得到HSB值，结果如表5所示。

通过优化后的方案所制备的四种不同组织结构的织物布样（表4），得到不同温度下的HSB值（表5）。由表5可知，不同制备方案下，当温度在24.5 ℃时，不同织物初始颜色的H值均在300°左右，S值在20%左右，B值在30%左右。其中，同种织物的HSB值相差不大，四种织物都呈现饱和度和明度都较低的藍紫色。2织物的三块样布色彩明度略高，3织物的三块样布色彩饱和度略高。

当温度为31.5 ℃时，不同制备方案下四种织物的H值均位于350°左右，1、2和4织物的S值和B值分别在35%和60%左右，只有3织物的S值和B值分别在60%和40%左右。这是由于织物组织结构和面密度不同，使得3织物与其他织物的饱和度、明度有所差异。与常温下的织物相比，31.5 ℃时的织物呈现饱和度更高的蓝紫色、明度更高的玫红色，表明变色效果较佳，织物上的图案变色明显。其中，3织物的视觉效果更加鲜艳，与未处理的织物相比，颜色的对比度也更高。当温度为38.5 ℃时，不同方案下制备的织物H值位于310°～350°，S值均不超过15%，B值在50%～70%，饱和度很低，因而很接近灰白色。

2.3 色牢度分析

2.3.1 耐摩擦色牢度

耐摩擦色牢度是各种染色制品的一项重要指标。摩擦色牢度差的织物，在穿着的过程中，由于雨水或汗渍会导致颜料脱落并沾染到皮肤上危害健康，同时也会使温致变色针

织物的功能性大打折扣。在不同工艺下制备的各种热敏变色织物的耐摩擦色牢度如表6所示。

由表6可知，1织物的耐干/湿摩擦色牢度最好，3次之，2最差；在不同方案下制备的织物其耐干摩擦色牢度均优于耐湿摩擦色牢度。这是因为在湿态条件下，变色染料与纤维的化学键结合力会因水的存在而降低，从而有利于染料分子的脱离和转移。

1和2织物的组织结构相同，只是实验方案有所不同，1织物三组方案中的水性聚氨酯质量分数为40%和60%，干/湿摩擦色牢度均较好；而2织物三种方案的水性聚氨酯质量分数均为20%，3块样布的色牢度都比1织物差。由此可知，水性聚氨酯质量分数是影响织物摩擦色牢度的原因之一。3织物的水性聚氨酯质量分数与1相同，烘干时间和烘干温度有所不同，织物的耐湿摩擦等级不同，从而可知，织物的烘干温度和时间影响织物的服用性能。温度和时间的不同会影响水性聚氨酯与织物完成交联反应的程度，烘干温度过低或时间过短，交联反应会进行不彻底进而导致色牢度下降，但过高的烘干温度和过长的受热时间会损害温致变色涂料的变色性能。综上所述，1织物的耐干/湿摩擦色牢度均较好，最佳实验方案是水性聚氨酯质量分数60%，烘干时间7 min，烘干温度90 ℃。

2.3.2 耐皂洗色牢度

耐皂洗色牢度是纺织品色牢度检测当中的一项，是纺织品质量检验中一个重要的检测项目。不同工艺制备的温致变色织物耐皂洗等级如表7所示。

由表7可知，织物的耐皂洗色牢度评级都较低，水性聚氨酯质量分数小于60%的样布色牢度评级均为1级。当水性聚氨酯质量分数大于60%时，4织物的色牢度最好，3织物次之，1和2均较差。这是因为由于织物的组织结构和平方米质量不同，当水性聚氨酯质量分数相同时，平方米质量越大的纬平针组织，耐皂洗色牢度相对越好。这是由于染料会与纤维通过化学键、氢键及范德华力相结合。因此，平方米质量大的织物中染料分子可以与更多的纤维相结合，有更多的染料分子附着在织物上，从而有更好的色牢度。

从贴衬沾色情况来看，耐皂洗色牢度评级与贴衬织物沾色评级成负相关。当水性聚氨酯质量分数为60%时，比较3和4织物可知，4织物的色牢度和沾色评级均优于3织物。由于纬平针组织的各项性能比添纱组织要略好，织物4的烘干温度为90 ℃时，织物的色牢度均较好，说明较高的烘干温度能够使黏合剂的交联反应进行得更加彻底，让颜料和纤维结合得更为牢固。

综合分析可知，后续实验中水性聚氨酯的质量分数不小于60%，可使织物与变色粉末结合牢度增加，从而增加织物的色牢度，提高织物的实用价值。

2.4 透气性分析

织物的透气性是影响服装穿着舒适性的重要因素。透气性是指织物通过气体的能力，良好的透气性使人在穿着过程中会减少皮肤闷湿感，更加舒适干爽，对于织物舒适性的评判非常重要。对未经处理的织物和不同方案制备得到的样布进行透气性测试，结果如图6所示。

由图6可知，未经处理的织物透气率大小为2＞1＞3＞4，且1织物和2织物的透气性要优于3织物和4织物；经过不同方案进行涂层变色处理后，四种织物的透气率分别在2 100、2 200、900、1 000 mm/s以上。1和2织物的透气率仍高于3和4织物，其中，2织物比1织物的透气量高，4织物比3织物的透气量高。通过表1与图6来看，织物的平方米质量与透气率呈负相关，平方米质量越大，透气性越差，说明织物的紧密度高，阻挡空气通过的能力就越强，因此透气性较弱。故而后续实验可采用平方米质量较小的织物做基底，进一步降低实验过程中对织物透气性的影响。

经过涂层变色处理后，织物透气率有所下降，但与未处理的织物相比，透气率下降相差不大，其中1织物的方案3和2织物的方案4透气率下降最大，下降率约为原来织物的20%。这是由于烘干后的变色涂料在水性聚氨酯的黏合作用下形成薄膜，覆盖于织物之上，堵塞了直通孔隙。同时涂料还将纤维与纤维黏连在一起，封闭了不定形孔隙从而透气性下降，但仍具有优异的透气性能。方案5、方案11和方案12的织物经过变色处理后，织物的透气量上升，是由于变色涂料将纤维黏连，减少了小部分气体从不定形孔隙通过的途径，但是纤维被相互黏连的同时也使纱线之间的孔隙增大，且涂料因为稠度不高而无法在孔隙形成薄膜，导致有更多气体可以贯穿织物，增加了织物的透气性。

3 结 论

目前，温敏变色材料的使用已经普及，但是变色织物的变色效果较单一。本文选择两种不同变色温度和变色效果的温敏变色材料所制备的温致变色织物，成本低，工艺流程简单，能够在不同温度环境下实现及时、准确地变化多种颜色。

1）织物在常温（＜31 ℃）下呈现蓝紫色；当温度升高至变色温度值31 ℃时，织物呈现玫红色；当温度继续升高达到38 ℃时，织物逐渐由玫红色变为无色。

2）采用Photoshop软件中的HSB色彩模型，可以获得不同织物的HSB值，通过分析四种变色织物的HSB值可知，在不同方案下制备的温致变色织物均可实现多层次颜色变化。在31.5 ℃时，3添纱组织结构的织物S值（饱和度）为55%左右，B值（亮度）为40%左右，有着较高的色彩饱和度，织物更为鲜艳；4纬平针组织结构的织物S值（饱和度）为35%左右，B值（亮度）为55%左右，有着更高的明度，织物的颜色更浅变色效果更好。

3）通过对比响應速度可知，优化后的方案中制备的织物变色响应速度明显缩短。其中平方米质量不同的四角网眼组织结构的织物变色较快，添纱组织结构的织物和纬平针织物变色较慢。分析可知，变色响应速度与织物本身的平方米质量有关，与组织结构无关。

4）通过色牢度及透气性测试可知，四角网眼结构的织物不耐皂洗，添纱结构的织物和纬平针织物变色织物的耐皂洗性能较好。结合透气性和耐干/湿摩擦分析，不同方案制备的四种变色织物中，4号纬平针组织凉感织物的综合效果最佳，适合作为变色织物的基底，后续可进一步进行变色处理。最佳制备工艺为水性聚氨酯质量分数60%，烘干时间7 min，烘干温度90 ℃。

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Study on finishing and properties of the temperature-sensitive discoloration coating on knitted fabrics

ZHANG Chuanru， LIU Yijun， WANG Jinfeng

（College of Textile Science and Engineering （International Institute of Silk）， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China）

Abstract：With the development of society and the progress of science and technology， people’s awareness of environmental protection and health， safety and comfortable life has gradually increased， and the demand for textiles has already broken through the limitations of the original shading， warmth， beautification and other aspects， and more inclined to the functionalization and intelligence of textiles. Advanced regions and some developed countries have also turned their attention to smart textiles with lower resource consumption， high economic efficiency and more in line with scientific and technological development. Smart textiles refer to textiles with the ability to perceive and respond to external stimuli， providing more functionality for traditional textiles， including intelligent monitoring products， intelligent heating and temperature control products， intelligent color-changing products， etc. Among them， color-changing textiles are favored by consumers through modern technology， which makes the color of textiles change dynamically with the change of environmental conditions.

At present， foreign scholars have developed intelligent color-changing knitted clothing used in the field of military defense; domestic scholars have also applied it to medical detection， strong radiation environmental safety protection and other fields. The body temperature is the key information to reflect human life activities. To visualize the change of body temperature， an intelligent temperature monitoring color changing-fabric was designed and developed. Generally， an ordinary knitted fabric is selected as the base fabric and coated. In this paper， three kinds of knitted fabrics with different structures of mica-modified cool polyester filaments were selected as the base fabric and the coating was finished with temperature sensitivity and color change. Two kinds of reversible temperature-sensitive color-changing powder with different color-changing temperatures and effects were used to make color-changing coatings with water-based polyurethane and thickener， etc. The color-changing coating was coated on the fabric surface to obtain color-changing fabrics with different temperature ranges. The influence of the concentration of waterborne polyurethane， drying temperature and drying time on the color fastness， permeability and other properties of the color-changing fabric was analyzed， and the influence of different structures on the color-changing properties such as the color-changing effect and response speed was investigated. The results show that the higher the surface density， the slower the response speed and the lower the air permeability of the fabric. When the concentration of waterborne polyurethane reaches 60%， the drying temperature is 90 ℃， and the drying time is 7 min， the color fastness of the fabric is the best. Cool weft plain knitted fabrics have the best combined effect of discoloration performance and wear performance， and they are suitable to be used as the base of discoloration fabrics. Subsequent discoloration treatment can be further carried out， which can meet the personalized needs of consumers for clothing， and provide certain reference for the application of cool discoloration fabrics.

A kind of thermochromic knitted fabric， which can be applied to intelligent temperature monitoring， is developed by processing and finishing the cool knitted fabric made of cool polyester filaments， which increases the function of the fabric and can monitor human temperature in real time in high temperature season. This provides reference for the innovation of traditional textile products， and a certain basis for the development and research of thermochromic products in the future， and has certain application prospects in the field of wearable display.

Key words：thermochromic; multistage discoloration; HSB color model; gas permeability; response speed; colour fastness