رنگی دیده شدن یک جسم وابسته به خواص مولکولی آن است. ترکیب اتم ها در یک مولکول و قرارگیری مولکول ها نسبت به یکدیگر نوع انعکاس و در نتیجه رنگ را تعیین می کند. یک جسم آبی رنگ توانایی انعکاس را به گونه ای دارد که در مواجه با نور آبی دیده شود. هر تغییر در آرایش مولکول ها و نوع پیوند مواد باعث تغییر در نور منعکس شده و در پی آن تغییر رنگ ماده می شود. اگر این تغییرات در رنگ قابل بازگشت باشند، به رنگزای استفاده شده هوشمند گفته می شود.
مطالعات در مورد رنگزاهای هوشمند به قرن 19 بر می گردد. اولین اثر فتوکرومیک در مواجهه با UV توسط J.Fritzche در یک محلول تتراسین و بعدها توسط E.ter Meer برروی نمک پتاسیم دی نیترومتان جامد انجام شد. تاکنون تعدادی از رنگ های هوشمند شناخته شده اند که طبیعی یا سنتنز شده هستند و در میان اینها تعداد کمی برای رنگرزی پارچه مناسب اند که مقاومت لازم را در برابر شوینده ها، نور، دمای بالا و اتو دارند و تعداد بسیار کمی قابلیت تغییر قابل بازگشت را دارند. این رنگزاها پتانسیل بسیار بالایی در فشن، دکوراسیون، اسباب بازی، لباسهای که در استتار استفاده می شوند، تنظیم دمایی، سنسورهای انعطاف پذیر هوشمند و… دارند.
پدیده ی تغییر رنگ قابل بازگشت کرومیسم chromism نام دارد و بر پایه ی تغییر چگالی الکترون در مواد، به خصوص وضعیت الکترونی d یا II و یا تغییر در آرایش سوپرمولکول ماده، است.
از انواع کرومیسم می توان به این موارد اشاره کرد:
- فتوکرومیسم: در طی یک فرآیند فتوشیمیایی قابل بازگشت ساختار یک ماده ی فتوکرومیک تغییر یافته و در نتیجه میزان جذب الکترومغناطیسی در برخورد با UV تغییر می کند.
- ترموکرومیسم: ترموکرومیسم یک تغییر قابل بازگشت در سطح مولکولی یا چند مولکولی است که با گرما القا شده و با تغییرات درون محدوده ی جذب یک مولکول ترموکرومیک، معمولا در محدوده ی نور مرئی، رابطه مستقیم دارد. برای استفاده در نساجی ایده آل این است که تغییرات بین محیط و دمای بدن انجام شود.
- الکترومیسم: الکتروکرومیسم که توسط گرفتن یا از دست دادن الکترون ها القا می شود، یک تغییر قابل برگشت رنگ است که به دلیل واکنش کاهش الکتروشیمیایی (اکسید و احیا) رخ می دهد. یک واکنش کاهش توسط ولتاژهای زیر یک یا چند ولت تحریک می شود و تحت تاثیر موج الکتریکی، مواد الکتروکرومیک رنگ خودشان را از بی رنگ به رنگ دار تغییر می دهند. مثالی از این عناصر پلی آنیلین است که با توجه به پتانسیل الکتریکی زرد، آبی تیره یا مشکی می شوند.
- مکانوکرومیسم: یک تغییر قابل برگشت رنگ عناصر به علت تغییر فرم، مانند بزرگتر شدن یا فشرده شدن، است.
استفاده از پیگمنت های آلی ترموکرومیک در نساجی در حال افزایش است. با این حال، انتخاب رنگزایی که در منفی ۱۵ تا مثبت ۴۰ درجه ی سانتیگراد قابلیت تغییر رنگ داشته باشد، با محدودیت روبروست. برای بدست آوردن غلظت مناسب رنگ باید از این مواد به میزان زیاد استفاده کرد.
موارد استفاده
استفاده در لباس و تزئینات
شرکت TORAY یک مدل چند رنگ دیگر از همین نوع پارچه را بر اساس پیگمنت های آلی ترموکرومیک معرفی کرد. این پارچه میتواند ۶۴ رنگ مختلف را در فواصل دمایی ۵ درجه از منفی ۴۰ تا مثبت ۸۰ را نشان دهد. آنها در تولید این پارچه از فناوری میکروکپسول ها در ۴ رنگزای ترموکرومیک استفاده کردند که تغییر رنگ از سفید به صورتی، آبی به مشکی، زرد به آبی و صورتی به خاکستری را در پارچه ممکن کرد. با توجه به کاربری محصول تغییرات رنگ به گونه ای طراحی میشد تا در ۱۱ تا ۱۹ درجه ی سانتی گراد برای لباس اسکی، ۱۳ تا ۲۲ درجه ی سانتیگراد برای لباس بانوان و ۲۴ تا ۳۲ درجه ی سانتی گراد در پنجره ها از آن استفاده شود.
شرکت ژاپنی ماتسو-شیکیسو پروسه ی هایپرکالر را برای چاپ بر روی پارچه های پنبه ای با پیگمان های آلی ترموکرومیک با قابلیت ترموکرومیک منفی طراحی کرد. حق استفاده ی انحصاری این طرح به شرکت لباس ورزشی جنرا داده شد که تی شرت هایی با قابلیت چند تغییر رنگ را در اواخر ۱۹۸۰ و ۱۹۹۰ تولید کردند. امروزه پیگمان های آلی ترموکرومیک بیشتر برای گلدوزی بر روی پارچه استفاده می شوند، مانند نخ های بافت برای چاپ حرارتی بر روی انواع پارچه ها.
در دهه ی ۱۹۸۰ روشی برای پوشش چرم و پوست با کریستال های مایع ترموکرومیک ثبت شد. این روش شامل آماده کردن و پخش میکروکپسول های ترموکرومیک به همراه بایندر امولگاسیون سنتزی (ونیل آکریلیک، متاکلریک یا رنگ های آمیدی) در آب بود که توسط چاپ سیلک اسکرین انجام می شد. رنگ آمیزی نمونه های چاپ در ۱۶-۲۲ ، ۲۲-۲۸ و ۲۶-۳۱ درجه ی سانتی گراد انجام شد. در این منسوجات رنگ در زوایای مختلف متفاوت دیده میشود.
رنگزاهای ترموکرومیکی که برای نخ های دارای فیبرهای فلزی استفاده می شوند، توسط حرارت حاصله از قراری گیری در معرض ولتاژ دارای رنگ میشوند. پلید الکتریک اولین نمایشگر با قابلیت تغییر رنگ برنامه ریزی شده است که مانند یک نمایشگر کامپیوتری این کار را انجام می هد. با تقسیم ساختار پارچه به ۶۴ قسمت الکترونیکی، که رنگشان برنامه ریزی شده است، امکان طراحی گستره ای از طرح ها و ترکیبات بر روی پارچه وجود دارد.
علاوه بر آنچه گفته شد، توسط رنگزاهای مکانوکرومیک می توان افکت های مختلفی روی پارچه ایجاد کرد. پلی دی استیلن های متصل به پلی اورتان ها بر اثر فشردگی یا کشش تغییر رنگ میدهند. از این روش در تولید لباس، کفش و دیگر منسوجات الکترواسپان استفاده می شود.
تنظیم حرارتی
تغییر رنگ قابل بازگشت رنگزا جذب گرمایی پارچه را به صورت غیرمستقیم تحت تاثیر قرار می دهد. شیدهای کمرنگ تر و رنگ سفید پیگمان های ترموکرومیک باعث افزایش انعکاس و شیدهای تیره تر باعث افزایش جذب گرما می شوند. با توجه به سفید شدن این مواد بر اثر دمای زیاد اطراف و درنتیجه انعکاس گرما می توان از این قابلیت در لباس آتش نشان ها و یا پوشش ساختمان ها بهره برد.
رنگزاهای ترموکرومیک می توانند تغییرات ابعادی الیاف را تسریع ببخشند. در دماهای محیطی بالاتر الیافی که رنگزای ترموکرومیک دارند، کوتاه تر شده و در نتیجه منافذ پارچه بزرگتر و نفوذ هوا به بافت بیشتر و در نتیجه بدن خنک تر می شود. در هوای سرد حفره ها ریزتر، الیاف بزرگتر و در نتیجه نفوذپذیری کمتر و گرمای بدن حفظ می شود.
رنگزاهای کموکرومیک هوشمند
ECI بیوتک وریستر اولین بیوسنسور بر اساس رنگزاهای کموکرومیک را معرفی کرد، که می تواند در پارچه استفاده شود. این فناوری جدید بر پایه ی تشخیص رنگ پروتئین هاست. یک بیوسنسورپروتئین هایی مانند پروتئازهای ویژه ی میکروبی را در غشای خارجی باکتری پاتوژن تشخیص می دهد. این بیوسنسور که در لایه ی زیرین رنگزا قرار می گیرد با تغییر رنگ مصرف کننده را از خطر آگاه می کند. این محصول با نام تجاری اکسپرس دیتکت شناخته می شود. یک بیوسنسر عملا می تواند در سطح هر ماده ای قرار بگیرد. نخ دندان، پوشک، سواب، پد بهداشتی، دستمال، باند زخم، سوند، ظرف های نگهداری نمونه و … از دیگر موارد استفاده ی این رنگزاهاست.
علاوه بر این، از این رنگزاها میتوان در ساخت لباس های حفاظتی برای تشخیص گازهای خطرناک در مرحله ساخت استفاده کرد. تغییر رنگ لباس فرد را از محل خروج گاز سمی، مسیر انتشار و شدت گاز مطلع می کند. در مقایسه با دیگر تابش سنج هایی که امروزه استفاده می شوند، این روش آسان تر، مقرون به صرفه تر و سریع تر است.
مواد رنگزا ترموکرومیک تحت تاثیر محرک دما با سرعت و به صورت برگشت پذیر از حالت بی رنگ به رنگی تغییر میکند. مواد رنگزای ترموکرومیک بیشتر به صورت رنگدانه (پیگمنت) در دسترس هستند.
کرومیسم فرآیندی است که باعث تغییر رنگ برگشت پذیر اجزای متشکل از یک ترکیب شیمیایی میشود. این ترکیب شامل تغییرات در سطح مولکولی مانند شکستن پیوندهای شیمیایی یا تغییراتی است که در داخل مولکول و الکترونها رخ میدهد.
به فرآیند برگشت پذیر رنگ ناشی از تغییر دما ترموکرومیسم میگویند. با توجه به نوع ماده ترموکرومیکی که استفاده میشود، تغییر رنگ در دکای خاصی رخ میدهد که به آن ” دمای انتقال ترموکرومیک ” میگویند. هنگامی که ماده به دمای انتقال میرسد، تغییر رنگ آن بسیار سریع اتفاق میافتد. اولین توصیف از این پدیده ترموکرومیک در سال 1929 میلادی انجام شد که در آن محلول بی رنگ دی-B- نفتواسپیران تحت حرارت به فام آبی – بنفش تبدیل شد. این ترکیب زمانی که سرد شد دوباره رنگ خود را از دست داد.
برای محافظت این مواد از تخریب هوامل محیطی، از روش میکروکپسول سازی استفاده میشود، میکروکپسولهایی تاقطر 20 میکرومتر تهیه میشود که برای این کار از پلیمرهای مختلف استفاده میشود.
میکروکپسولهای ترموکرومیک در ابتدا برای کاربردهای نساجی ساخته نشدند زیرا آنها فاقد میل ترکیبی با منسوج بوده و در آب نامحلول هستند. بنابراین به شکل پودر و معمولا به عنوان رنگدانههای مخلوط شده با بیندرهای مناسب، از طریق چاپ روی کالای نساجی اعمال میشوند.
رنگزای ترموکرومیک برگشت پذیر به صورت تجاری با دماهای فعال سازی مختلف، از 15 تا 65 درجه سانتی گراد در دسترس هستند اما بیشتر کاربردها به سه محدوده دمایی استاندارد محدود میشوند، یعنی دمای سرد (حدود 10 درجه سانتی گراد)، فعال شده با حرارت بدن (حدود 31 درجه سانتی گراد) و دمای گرم (حدود 43 درجه) .
مطالعات نشان میدهد که مواد ترموکرومیک نسبت به عوامل محیطی حساس هستند و در معرض هوا و شرایط جوی تخریب میشوند به طوری که ویژگی ترموکروم بودن خود را از دست میدهند و یا عملکردشان به شدت کاهش مییابد.
پیگمنت ترموکرومیک چیست
عبارت ترموکرومیسم (Thermochromism) یا رنگزای حرارتی، برای توضیح پدیدۀ تغییر رنگ حاصل از تغییر دما به کار برده می شود. رنگ ها و پیگمنت های ترموکرومیک به دلیل این نوع تغییر رنگشان به عنوان شناساگر تغییر دما استفاده می شوند و برای مثال در دماسنج های حاشیه دار پلاستیکی، ترموگرافی پزشکی و آزمایش های غیر مخرب ابزار مهندسی و مدارهای الکتریکی به کار برده می شوند. همچنین در تصویر سازی حرارتی و برای تنوع دادن به دکوراسیون و ایجاد جلوه های جدید مورد استفاده قرار می گیرد. لاکتون کریستال ویولت (3) ترکیب بسیار شناخته شده ای در بین رنگینه های ترموکرومیک است و به عنوان مثالی برای توضیح اصول ترموکرومیسم به کار می رود. ترکیب 3 یک مولکول غیر قطبی و بی رنگ است. در مجاورت اسید، حلقۀ لاکتونی باز می شود و ساختار بنفش/آبی آریل کربونیم (تری آریل متین) (4) بدست می آید که در شکل 1 نشان داده شده است. مشتقات زانتن (فلوران ها) نیز شیمی مشابهی دارند و همانطور که ساختار 5 در شکل 1 نشان داده شده است، در صورت باز شدن حلقه و تبدیل به فرم (6) به رنگ های متنوعی از جمله نارنجی، قرمز، سبز و سیاه در می آید. این نوع واکنش های تشکیل رنگ در کاغذهای کپی کاربن استفاده می شوند. اساس این پدیده بر پایه تشکیل رنگ نسخه بر کپی در نتیجۀ فشار حاصل از نوشتن یا تایپ کردن در نسخه اصلی است. در این سیستم ها، در لایۀ زیری نسخه اصلی، ماده تشکیل دهنده رنگ (سازندۀ رنگ)، مانند ترکیب 3 قرار داده شده است. و با میکروکپسول هایی که در واقع کره های ریزی با لایه خارجی متشکل از یک نوع پلیمر سخت هستند روکش شده است.
شکل 1- تشکیل رنگ حاصل از باز شدن حلقۀ لاکتون کریستال ویولت و ترکیبات وابسته
در اثر فشار بر نسخه اصلی میکروکپسولها شکسته می شوند و ماده سازنده رنگ در تماس ا معرف اسیدی که بر لایه های نسخه کپی روکش شده است، قرار می گیرد و به این ترتیب واکنش تشکیل رنگ به طور برگشت پذیر انجام می شود. ترکیبات سازنده رنگ مانند 3 و 5 ذاتا ً ترموکرومیک نیستند. برای مثال این ترکیبات بدون هیچ تغییر رنگی ذوب می شوند گرچه می توان از آنها برای تولید حرارتی رنگ خواه به طور رگشت پذیر یا برگشت ناپذیر استفاده نمود. در کاغذهای حساس به حرارت از یک ماده سازندۀ رنگ و یک ظاهر کننده اسیدی، معمولا ً فنل، استفاده می شود که به صورت ذرات نامحلولی در مواد تشکیل دهنده فیلم دیسپرس می شوند و از آنها یک ورقه تهیه می شود. وقتی که این ورقه در دمای 80-120 در جه سانتی گراد قرار داده شود مخلوط کامپوزیت ذوب می شود در نتیجه ماده سازندۀ رنگ و مادۀ ظاهر کننده در هم نفوذ می کنند و واکنش ایجاد رنگ انجام می شود. انجام این فرایند با استفاده از یک ترکیب سومی به نام حسگر آسان تر انجام می شود. ترکیب حسگر، برای مثال دی بنزیل ترفتالات مانند یک حلال نفوذ و اختلاط مواد ظاهر کننده و تولید کننده رنگ را تسهیل می بخشد، در این صورت فرایند به طور برگشت ناپذیر انجام می شود و یک تصویر دائمی تشکیل می گردد.
در سیستم های ترموکرومیک برگشت پذیرهر سه جزء مادۀ سازندۀ رنگ، ظاهر کننده و حلال ( که در این مورد از حلال های نسبتا ً غیر قطبی مانند اسیدهای چرب استفاده می شود) در میکروکپسول قرار داده می شوند. اگرچه شیمی فرایند یکسان است، مخلوط قرار داده شده در میکروکپسول معمولا ً در دمای پایین رنگی است و با افزایش دما، بی رنگ می شود. مکانیسم این پدیده بر اساس نتایج تجربی اینگونه پیشنهاد شده است که در دمای پایین حلقۀ ترکیب سازنده رنگ باز می شود و کاتیون پروتون دار شدۀ رنگی تشکیل می شود و در واقع مادۀ سازندۀ رنگ با آنیون فنولیک مادۀ ظاهر کننده به صورت کمپلکس زوج یون در می آید. این کمپلکس در حلال کم قطبی، در دمای پایین نامحلول است. با افزایش دما، کمپلکس حل می شود و به دلیل اثر حلال پوشی، توسط حلال کم قطبی پوشیده می شود و کمپلکس به اجزاء تشکیل دهنده اش یعنی فنل و مادۀ بی رنگ که حلقه آن در حالت طبیعی بسته است، تفکیک می شود. در سرما ترکیب دوباره کریستال می شود و کمپلکس زوج یون رنگی مجددا ً تولید می گردد.
مواد کریستالهای مایع نیز به عنوان مواد رنگزای حرارتی معرفی شده اند. کریستال های مایع کایرال ساختار مارپیچی دارند که طول پلکان وسط مارپیچ مبین اندازۀ طول موج نور می باشد. رنگ از اثر نور سفید بر کریستال مایع ایجاد می شود. طول موج دقیق نور منعکس شده، به طول پلکان مذکور بستگی دارد. به دلیل تغییر طول پلکان با حرارت، پدیدۀ ترموکرومیسم مشاهده می شود. با افزایش دما، طیف رنگ ها به طور پیوسته تغییر می کند، این پدیده در مقابل یک زمینه سیاه که طول موج های عبوری را جذب کند، بسیار جالب توجه است.
