溫致變色塑料的研究進(jìn)展

鄭瓊娟 薛發(fā)珍（等同一作）

(國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心,廣東 廣州510700)

溫致變色塑料能夠通過改變自身顏色來顯示溫度的變化,該特性可使塑料產(chǎn)品增加一些特殊的功能和外觀美感。其溫致變色效果來自于溫致變色材料的使用, 溫致變色材料是指某些物質(zhì)材料在感受外界溫度變化的同時(shí)自身顏色產(chǎn)生變化, 其顏色變化伴隨自身物理或化學(xué)結(jié)構(gòu)的改變, 物質(zhì)結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致其光譜特性的轉(zhuǎn)變,從而展現(xiàn)出宏觀顏色的改變。長(zhǎng)期以來,塑料溫致變色的應(yīng)用受到技術(shù)方面的限制, 但目前新技術(shù)的發(fā)展使得其應(yīng)用領(lǐng)域有望近一步得到拓寬。

1 溫致變色材料[1]

1.1 不可逆溫致變色材料

不可逆溫致變色材料加熱到一定溫度后顏色會(huì)發(fā)生變化,而冷卻后顏色不能恢復(fù)也不變化,其顏色變化是不可逆的,因此其只能記錄承受過的最高溫度。不可逆熱致變色材料種類多樣,常用的有錳、鈷等的磷酸鹽、硝酸鹽、硫酸鹽、硫化物、氧化物以及苯酚化合物等。

1.2 無機(jī)可逆溫致變色材料

無機(jī)可逆溫致變色材料主要有金屬及其氧化物、鹵化物,金屬氧化物的多晶體,過渡金屬配合物等。無機(jī)溫致變色材料具有良好的耐溫性、光穩(wěn)定性以及較好的加工性能,合成成本較低,可以在200℃以上使用;然而其變色單一、靈敏度不高,且有毒和腐蝕性,并且無法自主控制變色溫度和顏色,導(dǎo)致應(yīng)用受限。

1.3 液晶可逆溫致變色材料

液晶可逆溫致變色材料主要有膽甾液晶、近晶液晶及向列液晶三大類。膽甾型液晶可形成螺旋結(jié)構(gòu),其層間距命名螺距,螺距會(huì)隨溫度變化而產(chǎn)生變化,不同螺距可以反射不同波段的光, 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)顏色的變化。其優(yōu)點(diǎn)是變色溫度較低(23-42℃)且變色靈敏,能夠連續(xù)多層次可逆變色;缺點(diǎn)是易反應(yīng),導(dǎo)致變色效果變差,貯存期短,穩(wěn)定性較差,需避光保存或使用,而且其成本高,導(dǎo)致其推廣和應(yīng)用受限。

1.4 有機(jī)可逆溫致變色材料

有機(jī)可逆溫致變色材料數(shù)量較多, 根據(jù)其命名方式可分為:吲哚啉苯酞類、三芳甲烷苯酞類、熒烷類等。有機(jī)可逆溫致變色材料在200℃下的溫度范圍內(nèi)其綜合性能最優(yōu), 成為研究的熱點(diǎn)。但其本身存在一定缺陷:如耐熱性差,工作溫度受限; 化學(xué)穩(wěn)定性差,在強(qiáng)酸或強(qiáng)堿條件下容易變性,導(dǎo)致其應(yīng)用受限。隨著微膠囊化技術(shù)的發(fā)展, 應(yīng)用微膠囊化技術(shù)可以有效改進(jìn)有機(jī)可逆溫致變色材料的使用性能,提高其保存穩(wěn)定性和使用功能性。

2 溫致變色塑料的加工工藝

2.1 涂層工藝

涂層工藝是在塑料成型后將溫致變色涂料涂覆于塑料表面,其工藝簡(jiǎn)單、操作便捷,溫致變色涂層在表面,因此其靈敏度較高, 但由于涂層容易脫落等原因, 其耐久性相應(yīng)也較差。如CN101418094[2]通過在無色普通油墨的基礎(chǔ)上加入至少一種可逆溫變顏料MC 粉制成溫變油墨, 用激光整面刻蝕法對(duì)基底防老化/或防液滴膜面進(jìn)行處理后, 采用絲網(wǎng)印刷法將溫致變色油墨薄層涂覆于基底膜上后再將防液滴/或防老化膜熱粘壓于膜上制成防老化、防液滴、常溫可逆溫致變色三層復(fù)合農(nóng)膜。所生產(chǎn)的多功能可逆溫變農(nóng)膜能隨環(huán)境溫度條件變化而反復(fù)可逆改變農(nóng)膜的顏色及透光性、吸熱性和反光性,利用溫致變色特性賦予農(nóng)用塑料薄膜以調(diào)節(jié)地溫或棚溫的作用。再如CN205493385U[3]在塑料杯體表面涂覆一層溫致變色層,根據(jù)不同溫度顏色會(huì)發(fā)生變化方便人們直觀判斷溫度,避免燙傷。

2.2 注射成型

目前,注射成型是溫致變色塑料的主要加工工藝,并將繼續(xù)主導(dǎo)加工工藝的發(fā)展趨勢(shì)。如CN110615931A[4]將溫致變色材料直接或CN107841049A[5]制備成溫致變色微膠囊或CN108948431[6]制備成溫致變色母料,與塑料基體和加工助劑進(jìn)行熔融共混、擠出造粒,并根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求制備不同形狀的制品。該工藝將溫致變色材料均勻分布在基體材料中,可賦予產(chǎn)品較長(zhǎng)時(shí)間的溫致變色性, 但需要注意加工過程對(duì)溫致變色材料性能的影響,可通過微膠囊化使得芯材溫變材料受熱影響小,從而可以有效地保護(hù)變色組分,使其能經(jīng)受住長(zhǎng)期的受熱,能穩(wěn)定地來回變色,并賦予緩釋性:如CN107841049A[5]采用三苯甲烷金屬絡(luò)合物為芯材, 三聚氰胺甲醛樹脂為壁材制備了溫致變色微膠囊,溫致變色微膠囊的粒徑要適當(dāng),才能保證較好的包覆變色均勻性以及加工分散性。

3 溫致變色塑料的應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 汽車領(lǐng)域

隨著人們個(gè)性化需求的增加, 人們希望汽車制件的顏色能從靜態(tài)的單一顏色轉(zhuǎn)為隨著環(huán)境的變化而變色的效果。如CN107841049A[5]將具有溫致變色的聚丙烯組合物通過注塑成型應(yīng)用于汽車儀表板、副儀表板、座椅、門板、保險(xiǎn)杠或立柱中。

3.2 日常生活用品領(lǐng)域

可使用溫致變色材料用于加工制造嬰兒奶瓶 (如105878037A[7])或湯匙,家人可通過嬰兒奶瓶或湯匙顏色的變化來確定牛奶或食物的溫度是否適合嬰兒食用; 同樣也可用于加工制造飲用水杯,如CN205493385U[3],在杯體的表面設(shè)有溫致變色涂層, 可以通過水杯顏色的變化直觀判斷水的溫度是否適合飲用。還可應(yīng)用于眼鏡、手表、手環(huán)等用品中,如CN108948431[6],溫致變色材料應(yīng)用于日常生活,將大大提高生活品質(zhì)和體驗(yàn)。

3.3 手機(jī)外殼

現(xiàn)有的手機(jī)外殼圖案和顏色單一,如果要變換圖案就要換外殼, 操作不方便, 且浪費(fèi)資源。通過溫致變色材料的使用,如CN101834924A[8],將溫致可逆變色材料經(jīng)澆注成所述手機(jī)外殼,可實(shí)現(xiàn)無需更換外殼, 隨溫度變化即可使手機(jī)外殼顯示不同圖案,節(jié)省費(fèi)用,節(jié)省資源;采用溫致變色材料,圖案還可以根據(jù)溫度變換,增添使用樂趣。

3.4 家電領(lǐng)域

家用電器具備溫敏性,能夠起到警示或裝飾作用,避免燙傷或帶來安全隱患。如CN105509141A[9]通過在暖風(fēng)出風(fēng)口上應(yīng)用“溫致變色”技術(shù),保證了暖風(fēng)出風(fēng)口在出暖風(fēng)時(shí)有了較明顯的顏色變化,達(dá)到了警示(提示)及裝飾作用。如CN201903132U[10]通過在空調(diào)的結(jié)構(gòu)中,塑料粒子內(nèi)添加溫致變色粉,產(chǎn)品注塑出來冷卻后成本色(冷色調(diào)或暖色調(diào), 以便使用中產(chǎn)生明顯視覺差異),在產(chǎn)品運(yùn)行中受環(huán)境溫度的影響產(chǎn)生顏色變化。使得冷熱功能“模式”能通過顏色變化直觀的反映出來,而當(dāng)顧客不注意或者老年人因顯示字體較小看不清時(shí),能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)操作錯(cuò)誤,保證了使用的有效時(shí)間。使用非常方便,增加顏色的變化功能,解決現(xiàn)實(shí)生活中易出現(xiàn)的問題,達(dá)到產(chǎn)品人性化的效果。

4 結(jié)論

個(gè)性化產(chǎn)品對(duì)于視覺效應(yīng)的興趣與日俱增,這為溫致變色塑料提供了廣闊的發(fā)展空間。微膠囊化等技術(shù)的出現(xiàn),可以提高溫致變色材料的穩(wěn)定性, 這為溫致變色塑料的進(jìn)一步發(fā)展提供了技術(shù)支持。