有機可逆熱致變色材料的變色機理及進(jìn)展分析

吳哲 劉金波 牛笑一

摘? ? 要：熱致變色指的是一些有機化合物與一些混合物在受熱或者是冷卻時，因吸收光譜而發(fā)生變化的一種性質(zhì)。一些具有熱致變色特性的物質(zhì)材料就被稱為熱致變色材料。熱致變色材料是由一種變色物質(zhì)再加上其他成分的輔助材料所組成的功能材料，熱致變色材料的顏色可以隨著溫度的改變，從熱力學(xué)角度上來講，熱致變色材料可以分為不可逆變色和可逆熱致變色兩類。

關(guān)鍵詞：有機可逆;熱致變色材料;變色機理;應(yīng)用進(jìn)展

1? 引言

與傳統(tǒng)的無機可逆變色材料相比，有機可逆熱致變色材料的低溫變色性能較為優(yōu)于傳統(tǒng)的變色材料。因其特殊的熱性能已受到大量研究者的關(guān)注，目前我國所研究和開發(fā)出來的有機可逆熱致變色材料的種類已經(jīng)不少，如有機、液晶等種類，它們的變色機能不盡相同。近幾年低溫可逆熱致變色材料已經(jīng)成為了熱點研究，特別是低溫有機可逆熱致變色材料，它具有變色明顯、顏色可自由組合以及變色溫度選擇性大等多種優(yōu)勢，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于日常生產(chǎn)和生活的各個方面。

2? 有機可逆熱致變色材料的變色機理

2.1? 物質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化

有機可逆熱致變色化合物物質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化主要有晶體結(jié)構(gòu)的變化、配位場與配位數(shù)的變化以及幾何構(gòu)型和分子結(jié)構(gòu)的變化。晶體結(jié)構(gòu)的變化指的是大部分無機熱致變色化合物因晶體的轉(zhuǎn)變或者是晶格常數(shù)的變化所引起的顏色變化。從理論上來講，如碘化物、配合物以及復(fù)鹽等，從理論方面來講這類熱致變色化合物的變色特性一般具有可逆性，但在冷卻時發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的較慢，所以這類熱色性變化會在短時間內(nèi)表現(xiàn)為不可逆。配位場與配位數(shù)的變化以及幾何構(gòu)型變化，指的是因配位數(shù)的幾何構(gòu)型的變化所引起的配合物顏色隨著溫度而變化。分子結(jié)構(gòu)的變化指的是，由分子結(jié)構(gòu)的變化所造成的有機化合物顏色隨著溫度的變化而變化。這種變化包括酸和堿、酮和烯醇以及內(nèi)亞胺酸和內(nèi)酰胺等物質(zhì)之間的移動，有機化合物的氫遷移及分子受熱開環(huán)或者是關(guān)環(huán)等等[1]。

2.2? 有機分子中的電子轉(zhuǎn)移平衡反應(yīng)

有很多物質(zhì)本身是沒有熱致變色性質(zhì)的，但當(dāng)它與其他一些適當(dāng)?shù)幕衔镞M(jìn)行混合后，在加熱時也是會發(fā)生顏色變化的。這種可逆熱致變色化合物所發(fā)生的顏色變化是通過電子在有機分子中的轉(zhuǎn)移而吸收或者是輻射了一定的波長光，二而導(dǎo)致的化學(xué)平衡移動表面上便發(fā)生了顏色的變化。

2.3? 分子間的質(zhì)子得失

通常有機可逆熱致變色材料的熱變色體系發(fā)色劑主要是酸堿指示劑，這類顯色劑通常是一些可以提供質(zhì)子的酸弱。當(dāng)溫度發(fā)生改變的時候，發(fā)色劑就會得到或者是失去質(zhì)子，這個時候發(fā)色劑的酸式結(jié)構(gòu)與堿性結(jié)構(gòu)就會相互轉(zhuǎn)化，從而就引起顏色的變化。但通常熱變色材料的顏色變化一般都是與指示劑PH值變化的顏色變化一致[2]。

3? 有機可逆熱致變色材料的應(yīng)用進(jìn)展

3.1? 防偽材料

眾所周知偽造貨幣、票據(jù)以及商標(biāo)等行為會產(chǎn)生非常嚴(yán)重的后果，因此我國一直在致力于防偽技術(shù)的研究。目前我國主要的防偽手段有水印防偽、激光防偽以及隱形條碼防偽等，其中激光全息防偽主要用于防偽商標(biāo)，但激光防偽的設(shè)備價格昂貴且造價高。而基于熱致變色材料變色機理的化學(xué)防偽不僅制作簡單方便識別，而且造價成本較低，這種化學(xué)防偽在技術(shù)保密性方面和防偽有效性方面有著較大的優(yōu)勢?，F(xiàn)階段，這種化學(xué)防偽標(biāo)記通常情況下都是直接印刷在商標(biāo)、標(biāo)簽或者是商品外包裝上面。采用有機可逆熱致變色材料所制作的防偽商標(biāo)，可在一定溫度下發(fā)生可逆變化，這樣便能起到防偽的目的。這種方法生產(chǎn)工藝較為簡單且不易仿制，而且與無機熱致變色材料相比有機可逆熱致變色材料的耐久性較好、變色溫度以及顏色都是可以進(jìn)行選擇的，目前，有機可逆熱致變色材料是我國制作化學(xué)防偽標(biāo)記的首選材料。

3.2? 日用品

有機可逆熱致變色材料可用于家用電器適宜溫度的指示，例如蔬菜、水果以及各種乳制品等食品的適宜保存溫度的指示。人們還將有機可逆熱致變色材料制作成指示冷熱的智能型材料，比如將涂料鍍膜在木材或者金屬和陶瓷等基材上，也可以做成指示冷熱的可變色茶杯或者是嬰兒可用的湯勺以及奶瓶等。例如，美國一家科技公司就將熱色性涂料應(yīng)用于陶瓷杯上，常溫下杯體呈夜幕色，而倒入熱水后黑夜景色就消失并顯示白天的景象，通過景象人們就可以知道水的溫度，同時還能給予我們以賞心悅目之感。應(yīng)用在嬰兒可用的湯勺、奶瓶上也是同樣的道理，如果食物很燙，加在勺柄和瓶口的有機可逆熱致變色材料就會發(fā)生顏色上的變化，提醒大人目前的食物過燙不適合嬰兒食用[3]。目前變色的鉛筆、變色指甲油以及熱敏體溫計等產(chǎn)品都已研發(fā)流入市場，這些產(chǎn)品的研發(fā)給人們的日常生活帶來了極大的便利。

3.3? 建筑行業(yè)

有機可逆熱致變色材料還可用于建筑行業(yè)當(dāng)中，可以制作調(diào)光窗或者是變色涂料。在室內(nèi)裝潢時，人們可以選擇合適顏色的有機可逆熱致變色涂料來代替普通的建筑涂料，涂層可以隨著季節(jié)和溫度的變化呈現(xiàn)出不同的顏色，例如夏天的時候呈現(xiàn)的為冷色調(diào)，冬天的時候是暖色調(diào)。這樣一來可以起到一個美化居住環(huán)境的作用，人們的生活可以變得更為舒適。

3.4? 工業(yè)

將有機可逆熱致變色材料涂在被監(jiān)視物的表面，可以長期的顯示它的一個溫度變化，這種涂層適用于一些危險區(qū)域的溫度監(jiān)察警報或者是溫度指示。例如特殊低溫工業(yè)的溫度檢示以及化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行過程中的溫度升降與反應(yīng)熱檢測或者是電氣回路與電器過載發(fā)熱的溫度預(yù)警標(biāo)識等方面。除溫度感知之外，有機可逆熱致變色材料還可以制作成電池電壓的測試片，可以將電池電能通過測試片的導(dǎo)電層轉(zhuǎn)化為熱能，這樣就能根據(jù)其中的可逆熱變層所發(fā)生的顏色變化來推測出干電池的電壓高低?；蛘呖梢栽谄囕喬サ倪吘壖尤牒线m的熱變色材料，來制作成一種智能輪胎。當(dāng)外界溫度或者是輪胎內(nèi)部的溫度超過汽車輪胎的正常使用溫度的時候，汽車輪胎就會發(fā)生顏色變化給予車主以警告;當(dāng)然還可以將有機可逆熱致變色材料用于制作變色車窗以及變色油漆等，變色車窗是近幾十年來各個發(fā)達(dá)國家相竟研究的一個重要課堂，現(xiàn)階段相關(guān)國家已有電致變色調(diào)光車窗玻璃的報道，但熱變色車窗玻璃還在進(jìn)一步的研發(fā)當(dāng)中[4]。

4? 結(jié)束語

總而言之，雖然在我國有機可逆熱致變色材料已經(jīng)受到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，但在實際的應(yīng)用中卻容易遭受到環(huán)境的影響，容易降低熱敏性或造成熱敏性丟失，相較無機可逆熱致變色材料來說，有機可逆熱致變色材料顯示出了優(yōu)良的性能，但在高溫方面有機可逆熱致變色材料的應(yīng)用還是較少，因此我們還需要加大研發(fā)力度。

參考文獻(xiàn)：

[1] 宋曉麗，李字明，陳靖文等.熱致變色材料在智能社會中的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].精細(xì)化工，2020（3）：452～461.

[2] 謝東津，王楠楠，湯丹等.FTIR對于PVA-Cu熱致變色體系的研究[J].光譜學(xué)與光譜分析，2018（S1）：41～42.

[3] 張亞娜，王俊林，李小妹等.聚二炔酸/α-FeOOH復(fù)合材料熱致可逆變色性能[J]. 精細(xì)化工，2019（4）：609～615.

[4] 汪鵬飛，王瑞俠.具有熱致變色行為的銅配合物合成與表征的綜合性材料化學(xué)實驗設(shè)計[J].池州學(xué)院學(xué)報，2018（3）：130～132.

基金項目：

1.地板用長白山臭松改性利用技術(shù)研究，課題編號：20160828;

2.家具用山楊改性利用技術(shù)的研究成果中試，課題編號：20180706

作者簡介：

吳哲（1996—）男，漢族，安徽省涇縣人，碩士在讀，專業(yè)：林業(yè)工程。

通訊作者簡介：

牛笑一（1973—）男，碩士，教授，主要從事家具材料研究。