文/葉佳意 歐陽鎏 黃鴻亮 孫環(huán)寶 田 勇 彭 偉

光致變色鏡片技術(shù)介紹

文/葉佳意 歐陽鎏 黃鴻亮 孫環(huán)寶 田 勇 彭 偉

本文基于材料研究背景，介紹了光致變色材料的研究歷史和分類，并從能級躍遷的角度，對光致變色原理及特性作了仔細(xì)探討，針對光致變色過程的兩種類型輻射強(qiáng)度敏感型和溫度敏感型，從原理上進(jìn)行了詳細(xì)說明。同時(shí)，對目前行業(yè)內(nèi)的主流品牌及生產(chǎn)工藝進(jìn)行了介紹和比較，對光致變色鏡片的未來發(fā)展趨勢作了展望。

光學(xué)眼鏡；光致變色；能級躍遷；變色染料；變色技術(shù)

1 引言

光致變色是“光導(dǎo)致顏色可逆變化”的簡稱，因其廣泛應(yīng)用于視光學(xué)眼鏡而得名。自康寧公司的Roger Araujo發(fā)明光致變色玻璃鏡片以來，變色鏡片已經(jīng)走過了半個(gè)世紀(jì)的歷程，在此期間鏡片材料從厚重的玻璃進(jìn)步到輕薄的高分子樹脂，起變色作用的物質(zhì)也從最初的無機(jī)“銀鹽”（鹵化銀等）發(fā)展成為科技含量更高的有機(jī)光致變色分子（變色染料）。在室內(nèi)變色鏡片可用作普通光學(xué)眼鏡，在戶外可兼作太陽眼鏡，因其變色的高科技特性，變色鏡片在市場上具有廣闊的發(fā)展?jié)摿涂臻g。同時(shí)，在變色時(shí)所發(fā)生的可逆的光化學(xué)反應(yīng)，可應(yīng)用于光存儲材料、光控開關(guān)等多種領(lǐng)域。

2 基本原理

2.1 光致變色研究背景

1867年，F(xiàn)ritzsche率先報(bào)道了一種并四苯溶液，在黑暗中呈現(xiàn)桔紅色，在日光的輻照下則會發(fā)生褪色現(xiàn)象。1899年，Markwald研究了這類物質(zhì)在固態(tài)時(shí)的顏色可逆變化，并將其命名為“phototropy”（光色互變）。直到1952年，以色列科學(xué)家Hirshberg根據(jù)光致變色的特點(diǎn)，建議使用photochromism來代替phototropy，這個(gè)名稱一直沿用至今。

圖1 Fritzche發(fā)現(xiàn)的并四苯變色現(xiàn)象

20世紀(jì)60年代以后，隨著物理測試方法和有機(jī)合成技術(shù)的進(jìn)步，光致變色材料得到了較快的發(fā)展，變色鏡片的商品化也進(jìn)一步促進(jìn)了這一過程。到目前為止，根據(jù)有機(jī)反應(yīng)類型不同，常見的光致變色材料可按以下方式分類：

①周環(huán)反應(yīng)：螺吡喃、螺嗯嗪、苯并吡喃等；

②順反異構(gòu)：二苯基乙烯、偶氮類、吖嗪等可以異構(gòu)化的化合物；

③分子內(nèi)轉(zhuǎn)移：可分為氫轉(zhuǎn)移和官能團(tuán)轉(zhuǎn)移兩種，前者主要有縮苯胺、芐基吡啶、水楊酸類、苯三唑等，后者可見于多環(huán)醌；

④分子鍵斷裂（生成）：三芳甲烷、三芳基咪唑二聚體等可發(fā)生共價(jià)鍵的均裂或異裂，反應(yīng)過程可逆；

⑤電子轉(zhuǎn)移（氧化還原）：紫羅堿在氧氣作用下，可以發(fā)生氧化還原反應(yīng)，發(fā)生可逆的顏色變化。

2.2 光致變色反應(yīng)原理

前述的光致變色材料反應(yīng)類型多樣，但從共性來看，它們均有如下特征：

①在兩種物質(zhì)（A和B）之間進(jìn)行可逆化學(xué)轉(zhuǎn)化，并伴隨顏色變化。

②從A到B需要吸收電磁（光）輻射，從B到A可通過熱或光兩種途徑。

③物質(zhì)A（無色態(tài)）和B（有色態(tài)）具有不同的吸收光譜（如圖2）。

圖2 無色態(tài)（A）和有色態(tài)（B）的吸收光譜

轉(zhuǎn)化過程可用能級躍遷原理來表示和說明，如圖3所示。根據(jù)反應(yīng)性質(zhì)可分為兩種類型：（1）當(dāng)兩種物質(zhì)的激發(fā)態(tài)處于弱耦合或無耦合時(shí)，物質(zhì)A吸收光子能量從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，在這之后可迅速通過光輻射或無輻射的方式回到原來狀態(tài)（基態(tài)A）或從激發(fā)態(tài)A直接轉(zhuǎn)化成基態(tài)B，在這一過程中不存在能量壁壘，因此轉(zhuǎn)化速度取決于輻射強(qiáng)度。（2）若激發(fā)態(tài)的勢阱處于強(qiáng)耦合時(shí)，物質(zhì)A需要越過能量壁壘，才能從激發(fā)態(tài)A轉(zhuǎn)化成激發(fā)態(tài)的物質(zhì)B，進(jìn)而恢復(fù)到其相對穩(wěn)定的基態(tài)，轉(zhuǎn)化速度由溫度決定。當(dāng)前市場上主流的光致變色鏡片、變色染料由多種光致變色分子組成，屬于復(fù)雜的混合體系，同時(shí)具備上述兩種類型的特點(diǎn)。

圖3 光致變色能級圖

3 光致變色鏡片特性及生產(chǎn)工藝

早期光致變色鏡片為玻璃鏡片，采用鹵化銀作為變色材料。隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷進(jìn)步，絕大多數(shù)的變色鏡片已采用有機(jī)光致變色染料。

變色鏡片的性能特點(diǎn)可以描述為“變色快、復(fù)原慢”，在正常陽光下，幾十秒內(nèi)鏡片可以由透明轉(zhuǎn)變成深色，起到阻隔大部分光線的效果。當(dāng)轉(zhuǎn)入室內(nèi)時(shí)，若要回復(fù)到變色前，通常需要幾分鐘甚至更長時(shí)間。

根據(jù)能級躍遷原理，變色鏡片的另一個(gè)特點(diǎn)是：溫度越高，變色速度加快，但顏色更淺；溫度越低，變色速度變慢，鏡片顏色越深。

目前市場上常見的品牌有PhotoFusion?（蔡司），Transition?，Sensity （豪雅），Photogray/ brown Extra?（康寧）和ColorMatic IQ?（羅敦思德）等。

根據(jù)將有機(jī)變色材料加入鏡片基材方式的不同，變色鏡片有3種主要生產(chǎn)工藝：

① 基變技術(shù) （photo cast in）

基變技術(shù)的特點(diǎn)是將變色染料與鏡片原材料（單體）均勻混合，固化后得到具有變色能力的鏡片。

圖4 基變鏡片的變色過程

② 膜變技術(shù) （photo-coating/trans-bonding）

膜變技術(shù)通常在鏡片基材上覆上粘合層（primer），經(jīng)預(yù)烘干之后，再均勻涂覆一層含變色染料及交聯(lián)樹脂的變色層。在具體實(shí)施中，粘附層可與變色層整合，同時(shí)涂覆。

圖5 膜變鏡片的典型構(gòu)成

③ 埋入式變色（imbibing）

埋入式變色是指在加熱的情況下，將變色材料吸附進(jìn)鏡片基體的過程。大部分變色染料位于鏡片表層，與膜變技術(shù)相似。

以上3類工藝各具特點(diǎn)：膜變和埋入式的變色反應(yīng)發(fā)生在鏡片表層，變色層很薄且濃度高，具有變色速度快、顏色深和復(fù)原迅速的優(yōu)勢。但同時(shí)也存在工藝復(fù)雜、缺陷難控制以及良品率低的問題。基變技術(shù)較為簡單，設(shè)備資金投入少，變色材料均勻分布于整片鏡片中，顏色表現(xiàn)更為均勻，然而變色染料對紫外線具有高吸收度的特性，變色同樣發(fā)生在鏡片淺表層，從而發(fā)生變色反應(yīng)的染料濃度無法與前者相比，體現(xiàn)出變色速度較慢、深度較淺的特點(diǎn)。對于埋入式變色技術(shù)，由于并非所有鏡片材料都有吸附染料的能力，應(yīng)用范圍相對較窄。

4 總結(jié)與展望

本文基于對光致變色材料變色原理的理解，對光致變色鏡片的特性及生產(chǎn)工藝進(jìn)行了介紹和探討。從總體來看，光致變色材料具有可逆轉(zhuǎn)化和顏色變化的共性。其轉(zhuǎn)化過程可分為輻照強(qiáng)度敏感型和溫度敏感型，光致變色鏡片中所使用的變色染料由多種光致變色分子組成，同時(shí)具備上述兩種類型的特點(diǎn)。變色鏡片的生產(chǎn)工藝有基變技術(shù)、膜變技術(shù)和埋入式變色3種，其特點(diǎn)特性均有所不同。

縱觀變色材料和鏡片的發(fā)展歷程，未來變色鏡片的發(fā)展方向在于增強(qiáng)性能以提供更好的客戶體驗(yàn)。從技術(shù)角度來說則是速度更快、溫度敏感性更低以及附加各類功能屬性如變色偏光鏡片、車內(nèi)變色片等。鑒于“變色快復(fù)原慢”的特性，如何提升鏡片復(fù)原速度也將成為未來研究的重點(diǎn)。?