顏料對彩色夜光纖維光譜性能的影響

閆彥紅，葛明橋

(生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)，江蘇 無錫 214122)

夜光纖維是含有夜間發光材料的新型纖維。稀土發光材料是具有夜間發光功能的材料，具有優異的長余輝發光性能［1-3］。將稀土發光材料添加到纖維中，使纖維不但具有普通纖維的性能，而且在黑暗狀態下不需要激發光源便可以放射光，滿足人們生活中的多重需要。夜光纖維不但余輝時間長，且不含放射性元素，對人體不會產生傷害［4］，是功能性紡織品的高端產品。對夜光纖維用發光材料、夜光纖維的發光原理和基礎應用領域的研究［5-7］較多，但由于染色會大大降低夜光纖維的發光亮度，所以，一直以來夜光纖維的顏色以及黑暗狀態下的光色都比較單一，為其產品開發和應用帶來很多不便。

目前研制的彩色夜光纖維是將無機顏料和發光材料加入紡絲基材紡絲而成［8］，該制備方法避免了染整工序對夜光纖維發光亮度的影響。顏料的添加不單賦予夜光纖維在有光狀態下絢麗色彩的顏色，同時，對夜光纖維的發光光譜產生一定的影響，使夜光纖維在黑暗狀態下發射出不同顏色的光。彩色夜光纖維的顏色性能和光譜性能之間存在一定的聯系，目前未見有相關理論性的分析。本文以聚酰胺6為紡絲基材，將4種顏色的顏料和發光材料添加到紡絲基材中，使顏料、發光材料、和紡絲基材均勻混合，經熔融紡絲成彩色夜光纖維。通過對彩色夜光纖維微觀形貌和光譜性能的測試，研究了顏料添加對彩色夜光纖維發光性能的影響，通過彩色夜光纖維的顏色性能和光譜性能的相互聯系進行了分析，以期為彩色夜光纖維的加工和開發提供理論依據。

1 實驗部分

1.1 彩色夜光纖維的制備

將紅色、黃色、藍色和綠色無機透明顏料分別與自制的稀土發光材SrAl2O4：Eu2+，Dy3+按質量比3∶1混合均勻，在1 000℃條件下灼燒1 h，經粉碎篩選為紅色、黃色、藍色和綠色彩色光蓄光型發光基料。將彩色光蓄光型發光基料按1∶10均勻穩定地分散于聚酰胺 6紡絲原料(熔點220℃，玻璃化溫度70℃，半透明)中，混合攪拌、熔融為紡絲注帶，經切粒制成彩色夜光紡絲母粒。然后，將彩色夜光紡絲母粒與聚酰胺6紡絲原料混合，彩色夜光紡絲母粒的含量為5%(按質量計)，在300℃溫度下經20 h烘干后，在螺桿中以280℃的熔融溫度、3 000 m/min的卷繞速度進行紡絲卷繞，制成彩色夜光纖維，包括白色夜光纖維(不添加無機顏料)、紅色夜光纖維、黃色夜光纖維、藍色夜光纖維和綠色夜光纖維，分別記作 LF-W、LF-R、LF-Y、LF-B和 LF-G。

1.2 性能測定

采用荷蘭Fei公司的Quanta200型掃描電子顯微鏡觀察彩色夜光纖維的橫截面和表面形貌，測試前對樣品進行鍍金處理。

采用日本HITACHI公司的F-4600型熒光分光光度計測試彩色夜光纖維的激發光譜和發射光譜，檢測波長間隔為5 nm，電壓為380 V。

采用浙大三色的PR-305型長余輝熒光粉測試儀測試彩色夜光纖維的余輝衰減亮度，照度設置為1 000 lx，光照時間為15 min，光照結束10 s開始測量，測試時間間隔為1 s。

2 結果與討論

2.1 彩色夜光纖維的微觀形貌

圖1 示出不同放大倍數下彩色夜光纖維的外觀形貌和截面形態。從圖 1(a)、(b)中可以看到，彩色夜光纖維的細度均勻，成絲性能良好，說明顏料和發光材料的加入并沒有影響纖維的紡絲性能。結合圖1(c)可以看到夜光纖維的表面并不光滑，這是因為少量預逃離的發光粉體顆粒分散在纖維表面，造成纖維表面凸凹不平，但顏料的添加并沒有加劇發光粉在纖維內部的團聚現象。圖1(d)為彩色夜光纖維的截面形態，可以看到，彩色夜光纖維的橫截面有波浪式橫條線分布，有幾個直徑微小的空洞和一片鱗狀物鑲嵌在截面切面。經樣品制備過程和測試過程分析，波浪式橫條線應為樣品測試前剪切時留下的痕跡，不影響纖維的測試性能。微小的空洞可能為纖維測試剪切時，纖維內部的夜光粉顆粒被剪切滑落纖維截面留下的痕跡，鑲嵌在纖維截面的鱗狀物即為沒有滑落的夜光粉顆粒。從空洞的大小和數量以及鱗狀物的大小和數量來看，夜光纖維的截面并無明顯發光粉顆粒存在。空洞和鱗狀物的幾何尺寸很小，表明發光粉體的粒徑較小，有利于發光粉體在纖維中的分散。由以上分析可知，彩色夜光纖維在紡絲過程中，顏料和發光粉體與紡絲基材均勻混合，顏料并不影響發光粉體的分散性能，發光粉體在彩色夜光纖維表面無明顯團聚現象。

圖1 彩色夜光纖維的SEM照片Fig.1 SEM images of colored luminous fibers

2.2 顏料對彩色夜光纖維激發光譜的影響

圖2 為彩色夜光纖維的激發光譜圖，檢測波長為520 nm。可以看出，白色、紅色和藍色夜光纖維的激發峰位于360 nm附近，與發光粉相似，主要是稀土離子Eu2+的5d電子能級發生能級分裂，形成多個亞穩能態存在著多種能級造成的［9］。說明紅色和藍色顏料的添加并沒有改變發光粉和纖維基體的晶體結構，不影響纖維激發光譜峰值的位置。黃色和綠色夜光纖維的激發光譜明顯不同于其他顏色，其光譜圖有3個明顯峰值，2個強峰分別位于450 nm和470 nm附近，而360 nm處的峰值并不明顯，使黃色夜光纖維的激發光譜明顯區別于其他顏色夜光纖維的激發光譜。這可能是因為黃色顏料和綠色顏料的添加對發光材料的發光中心稀土離子Eu2+的5d電子能級產生了一定影響，使其形成的主要亞穩能態發生變化，激發波段的主波長向長波方向移動，從而使黃色和綠色夜光纖維的激發波長移向可見光波長區域。

圖2 檢測波長為520 nm時彩色夜光纖維的激發光譜Fig.2 Excitation spectra of colored luminous fibers with excitation wavelength of 520 nm

2.3 顏料對彩色夜光纖維發射光譜的影響

圖3 為彩色夜光纖維的發射光譜圖，檢測波長為360 nm。可以看到，白色、黃色、藍色和綠色夜光纖維發射光譜是以520 nm為發射峰向兩側展開的寬帶譜，發射波長基本為人眼所敏感的黃綠色可見光波長范圍。藍色夜光纖維發射光譜發生微弱的藍移現象，但其發射譜線整體上仍與白色夜光纖維發射光譜譜線相一致。以上分析說明黃色、藍色和綠色顏料并沒有改變發光粉的電子能級躍遷，從而沒有影響夜光纖維的發射光譜譜線，黃色、藍色和綠色夜光纖維發射光譜的發射峰仍保持在520 nm左右，但顏料的添加對夜光纖維的發光強度產生一定的影響。在峰值位置，綠色纖維的發光強度相對最大，然后依次為黃色、藍色和白色。紅色夜光纖維的發射光譜嚴重偏向紅光波段，產生紅移現象，其發射峰值位于575 nm，相對亮度高于白色夜光纖維。產生紅移的原因可能是紅色顏料對發光材料的發射光譜產生較大牽引作用，迫使紅色錦綸6夜光纖維的主發射峰向紅光波段靠近。紅色夜光纖維在520 nm也存在微弱的發射峰，但其相對亮度低于白色夜光纖維。

圖3 檢測波長為360 nm時彩色夜光纖維的發射光譜Fig.3 Emission spectra of colored luminous fibers with excitation wavelength of 360 nm

圖4 為彩色夜光纖維檢測波長為450 nm時的發射光譜。由圖可知，黃色和綠色夜光纖維產生明顯的發射譜線，其發射峰位于500～530 nm波段。紅色夜光纖維也產生了相應的發射光譜，其峰值保持在575 nm附近，峰值處的相對亮度要遠遠低于黃色和藍色夜光纖維。而白色和藍色夜光纖維幾乎沒有發射光譜出現。

圖4 檢測波長為450 nm時彩色夜光纖維的發射光譜Fig.4 Emission spectra of colored luminous fibers with excitation wavelength of 450 nm

以上現象說明450 nm的光能夠容易激發黃色和綠色夜光纖維，能夠微弱激發紅色夜光纖維，而對白色和藍色夜光纖維不產生激發作用。這一結論與彩色夜光纖維的激發光譜性質相吻合。激發光譜向可見光區域移動很大程度上改變了夜光纖維只能紫外光激發的條件，為夜光纖維在不同環境應用時尋找適當的激發光源提供了便利，拓寬了夜光纖維的應用領域，可以使夜光纖維廣泛應用于裝飾品領域和防偽產品［10］。

2.4 顏料對彩色夜光纖維余輝性能的影響

圖5 示出彩色夜光纖維亮度隨時間的變化曲線。可以看出，彩色夜光纖維的余輝亮度隨時間呈指數函數遞減的規律，與唐明道等［11］對 SrAl2O4：Eu2+，Dy3+的長余輝發光特性研究相似。彩色夜光纖維初始亮度和衰減速度是不同的，在前150 s，各色纖維的亮度損失最為嚴重，之后，各色纖維的余輝亮度趨于平穩。

圖5 彩色夜光纖維的余輝曲線Fig.5 Decay curves of colored luminous fibers

圖6 為彩色夜光纖維的初始亮度，圖7為樣品在P點的亮度。可看出，彩色夜光纖維在初始階段和亮度平穩階段，其亮度值表現出相同的規律性：LF-W ＞LF-Y ＞LF-G ＞LF-B ＞LF-R。其中，LF-W和LF-Y亮度較高，而LF-G、LF-B和LF-R亮度差別微弱，由圖5知，3個樣品的余輝曲線幾乎合并為一體。設定150 s時間點為纖維亮度衰減的轉折點，該時刻點稱為P點。

圖8 示出彩色夜光纖維前140 s亮度平均衰減速率。可以看出，彩色夜光纖維的亮度在達到平穩值P點前，其平均衰減速率也呈現出相同的規律性，說明在相同的時間點，白色和黃色夜光纖維雖然亮度損失最大，但在亮度達到平穩態時，其亮度值仍然最高，與之相反，綠色、藍色和紅色夜光纖維亮度損失最小，其P點亮度值也較低。因此，黃色顏料對夜光纖維的亮度損失影響不大，而綠色、藍色和紅色顏料降低了夜光纖維亮度衰減速度的同時也削弱了夜光纖維的亮度值，對夜光纖維的亮度產生較大影響。

圖6 彩色夜光纖維的初始亮度Fig.6 Initial brightness of colored luminous fibers

圖7 彩色夜光纖維的P點亮度Fig.7 Point P brightness of colored luminous fibers

圖8 彩色夜光纖維前150 s亮度平均衰減速率Fig.8 Average deterioration rate of colored luminous fibers brightness with 150 s beginning

3 結論

1)顏料的添加沒有加劇發光粉在纖維內部的團聚現象以及在纖維表面的分散性能，彩色夜光纖維的成絲性能良好，少量逃逸的發光粉粒分散在纖維表面，使纖維表面凸凹不平。

2)紅色和藍色顏料的添加對彩色夜光纖維的激發光譜沒有產生明顯影響，紅色和藍色夜光纖維的激發峰仍位于360 nm附近，與白色夜光纖維的激發光譜相似。黃色和綠色顏料對夜光纖維激發光譜影響較大，黃色和綠色夜光纖維的激發波長移向可見光波區域，峰值移向470 nm附近。

3)黃色、藍色和綠色顏料對彩色夜光纖維的發射光譜沒有明顯影響，但紅色顏料的添加使得紅色夜光纖維的發射光譜出現明顯的紅移現象，發射峰位于575 nm。

4)彩色夜光纖維的發光亮度在前150 s損耗最為嚴重，之后各色纖維亮度趨于平穩，白色和黃色夜光纖維在達到亮度平穩狀態時的平均衰減速率最大。黃色顏料對夜光纖維的余輝衰減無明顯影響，但紅色、藍色和綠色顏料的添加增大了夜光纖維亮度的損耗。彩色夜光纖維的初始亮度和平穩態亮度表現出相同的規律性，即白色和黃色夜光纖維亮度較高，紅色、藍色和綠色夜光纖維亮度值較低，且趨于相等。

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