聚合物光纖織物的特性及其應用

呂 晨，鐘智麗，匡麗赟，吳劍青

(天津工業大學紡織學院，天津 300387)

聚合物光纖(POF)是指采用聚合物材料或有機材料制備而成的細絲狀可傳導光功率的傳輸線。1967年由美國杜邦公司研發的首種聚合物光纖進入市場，經過40多年的發展，聚合物光纖已經成為光纖的一個重要分支［1］。由于聚合物光纖與傳統的玻璃光纖相比，具有良好的柔韌性和彎曲性，并且端面易加工，目前已廣泛應用于短距離通信，燈飾照明，傳感器等領域［2］。隨著各種功能型聚合物光纖的出現，近年來，將聚合物光纖織制成織物為聚合物光纖開辟了新的應用前景，通過將不同的光源與織物中的光纖進行連接耦合［3］，可開發諸多產品，使其應用在發光紡織品［4］、柔性顯示器［5-7］、醫用光療產品［8-9］以及光纖傳感器［10-12］多個領域。

1 聚合物光纖的結構及特性

1.1 聚合物光纖的結構

聚合物光纖通常由3部分組成：芯層、皮層和保護層，其中芯層的折射率較高，用來傳遞光;皮層的折射率略低于芯層，通常皮層與芯層的折射率相差約1%，與纖芯一起形成全反射條件，從而使光線在光纖中無損失地傳輸;保護層強度高，能承受較大沖擊，起到保護光纖的作用［13］。通常應用在光通信領域外的聚合物光纖，一般不包含保護層，具體結構見如圖1。

圖1 聚合物光纖的結構示意圖Fig.1 Cross-sectional view of polymer optical fiber

1.2 聚合物光纖的特性

光導纖維按所使用的材質分類，可分為石英玻璃系光纖和聚合物光纖(POF)2個大類。前者主要應用在較長距離的光通信領域，按其具體材質，又可分為石英光纖、氟化玻璃光纖和硫化玻璃光纖等，而后者按所使用的聚合物種類可分為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、含氟透明樹脂和氘化PMMA等［14］。聚合物光纖與傳統的石英系、玻璃系相比具有以下特性，具體如表1所示。

表1 聚合物光纖與石英系、玻璃系的性能比較Tab.1 Properties of polymer optical fiber and quartz and glass fiber

由表1可以看出，與石英、玻璃系光纖相比，聚合物光纖具有優異的彎曲性能，并且由于其幾何形狀和力學性能與常規纖維相似，使其織入織物成為可能;聚合物光纖柔軟而強韌，具有較大的直徑范圍，為0.15～3.00 mm;且聚合物光纖具有較大的數值孔徑(光纖的數值孔徑是指某一角度范圍內入射到光纖端面的光能全部被光纖所傳輸，這個角度α的正弦值就稱為光纖的數值孔徑，數值孔徑越大，光纖接收光的能力也越強)，使得聚合物光纖與光源的耦合率高;但是除了相對于石英、玻璃系光纖的以上優勢外，其綜合耐溫性遠低于玻璃光纖，PMMA芯的聚合物光纖的使用溫度范圍在-55～70℃之間，熱處理溫度為100～110℃，短時間內可以承受100℃左右的高溫，長期使用時，溫度應低于70℃，而石英、玻璃系光纖一般可在200℃以下使用。由于聚合物光纖具有以上特性，使得聚合物光纖在使用中具有以下優勢：1)聚合物光纖在使用時可任意設定角度和形狀，并可在有限和狹小的空間內使用;2)聚合物光纖光源的體積小，可獲得高亮度、多變化的光，且可傳輸特定波長的光，設計自由度高;3)聚合物光纖本身無需維修，且由于光纖實際使用部分與其光源隔離，系統易維修且費用低。但是由于聚合物光纖的熱穩定性較差，使得其不能在超過70℃的高溫中使用，故不能對聚合物光纖織物進行熨燙，否則會造成織物的損壞，因此使聚合物光纖織物保持一定的懸垂性也成為聚合物光纖加工中的一個難題。另外，在聚合物光纖使用時要盡量避免對光纖表面的刮、劃，否則會對光在聚合物光纖中的傳輸造成一定影響。除此之外，聚合物光纖與普通紗線、長絲相比，其剛度仍然較大，并且易斷，因此，為了保持織物的手感與柔軟度，應盡量選擇直徑小的聚合物光纖進行織造。目前常見的聚合物光纖直徑為0.25 mm。通常使用PMMA芯材的多模突變聚合物光纖來織制織物［15］。

2 聚合物光纖織物的形式及特性

2.1 聚合物光纖織物的形式

聚合物光纖形成的織物通常有機織物、針織物、提花織物和非織造物等，如表2所示。聚合物光纖在不同結構的織物中呈現不同的狀態，導致聚合物光纖不同程度的彎曲，因此在光纖的傳播中損失程度不同［16］。在機織物中，光纖作為經緯紗，產生微彎曲，因此損耗較小;在針織物中，光纖的彎曲程度變大，因此損耗變大;在提花織物中，光纖產生宏彎曲，宏彎曲產生光損失較大，故在提花織物中，不需要其他處理，光就會通過宏彎曲散射出來，因此，織造提花織物可直接開發發光裝飾紡織品［17］;在非織造結構中，聚合物光纖通常是在非織造布成型的過程中通過合適的黏合方式附著在織物表面或里層，光纖伸直程度較好，因而，此種結構不會造成光損失。

2.2 聚合物光纖織物的特性

聚合物光纖織物雖然使用的不是常規的紡織用紗，但是由于其本身的特性，其織物不僅具有紡織品的特性，而且與普通織物相比，還具有其他優異性能。

表2 聚合物光纖織物的類型Tab.2 Type of polymer optical fiber fabric

1)可保持優異的柔韌性：直徑為0.25 mm的聚合物光纖的斷裂應變為11.7%，略低于滌綸長絲的斷裂應變17%，是玻璃光纖的30多倍［18］。

2)聚合物光纖織物與普通織物一樣具有質量輕的優點：PMMA的體密度為1 150～1 190 kg/m3，低于滌綸的體密度1 380 kg/m3，是玻璃纖維密度2 400 ～2 800 kg/m3的一半［18］。

3)具有較優的服用舒適性能：聚合物光纖織物的保暖性和透氣性優于同種組織規格的棉織物。

4)具有耐久性，并且具有傳輸光和發散光的能力。

5)使用安全：光纖傳輸過程中產生冷光并且無電磁輻射［19］。

6)易與光源連接：POF具有便利的端面加工特征，其端面只需用刀片或熱刀片簡單切割即可，其耦合損耗與端面精細研磨拋光的POF相同［20］。

雖然聚合物光纖織物具有很多優點，但是由于其使用溫度較低，熱穩定性較差，并且聚合物光纖在0℃以下力學性能會發生顯著變化，使得聚合物光纖織物的應用環境受到一定限制［4］;另外，由于聚合物光纖表面光滑，造成織物中的光纖易滑脫，光纖織物易變形，因此，織造時應該特別注意經緯密和布邊組織的設計。

2.3 聚合物光纖織物在加工過程中的問題

作為一種特殊的紡織用紗，聚合物光纖在織造過程中存在以下問題：

1)聚合物光纖由于自身力學性能較差，而在機織物的織造過程中，整經、穿綜、穿筘等工序易對光纖表面造成刮、劃，從而影響光在聚合物光纖中的傳輸與散射，因此聚合物光纖在機織物的織造時適宜做緯紗，避免聚合物光纖斷裂及表面受到過多的損傷;

2)由于聚合物光纖的勾結強度較低，在織造過程中易斷裂，因此在聚合物光纖針織物的織造中應選擇合適的組織來避免光纖的過度彎曲;而在使用劍桿織機進行織造時，劍桿引緯時對聚合物光纖的勾結易引起斷裂，可以通過改造劍桿織機的劍桿，降低引緯時劍桿對紗線勾結的力度，從而保持光纖持續長時間不斷裂的織造，提高織造效率;

3)由于聚合物光纖織物必須要留出一定長度的光纖與光源連接形成最終織物，因此對于所留出的光纖進行整理成為一大問題。用聚合物光纖織造時，需合理設計布邊，并且使用絞綜，從而使織物中露出的光纖易于整理且不影響織造。

3 聚合物光纖織物的應用

3.1 發光紡織品

聚合物光纖發光織物的制備主要是利用光在光纖中傳播并使光從光纖表面的裂縫中透出的原理。通常選用側發光聚合物光纖或者通過對端發光聚合物光纖進行處理使光能從光纖表面散發出來［21］，如圖2(a)所示。可采用以下方法：將光纖進行一定長度的拉伸、對光纖表面進行割刮或者采用化學試劑(適量的丙酮、正己烷、乙醇等)對光纖表面進行破壞［22］。此外，光纖在織物中的彎曲也會造成一定程度的光散射，如圖2(b)所示。

圖2 聚合物光纖側發光原理Fig.2 Light extraction from optical fibers.(a)Surface corrugation in polymer optical fibers;(b)Microbending in optical fibers

利用聚合物光纖開發發光紡織品，是聚合物光纖織物的一個重要應用。目前制備發光織物主要有以下3種途徑：利用光致發光材料形成夜光織物［23-24］，利用發光二極管(LED)在織物中形成發光織物［25-26］和利用光導纖維織制發光織物。利用光纖制備發光織物與其他2種方法相比，具有以下優勢，如表3所示。

表3 不同發光織物的性能對比Tab.3 Properties of different light emitting fabrics

目前，聚合物光纖發光織物已經開發成多種產品，應用在服裝、家紡、照明裝飾、安全警示以及醫用光療等多個領域。法國的Lumitex公司在1985年就開始致力于這種發光產品的開發，目前已成功將這種發光織物應用在服裝以及各類家紡用品上，如桌布、窗簾、床品等［4］。Rubans Gallant和 Dubar-Warneton這2家公司在1997年開發出用來裝飾、照明的緯編針織發光織物，之后這種發光織物又被開發成安全服和一些時尚配件。

此外，由于聚合物光纖織物產生冷光，無熱量，光源可靈活調換，并且光纖發光織物與傳統的光源相比更柔韌，可以隨意與人的體型相吻合，因此，越來越多的光纖發光織物應用在光能治療方面［8，21］。國外研究人員將側發光光纖編織成光纖毯，這種光纖毯發出的藍光可以有效治療嬰兒的黃疸病。與單獨將嬰兒置于一個藍燈光照環境下這種傳統的治療方式相比，嬰兒裹在這個光纖毯中可以在父母的懷抱和喂養中得到治療。瑞士的Markus Rothmaier利用聚合物光纖織物的光源活動性與光亮調節的靈活性，解決了對某種腫瘤的光能療法中的光照劑量需要嚴格控制的問題［9］。

圖3 聚合物光纖柔性顯示器的發展過程Fig.3 Development of flexible optical fiber display

雖然這種聚合物光纖發光織物在目前已經得到了廣泛利用，但是由于光在光纖中的傳遞過程是呈指數衰減的，使得這種發光織物容易出現亮度不勻的問題，因此在聚合物光纖織物的織造中，織物的長度會有一定限制，需保證織物的尺寸小于光纖出現明顯衰減的長度，使得聚合物光纖織物的亮度盡可能均勻。

3.2 聚合物光纖柔性顯示器

由于聚合物光纖織物具有良好的柔韌性，并且與LED相比，價格較低，更容易應用在紡織品中，因此利用聚合物光纖織物制備柔性顯示器開始被人們考慮并且逐步成為現實。顯示器通常由聚合物光纖和普通紗線交織而成。這種柔性顯示器的屏幕表面由若干獨立單元組成，通常在織造過程中確立屏幕的矩陣排列，通過一個電子接口將織物與多組LED燈整合成一體，控制不同組的光纖，并調控LED燈開關、顏色以及亮度的變化(由屏幕矩陣決定)來形成靜態或動態的不同圖案［5］。

這種聚合物光纖柔性顯示器的發展經歷3個階段，如圖3所示。法國France Telecom公司的研究人員開發出最初的聚合物光纖顯示器，如圖3(a)所示，它采用0.5 mm的聚合物光纖織制而成，經緯密均為70根/10cm，屏幕可顯示3行3列60 mm×60 mm的數字或者英文字符串［6］。隨后，在這種柔性顯示器的基礎上，通過提高織入光纖的經緯密，從而達到提高屏幕“像素點”的目的，使得屏幕上可以顯示更具變化性的圖案，如圖3(b)所示。在第3代聚合物光纖柔性顯示器中，將這種顯示器結合遠程通信服務技術，可通過使用個人計算機或者移動電話連接互聯網，然后從相應的圖案庫中編輯設置具有個人風格的圖案［7］。

雖然目前的聚合物光纖柔性顯示器已發展到可顯示變化圖案及可與互聯網連接的階段，但是聚合物光纖柔性顯示器可達到高像素化、高清晰度仍然需要很長的時間來實現。高像素化意味著在1塊聚合物光纖織物上存在成千上萬個像素點，從而保證這種柔性顯示器的高清晰度，而過多像素點的存在使得制備工藝變的非常復雜，且成本過高。

3.3 聚合物光纖織物傳感器

聚合物光纖具有可傳輸光、散射光以及可收集側面散射光的特性，使得光信號可以很容易地傳輸至指定的光電檢測器中，因此常常被用來制備成傳感器。聚合物光纖織物傳感器與普通傳感器相比，具有不產生熱量、對電磁干擾不敏感、質量輕以及柔韌性好的顯著優點［27-29］。目前利用光纖制作傳感器可測量多種參數的變化，例如溫度、濕度、壓力、風速、距離、位置、形狀、顏色、亮度、透明度、粒子濃度、流量、半徑、密度、濁度和折射率等［30］。

Rothmaier M等［10］在2008年研發出一種聚合物光纖織物壓力傳感器，如圖4(a)所示。在這種傳感器中，聚合物光纖伸直無彎曲地附著在織物中，當載荷去除后，光纖可迅速回復到其原本的狀態。德國的Jens Schuster等［11］設計了一種在VARTM成型過程中監測內部應力、壓力以及溫度變化的聚合物光纖織物傳感器，如圖4(b)所示。

圖4 2種不同的聚合物光纖織物傳感器Fig.4 Examples of polymeric optical fiber fabric sensors.(a)Pressure-sensitive woven fabric with embedded POF;(b)VARTM process with'smart fabric'during injection

在醫療方面，利用側面發光光纖的側表面對外界壓力的靈敏度較高這一特點，且側面發光光纖的發光強度會隨著所受壓力的增大而呈線性下降，因此可以編織成光纖地毯［12］。這種光纖地毯具有柔軟、尺寸小以及使用安全的特性，可用于對病人活動范圍進行監測。

由于聚合物光纖織物傳感器主要是利用聚合物光纖中光信號傳輸的改變進行信息傳遞，外界機械壓力、光源的變化及光纖幾何形狀的改變等因素都會對光信號的傳輸產生影響，因此，聚合物光纖織物傳感器不同于別的傳感介質，信號易受周圍環境影響，所以在聚合物光纖織物傳感器的制作及使用中，要最大程度地保證傳感器各個系統的穩定，否則，將在一定程度上影響光信號傳遞的準確性與穩定性。

4 結語

聚合物光纖的特性使聚合物光纖織物的織造成為可能，這種織物的特性使其可開發為多種產品應用于發光產品、柔性顯示器、傳感器等多個領域。隨著新型聚合物光纖的出現，如光子晶體光纖、光子帶隙光子晶體光纖［31-32］等，聚合物光纖織物將具有更廣泛的應用領域，其產品將朝著更加多元化、功能化和智能化的方向發展。

雖然聚合物光纖織物具有十分廣泛的應用前景，但是現階段在光纖織物的織造以及相關產品的開發中，國內市場上缺乏適合織造用的光纖。目前的光纖多為通信用光纖，其力學性能較差，在機織、針織、提花過程中光纖易斷裂，相信將來通過加大對光纖材料力學性能改善的研究或者通過對現有織機的改造來解決這個問題。此外，還應加大對聚合物光纖織物開發出的具有各種功能的服用產品的舒適性及其各項服用性能的研究力度，力求提供給消費者集功能性與舒適性為一體的產品。

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