稀土鋁酸鹽發光材料在紡織領域的應用研究

趙 歡，潘 力

(大連工業大學 服裝學院，遼寧 大連 116034)

隨著功能性服裝的快速發展，差異化的功能材料、纖維、染料、涂料等越來越受到業內人士的廣泛關注。稀土鋁酸鹽是一種自發光型材料，可用于開發各種發光產品，近年來已經廣泛運用于紡織服裝、交通警示、消防應急等各個領域，深受廣大消費者喜歡。發光材料不僅能提高服裝的辨識度，而且還能極大提高服裝產品的附加值。本文對近年來稀土鋁酸鹽發光材料在紡織服裝領域的研究動態和應用現狀進行了分析和概括，并對目前的發展難題進行了梳理。

1 稀土鋁酸鹽發光材料的特點

稀土長余輝發光材料是指在紫外線或太陽光短時間照射后能夠連續發光的材料，也稱為發光材料[1]。 目前，稀土長余輝發光材料主要包括硫化物、稀土鋁酸鹽和稀土硅酸鹽。

硫化物長余輝發光材料是第一代稀土長余輝發光材料。1866年，法國人Sidot制備出的ZnS:Cu是世界上第一個具有實際應用意義的長余輝發光材料，目前常見的硫化物長余輝發光材料主要有ZnS:Eu2+、CaBaS:Cu+，Eu2+、CaSrS:Eu2+，Dy3+，主要發光顏色為紅色；稀土激活的鋁酸鹽長余輝發光材料是第二代長余輝發光材料。1968年，Palilla F. C.等人[2]在研究SrAl2O4:Eu2+的發光過程中首次發現了鋁酸鹽的長余輝特性。目前的代表材料有SrAl204:Eu2 +，Dy3 +、Sr4Al14O25:Eu2+，Dy3+、BaAl204:Eu2+，Dy3+、CaAl2O4:Eu2+、Nd3+，主要發光顏色為黃綠色、藍綠色等；1968年，Barry等人[3]報道了多種硅酸鹽發光材料的光譜特性，但有關硅酸鹽體系長余輝性能的研究一直沒有突破性的進展，目前稀土硅酸鹽長余輝發光材料主要有Ca2MgSi2O7:Eu2+，Dy3+，Nd3+和 CaMgSi2O6:Eu2+，Dy3+，Nd3+，主要發光顏色為藍色。

稀土長余輝發光材料不同的物理化學性能決定了其不同的應用領域，表1為稀土長余發光材料的性能特點及應用領域比較。其中稀土鋁酸鹽發光亮度高、余輝時間長、無毒、無害、無輻射，應用前景較好。

2 稀土鋁酸鹽發光材料在紡織領域的研究現狀

稀土鋁酸鹽長余輝發光材料在紡織領域的研究起步較晚，目前主要研究集中在兩個方面：一是用于開發稀土長余輝發光纖維，二是通過制作發光涂料開發發光印花紡織品。

2.1 稀土鋁酸鹽發光纖維

發光纖維可分為自發光和蓄光兩種類型，稀土鋁酸鹽發光纖維屬于自發光纖維，它可以在短時間內吸收儲存可見光能并以可見光的形式將能量緩慢釋放，不消耗電能，發光顏色以黃綠色為主。

2.1.1研究現狀

國內稀土鋁酸鹽發光纖維的研究還處于起步階段，技術尚不成熟貴。稀土鋁酸鹽是無機材料，顆粒較大，在溶液中易沉淀，不易均勻分散，在發光纖維制備方面存在較多弊端。大多數稀土鋁酸鹽發光纖維的基體是高聚物如聚酯、聚丙烯或尼龍，通過將適量的稀土鋁酸鹽發光材料和納米功能添加劑添加到紡絲原液中，通過特殊紡絲工藝制成。目前主要有熔融紡絲法、溶液紡絲法、高速氣流沖擊法、表面涂層法、粘合法[4]。近年來，研究人員也開始研究通過靜電紡絲制備稀土鋁酸鹽發光纖維。但天然纖維只能通過表面涂層的方式將發光材料涂附于纖維表面，纖維強度、耐摩擦性、耐洗性等性能較差，因此市場上較為少見。

表1 稀土長余輝發光材料的性能特點及應用領域比較

1994年我國研究人員通過向紡絲粘合劑中加入5%～20%的非放射性發光劑成功制成發光纖維。2007年，我國在無機發光化合物—稀土鋁酸鹽發光纖維的應用方面取得了重大突破。國內對于稀土鋁酸鹽發光纖維的研究，主要集中在以江南大學和東華大學為主的高校，以及北京東方利源科技有限公司和無錫宏源化纖廠等企業。無錫宏源化纖實驗廠與江南大學合作開發出可工業化生產的稀土鋁酸鹽發光纖維，具有自主知識產權，填補了國內空白，技術與成果水平處于國內領先地位[5]；陳超等人[6]采用濕法紡絲的方法制備出綠色稀土鋁酸鹽發光纖維；北京東方利源科技有限公司與清華大學通過特種熔融紡絲的方法，成功開發出稀土鋁酸鹽發光纖維[7]。Ebrahimzade A.等人[8]使用鋁酸鍶(SrAl2O4：Eu2+，Dy3+)顆粒作為發光劑，通過熔融紡絲制備發光聚丙烯纖維，并對纖維的形態、結構、性能等進行了研究。

2.1.2應用現狀

目前國內發光纖維的生產廠家主要集中在杭州、無錫、紹興、常熟、東莞、深圳等地，價格為80元/kg～150元/kg，主要為發光滌綸長絲及發光錦綸長絲，以其中發光滌綸長絲為主。市售發光紗線的發光顏色有黃綠色、藍綠色、紅色等18種顏色，以黃綠色為主，其發光效果也最好。圖1發光紗線。

圖1 發光紗線

由于發光纖維的成本較高，在進行發光纖維產品開發時，不僅需要考慮產品的美觀性，更需要考慮市場及消費者的接受能力，在保證產品設計的同時，控制纖維用量，以適應市場需求。閆艷紅[9]對稀土鋁酸鹽發光纖維的開發和應用進行了系統研究，通過機織、針織及刺繡小樣試驗，研究了發光纖維的可編織性能，并設計了服裝樣衣、開發了發光纖維刺繡毛絨玩具。

(1)機織物

機織物在紡織品中的應用最為廣泛。由于發光纖維具有和滌綸絲相似的物理機械性能，故能上機進行機織物的織造，通過設計合理的組織結構，可以織造出發光性能良好的織物。但發光纖維在織造過程中易與機器上的棕絲、鋼筘等零部件發生摩擦而變黑，導致發光性能減弱，故在織造時應盡量選用塑料零部件或將發光纖維用于緯紗，以減少摩擦，保證纖維的發光性能。雖然發光纖維可用于機織織造，但是由于纖維用量多，織造過程中摩擦的影響，造成產品發光性能低且成本較高，因此發光纖維機織物在市場上較為少見。

(2)針織物

發光纖維可用于經編或緯編針織產品的設計開發，在設計組織結構時要盡可能讓發光纖維位于表面，避免被線圈遮擋，通常選用壓紗組織。裝飾效果的花邊類織物，用少量的發光纖維就可以使產品達到較好的發光效果。但由于發光纖維的柔軟度及彈性較差，所以影響了發光纖維針織物的柔軟度、硬挺度及舒適性，限制了發光針織服飾的發展。

(3)其他特殊用品

用發光纖維加工的繩索、線、帶等應用廣泛，例如照明電纜、工業縫紉線、照明鞋帶和漁網等。發光纖維還廣泛用于家用紡織品等領域，如發光地毯、發光窗簾、毛絨玩具和發光拖鞋等。如圖2為通過發光長絲編織的夜光鞋帶，在白天與普通鞋帶無差異，夜晚可發出明亮的光，在黑暗的環境中方便穿脫，也提高了鞋子的辨識度和夜間出行的安全性。由于發光纖維成本較高，機織物和針織物產品開發受到限制，所以發光刺繡在紡織服裝領域應用較多。圖3為發光刺繡毛絨玩具，發光纖維的加入，增加了玩具的獨特性和趣味性。

圖2 發光鞋帶

圖3 發光刺繡毛絨玩具

2.2 稀土鋁酸鹽發光印花織物

由于發光纖維生產工藝復雜、成本較高，應用局限性較大，市場上的發光織物多是經發光印花制得。將稀土鋁酸鹽以添加劑的形式加入到染色浴和印花漿料中形成發光印花漿，再經基布涂層整理即可得到發光印花織物。發光印花漿是一種新型的特殊印花漿，通常由光致發光體、保護劑、連接劑等組成，為了獲得更好的絲網印刷滲透性，可以用水和油、水乳液等調節粘度[10]。該印花漿料不受纖維類型和織物結構的限制，適用于印刷各種類型的紡織品。發光印花的具體工藝流程為：坯布翻縫→前處理→漂白→定形→印花→保溫焙烘→拉幅定型→檢驗出廠[11]。

2.2.1研究現狀

由于稀土鋁酸鹽發光材料易水解生成Al(OH)3沉淀，導致晶體結構被破壞，嚴重影響其發光性能，限制了發光材料在水性漿料方面的使用，同時也會影響印花織物的耐洗性。因此為使發光材料在水性印花漿中能發揮作用，其表面處理便成為一個重要的研究課題，其中鋁酸鹽發光材料的包覆方法研究較多，主要有溶膠凝膠法、沉淀法、熔融包覆法、物理蒸氣沉積法、混合干球磨法以及其他特殊方法，包覆材料多為無機材料二氧化硅和氧化鋁，近年來有研究者為了改善發光材料與有機漿料的相容問題，開始研究有機包覆材料。呂興棟等人[12]采用溶膠凝膠法在鋁酸鹽發光材料外包覆一層無機SiO2膜，改善了發光材料的耐水性能；侯志青等人[13]采用沉淀法在發光粉體表面包覆了SiO2和Al3O2復合膜；喻勝飛等人[14]采用有機包覆的方法，制備出表面包覆馬來酸酐的發光材料，耐水性、有機相容性良好；Hom Nath Luitel等人[15]將發光粉添加到NH4F中，在高溫燒結后得到氟化物包覆的發光粉；Jing Lin等人[16]在制備發光粉時同時通入N2和NH3混合物，制備出包覆的粉體。

發光印花漿的制備是發光印花織物的關鍵技術，印花漿料的配比、絲網或圓網網版的制作、印花條件等都是重要研究對象。發光印花通常采用低網目的絲網，優選80目～100目。為保證有良好的發光效果，光致發光體的粒徑要盡可能小，夜光粉的目數一般為200目～800目，添加量通常為10%～30%，應盡可能地將發光漿疊印在淺色或白色底層上，同時需注意不被其他涂料漿遮蓋[13]。印花的溫度、時間等條件根據印花織物的種類調節。喻勝飛等人[17]介紹了發光材料的特性、改性研究、粘合樹脂的選擇，闡述了國內外發光涂料的應用研究現狀；李許波等人[18]通過對稀土鋁酸鹽長余輝發光材料的應用現狀調查發現，油性涂料中含有多種有機溶劑，會對環境造成污染；袁燕等人[19]采用絲網印花，以發光材料50%、紫外線吸收劑0.3%、光穩定劑0.4%的配方，制備出性能優良的發光油墨；朱瑞萍[20]研究了發光印花漿的配比及圓網印花的生產工藝；Tawfik A. Khattab等人[21]研究了鋁酸鹽發光涂料在棉織物上的絲網印花工藝，并對印花織物的洗滌、排汗等服用性能進行了評價。

2.2.2應用現狀

由于發光印花工藝簡單，成本較低，制作的產品發光性能良好，其在服裝、家紡等領域應用廣泛。

(1)服裝

國際海事局規定，為了提高工作的安全性，遠洋輪上的工作人員必須穿著發光服裝[22]；舞臺表演者穿著發光服飾，可以營造出特別的舞臺效果，調節舞臺氣氛，給人留下深刻的印象；將發光條用于兒童校服上，不僅提高了兒童服裝的趣味性，更增加了兒童夜間出行的安全性能。劉屹[23]、云中東等人[24]、余漢林等人[25]開發了學生交通安全警示校服，在下雨等惡劣天氣及夜晚，無論有無車燈照射，都能發出安全提示，避免學生發生交通事故；在交警服上添加發光印花，可提高其夜間工作的安全性。隨著消費者對時尚和潮流追求的提高，發光服裝逐漸普及，如發光印花T恤、發光夜跑服等，如圖4所示為目前市場上常見的發光印花服裝，基本以黑色為打底色，發光圖案以黃綠色或藍綠色為主，單色印刷。

圖4 發光服裝

(2)家紡

在家紡方面，通過發光印花制成的裝飾畫、窗簾、被罩等家紡用品，可在夜晚黑暗的環境中提供光照，便于人們夜間活動。如圖5為發光印花裝飾畫，夜晚可發出柔和光亮。圖6為發光印花窗簾，不僅增加了家紡的趣味性，更營造出別樣的環境氛圍。

圖5 發光印花裝飾畫

圖6 發光印花窗簾

3 稀土鋁酸鹽發光材料在紡織領域存在的問題

稀土鋁酸鹽發光材料雖已在紡織等多個領域廣泛應用，但仍存在諸多問題。

3.1 原材料制備

稀土鋁酸鹽發光材料制作工藝復雜，成本較高，制約了相關產品的開發；材料遇水易水解變質，嚴重影響其發光性能，雖可采用包覆的方法，但仍存在技術缺陷和應用不足等問題，需進一步研發；發光顏色單一，除黃綠色外，其余均為合成顏色，余輝明度低，故制作的稀土發光纖維及發光涂料色澤單調不明亮；稀土鋁酸鹽發光材料為無機顆粒，粒徑在5 μm以上，在溶液中不易均勻分散、易沉淀，需進一步探究研磨技術，研發粒徑更小的發光材料，同時尋找適合的分散劑，能使其均勻分散于所需溶劑中。

3.2 發光制品應用

3.2.1發光纖維

發光材料在紡絲溶液中難分散易沉淀，難以形成適合紡絲的紡絲原液，同時發光材料的顆粒大小會影響纖維表面的光滑度、拉伸、柔軟度等性能，纖維制備難、造價高。纖維應用上，機織物織造時因摩擦外力，易對發光性能和紗線造成影響；針織物需對組織結構進行合理設計，否則會因紗線圈套影響發光性能。亟需開發價格低廉、發光效果好、耐穿的發光纖維，優化設計適合發光纖維的織物組織結構，以適應市場需求。

3.2.2發光印花

傳統的絲網印花方式操作流程復雜、效率低，數碼印花雖高效環保，但由于發光材料顆粒大、分散性差，易堵塞數碼印花機噴頭，限制了發光印花在數碼印花機上的應用。發光印花漿是由發光材料、粘合劑及其他助劑混合制備，由于發光材料具有一定程度的顆粒感，因此通過粘合劑將其固定在織物后，導致發光織物的洗滌性能、耐摩性等較差，需進一步進行柔軟、拒水防污、抗褶皺等后整理，以改善發光印花織物的服用性能。

4 結語

稀土鋁酸鹽發光材料無毒、無害、無輻射，發光亮度高，余輝時間長，在紡織領域有較多應用。隨著社會進步和經濟快速發展，功能性紡織品的需求量不斷增加，發光紡織品的發展潛力巨大。目前亟需解決稀土鋁酸鹽在原材料制備、產品應用及發光織物制備等方面存在的問題，以提高其應用范圍，滿足市場需求。