發光纖維的研究進展*

高 晗，遲 祥，宋曉雪，王 棟，程萬里

(東北林業大學 生物質材料科學與技術教育部重點實驗室，哈爾濱 150040)

0 引 言

發光纖維分為熒光纖維和夜光纖維，夜光纖維又分為自發光型和蓄光型。發光纖維實現了自動吸光-蓄光-發光這一循環功能，既解決了環保的問題又符合可持續發展原則。發光纖維具有無毒、無害、無放射性元素，色澤光鮮亮麗，材質柔和，抗衰老性優良等多方面優點。發光纖維制成的紡織品在接收一定時間的光照后，可以在夜晚持續發光數小時，可被廣泛應用于功能服飾(夜間作業、消防服、礦井服裝)、休閑娛樂、防偽等領域。

基于此，近年來使用發光纖維制造出的具有奇異特性的光學材料獲得廣泛關注。該類光學材料以發光纖維為基元，通過其自身構效特征或者與其他異質基元復合，實現相關光理化功能。相對于使用傳統纖維構筑的功能性材料，使用發光纖維制造的光學材料具有綠色、無毒、可持續發展等優點。陳志俊等[1]對生物質基光學材料進行了詳細綜述，其綜述重點主要包括林木芳香生物質與多糖生物質熒光材料、樹木生物質仿生光熱材料、木材基納米纖維素仿生光子晶體材料、生物質基光學材料的應用等。本文針對光學材料中的發光纖維研究進展為主要綜述對象，對該領域近年來的重要研究成果進行了綜述，系統地梳理總結了發光纖維材料的相關研究概況，進一步凝練了該領域近年來的科學問題。

1 發光材料的分類及其應用

物質釋放能量的方式有多種，其中發光是最常見的一種能量釋放方式。當物質受到外力(如光的照射，外加電場或電子束轟擊等)作用時，物質會因吸收能量而被激發，導致物質內部的平衡狀態被破壞，在該物質從激發狀態再回復到原來平衡狀態的過程中，吸收的能量以光輻射的形式發射出來，當該光輻射表現為可見光或近可見光時，這種現象稱為發光[2-3]。很多外界因素共同作用從而導致物質的發光，如電磁輻射、電場強度或電流作用等因素，發光原因也和化學反應、生物過程等相關。

1.1 發光材料的種類及特性

根據發光類型的不同可將發光材料分為兩大類：主動發光材料和被動發光材料。主動發光材料指的是靠自身體系內的能量轉化而發光，一旦能量轉化趨于新的能級則會失去發光能力的材料。主動發光材料也稱為自發光材料，主要包括生化熒光材料、發射性熒光材料和化學反應熒光材料。發射性熒光材料，由于放射性的污染，除在極少特殊條件下已限制其應用。化學反應熒光材料的研究和應用較為普遍，其特點是光亮度強，連續發光[4]。被動發光材料指的是基體受到外界能量的碰撞從而使體系內的能量變得活躍促使基體發光的材料，這也是被動發光材料的發光機理。在被動發光材料中，按照發光源的類型又分為光致發光材料、電致發光材料、力致發光材料。光致發光是在光(包括紫外光、可見光、紅外光等)的照射和激發下而使物體發光的物理現象。以紫外光、可見光等光源輸入體系內而導致發光的材料稱為光致發光材料；以電能輸入體系內而導致發光的材料稱為電致發光材料；而所謂力致發光材料，就是受到破壞應力或形變應力時而致發光的材料。根據技術路線的不同可將電致發光材料分為兩大類：有機電致發光材料和高分子電致發光材料。其中有機電致發光材料具有成本低、體積小、響應時間短、質量相對較小和優良的成膜性等優點，并且滿足照明功能和顯示性能的需求，因此有機電致發光材料已經廣泛的受到商業界以及科學界的關注。近年來力致發光材料研究較少，其原因在于力致發光現象的強度較弱，一般的光電材料很難做出檢測，在制備時采用高靈敏度的光電倍增管和價格偏高的高靈敏度電流檢測設備，導致其制作成本高、體積大質量高、工作電壓高，很難實現探測裝置小型化、小功率的要求。

根據發光材料的不同又可將被動發光材料分為有機熒光材料和無機熒光材料。其中染料和顏料為有機熒光材料的兩種類型。電致短致余輝材料和光致長致余輝材料為無機熒光材料的兩種類型。電致短致余輝熒光材料為瞬光型材料；光致長致余輝熒光材料為蓄光型材料。近十年來，基于小分子有機染料的熒光納米材料在成像和傳感領域的應用越來越廣泛。這主要是因為它們能夠將小分子有機熒光團的光譜特性可調性和生物相容性與無機材料的亮度、化學和膠體穩定性結合起來。這種獨特的功能組合伴隨著染料基納米材料的豐富多樣性：從小分子聚集體到涉及超支化聚合物的復雜核殼納米結構。無機熒光材料中應用最廣的是長余輝發光材料，現已廣泛應用于生活以及商業領域中。長余輝發光材料本質上是光致發光材料，在不消耗能源的基礎上其可將光能儲蓄并且傳播，是一種新興的環保材料。根據基質可將長余輝發光材料分為硫化物系列[5-7]、硫氧化物體系[8-10]、堿土鋁酸鹽體系[11-14]、堿土硅酸鹽體系[15-18]、鈦酸鹽系列[19-20]和鎵酸鹽系列[21-22]等幾大類別[23-24]。

總體來說，不同的發光材料擁有不同的發光性能，并且其致光因素也不盡相同，應用領域也不一樣。

1.2 發光材料的發光原理

不同發光材料的致光機理存在著相似性，以Eu2+摻雜的長余輝發光材料為例[25]，其主要有空穴轉移模型，位移坐標模型，電子陷阱模型3種不同的發光機理。

空穴轉移模型：當受到紫外可見光照射時，發光中心的Eu2+離子從基態躍遷到激發態，在4f軌道上產生一個空穴，接著電子躍遷回到基態時，與空穴結合產生了光。價帶中的電子從環境中獲得能量填補空穴，同時在價帶中產生新的空穴，這時轉換成Eu+，而俘獲價帶中的空穴使得RE3+轉變成RE4+。停止紫外光照射后，在熱擾動的作用下，RE3+俘獲的空穴又重新回到價帶中。當空穴移動靠近至Eu+的局部能級時，被Eu+俘獲再次產生光。如圖1所示。

圖1 空穴轉移機理模型圖[25]

空穴轉移機制認為，RE3+的作用就是俘獲價帶中的空穴，改變空穴數量和濃度，然后隨時間的延長和熱擾動放出空穴，使發光中心重新俘獲空穴，與電子復合發光，從而延長余輝時間和加強余輝強度。余輝的其中一個影響因素為缺陷能級深度，當能級較淺時，電子在室溫時容易從陷阱中熱致逃逸，從而導致余輝時間過短或觀察不到長余輝。當能級較深時，在室溫的條件下從陷阱中逃逸出的電子數目基本不存在，這樣也對長余輝現象產生有不利影響。

位移坐標模型：位移坐標模型又叫熱釋光機理模型。如圖2所示。曲線A表示Eu2+的基態，曲線B表示Eu2+的激發態，曲線C表示缺陷能級。當受到外部光源激發后，電子從基態躍遷到激發態，接著其中一部分電子再從激發態躍遷回基態產生光，另一部分電子被陷阱能級捕獲，陷阱能級中的電子吸收能量后，重新返回激發態，再從激發態返回基態的過程中產生光。

圖2 位移坐標機理模型圖[25]

電子陷阱模型：電子陷阱模型是吸光激發，Eu2+的基態4f7電子向激發態4f65d1躍遷，電子躍遷到激發態后主要有兩種行為。①向能級底部弛豫并躍遷回基態，形成熒光。②向接近的氧離子空位缺陷能級弛豫。激發態4f65d1中的電子弛豫到陷阱中被捕獲，從環境中獲得能量后從陷阱中逃逸，重新回到激發態，然后進一步向基態躍遷釋放光子從而產生光。其機理模型如圖3所示。

圖3 電子陷阱機理模型圖[25]

1.3 發光材料的應用前景

我國可持續發展戰略的提出十分重視新型能源的發展。發光材料由于能耗少和可持續利用的優點，備受各行各業的青睞。近年來發光材料的應用范圍越來越廣，涉及到醫學、照明、顯像、農業、交通等多方面領域。發光材料在醫藥方面的應用主要集中于生物分子的熒光標記[26]，最終可以計算出測試樣品中抗體或抗原的數量(濃度)。以納米材料為基礎的熒光探針和藥物載體已經在生物化學領域得到了廣泛應用，尤其是腫瘤的診斷和治療。在醫學診斷和治療方面，以生物礦化策略為基礎合成的多功能稀土上轉換發光納米材料有良好的應用前景。發光材料的照明應用領域主要包括植物照明、半導體照明、白光有機發光器件等。針對植物生長所需的紅光和遠紅外光，學者們制備出可用于植物照明的LED熒光粉。隨著科學技術的不斷發展，碳化物熒光粉為半導體照明與顯示技術的發展做出了極大的貢獻。發光材料中的白光有機電致發光器件在平板顯示及照明領域有廣闊的應用價值，因此白光有機電致發光器件備受科研界與產業界的關注[27]。發光器件是顯示與照明領域中的關鍵元件,和傳統發光二極管(LED)相比,有機發光二極管(OLED)具有對比度高、超薄以及可彎曲等優點,在顯示與照明領域擁有巨大的市場價值與應用前景。發光材料顯像應用領域主要集中在生物成像方面。復旦大學的高淵[28]等制備并研究了具有協同表面配體的水溶性稀土上轉換發光納米材料，其主要用于活體淋巴結成像。為了解決生物成像中自發熒光干擾的問題,復旦大學的余夢曉[29]開發一些能完全消除自發熒光干擾的“新型發光探針”。發光材料在農業上的應用主要集中在轉光膜上。發光材料中的熒光材料具有優良的吸收紫外線并發射可見光的性能，將特殊的熒光粉加入到薄膜中，則可以做出熒光轉換農用薄膜(轉光膜)，此種轉光膜能提高植物的光合作用，進而促進作物的生長和早熟。發光材料在交通領域的應用主要集中在自發光交通標志、道路交通熒光標線等方面。況振華[30]等研究了一種新研發出的路用標線材料,將熒光材料、反應型高分子材料在一定相容劑作用下進行分散融合,研制開發出發光強度高,辨識度高,視覺導向能力強的熒光標線材料。該材料對保障夜間高速公路行車安全發揮重要作用。除此之外，發光材料還涉及其他應用領域。例如，與光致發光染料復合的再生纖維素薄膜，具有均勻的結構、優異的透光率和良好的拉伸強度且可生物降解[31]，如圖4所示。此薄膜可應用于防偽包裝材料和功能材料領域，比如食品包裝、紡織品織造、人造花制作等。Wang等[32]課題組關于生物質基熒光材料應用方面做了很多研究工作。即利用碳點制備成量子尺寸膠體，將膠體直接注入商業化的墨盒中，使用商業打印機，可在紙上直接打印出圖案(如圖5所示)。總而言之，發光材料的應用領域極其廣泛，并且具有良好的發展前景。

圖4 與光致發光染料復合的再生纖維素薄膜[31]

a、b.打印用墨盒；c.擬打印圖案；d.在明場下的打印圖案；e.紫外場下的打印圖案；f.印品紙在明場及紫外光照射后的圖案；g.打印紙在紫外激發超過16個周期的熒光變化；h.冷白光發射裝置示意圖；i.暖白光發射裝置示意圖；j.冷白光發射波譜圖；k.暖白光發射波譜圖；l.發射光線所在CIE坐標系中位置圖

2 發光纖維分類及其制備方法

發光纖維又稱為夜光纖維，是利用發光材料與纖維制品進行特殊工藝處理而制成的。以原生纖維為基質，采用新型高效長余輝發光材料作為添加劑，制備出性能穩定、抗衰老性能優良，同時又克服傳統發光材料缺陷的新型發光纖維。發光纖維既實現了自動吸光-蓄光-發光這一循環功能，又在不損害纖維力學強度和化學條件的前提下，滿足可應用于不同領域的需求。發光纖維分為蓄光纖維和熒光纖維。由于發光纖維獨特的性能特點，因此其制備方法不同于傳統發光材料的制備方法。發光纖維的制備方法有熔融紡絲法、溶液紡絲法、高速氣流沖擊法、鍵合法、表面涂層法等。

2.1 蓄光纖維材料

蓄光纖維是指從外界吸收太陽光或者人造光等光能中的紫外線能并且在光源除去后可將這部分能量以可見光的形勢散發出來的一種纖維材料。這種材料由于具備可持續性、環保性、節能性等優點，受到各行各業的廣泛關注。首代發光材料中因含有鐳元素，具有一定輻射性的缺點；次代發光材料是傳統的硫化物，它對人體有一定的毒害性、放射性，且存在發光亮度不足、持續時間較短等缺點；三代發光材料就是我們現在應用的蓄光型材料，這種材料去除了弊端，使得發光性能大幅度提升。隨著研究的進展，某公司研制出了一種性能優良的蓄光滌綸型長絲，這種材料與傳統纖維材料相比亮度高且保留了傳統纖維的環保性和節能性的優點，可應用于戶外照明，大大提高了夜間工作的安全性。這種材料最突出的特點是發光時有立體感。

夜光纖維是利用稀土鋁酸鹽夜光材料為發光體，聚醋樹脂為基體，經過特種紡絲工藝制成的具有夜光性的蓄光型夜光纖維[33-35]。稀土鋁酸鹽夜光材料與其它高能見度材料相比，具有余輝時間長、亮度高、無毒無害無放射性、對環境和人體絕對安全的特點[36-38](各種鋁酸鹽長效發光材料性能比較如表1所示)。蓄能型夜光纖維是以稀土鋁酸鹽夜光材料為主體而生產出的新型夜光纖維，因其優良的物理性能及蓄能性能，深受到海內外專家的青睞，應用方面受到極大的重視。

表1 各種鋁酸鹽長效發光材料性能比較

2.2 熒光纖維材料

熒光纖維別名安全纖維，根據不同的致光源可分為紅外熒光纖維和紫外熒光纖維。紅外熒光纖維指在紅外光的作用下能發光的纖維。紅外熒光纖維可把低能級光轉換為高能級光，且激發光源為不可見光，所以紅外熒光纖維材料多用于防偽方面，又稱熒光防偽纖維。紫外熒光纖維指的是在紫外光的作用下可以發出各種顏色的光，但紫光消失后又回復原色的纖維，又稱作光致變色纖維。由于熒光纖維在特殊光照射條件下呈不同顏色這一特性，其應用方面備受關注。此前已研制出的熒光纖維的基體材料多為聚丙烯等石油高分子材料，由于石油資源匱乏且為不可再生能源，又因聚乳酸(PLA)等生物質材料具有廣泛性、可降解性和環保性等優點，因此PLA的開發應用越來越受到重視。近些年國際研究領域陸續研制出具有阻燃性、染色性、導電性等功能化的PLA纖維，但是利用PLA為基體材料制備的熒光纖維卻極其稀少。所以研制PLA熒光纖維，可以對開拓PLA纖維的應用有著很好的推進作用。同時全面地對不同基體材料熒光纖維的性能進行考察，也有利于熒光纖維的研究。近年來熒光纖維的應用取得了一系列進展。比如采用成本低效益高的聚甲基丙烯酸酯基電紡熒光纖維用于氨傳感。以蒽為熒光元素的甲基丙烯酸均聚物與市售的聚甲基丙烯酸甲酯共混，制備熒光電紡聚合物纖維。三維網格的形成可以提供與氣體分析物的相互作用區域，從而克服聚合物薄膜引起的猝滅限制，從而實現更高效的傳感。基于蒽熒光團在氨蒸氣存在下的熒光猝滅，這些材料已被評估用于氨傳感，在濃度高達10000 ppm時表現出快速響應。蒽熒光團與疏水性聚甲基丙烯酸酯基主鏈的共價鍵合，使上述材料在涉及水介質中的金屬離子和生物分子的傳感應用中具有良好的開發前景。熒光材料種類繁多，且發光顏色多樣。表2列舉了幾種常見的熒光材料。

表2 常見的幾種無機熒光材料

2.3 發光纖維的制備方法

發光纖維有多種制備方法，分別為熔融紡絲法、溶液紡絲法、高速氣流沖擊法、鍵合法、表面涂層法等。

熔融紡絲法：發光化合物和聚合物共同混熔，將產物進行紡絲，或者將發光化合物在紡絲高聚物混熔的樹脂中混合均勻制備成熒光母粒，而后與高聚物混合進行紡絲，制備成纖維。這種方法看似容易制備，其實對材料的要求卻十分的嚴格。比如：材料的抗氧化性能、材料的尺寸、抗高溫性能等。因為這些條件以及種種原因使得這種方法的應用受到了一定的限制。

溶液紡絲法：將發光化合物進行溶解(溶劑為紡絲原液)，溶解后得到的產物進行紡絲，最后制備成發光纖維。溶液紡絲法與熔融紡絲法相比，前者條件相對寬松，因為其紡絲的溫度較低，不會出現氧化和熱分解的問題。但要求發光材料的兼容性好，即發光材料與紡絲液相容，因此該方法的關鍵是選擇相容性好的發光材料。

高速氣流沖擊法：該方法通過高速氣流沖擊裝置將發光化合物與短纖維混合，使短纖維的表面附著發光化合物，從而達到發光的效果。由于這種方法相對繁瑣復雜，以至于國內還沒有過類似的發表，相關研究還在進行當中。

鍵合法：這種方法的制備過程是將發光化合物的單體進行縮聚反應，也可以在聚合物的側鏈上配位發光化合物，得到的產物進行紡絲，從而得到發光纖維。用這種發光制備而成的發光纖維的穩定性相比于其他方法更為突出。但是這種方法的缺點就在于加工工藝比較復雜。

表面涂層法:把某種物質與纖維進行涂層處理，得到具有發光性能的纖維。這種物質是將發光化合物在適當的溶劑中溶解，然后將其與樹脂等進行混合制備成發光色漿。這種方法的工藝流程相對簡單，但是這種方法采用的圖層處理是附著在纖維表面，所以其在酸堿的條件下容易分解。而且其抗老化性能和耐洗性能較差，所以不能應用于紡織領域。

3 發光纖維的性能及其應用

發光纖維是指在無光照情況下可自發光的功能性纖維[39]。其選用合適的發光材料和紡絲基質，將發光材料均勻混合于纖維基質中，添加納米助劑形成紡絲原液，再經過不同的紡絲方法制成蓄光型或熒光型發光纖維，這就是發光纖維的紡絲過程。發光纖維的纖維基質可選取滌綸、綿綸及氨綸等化學纖維，其物理化學性能與普通纖維相似[40-41]，同時還具有自發光的功能性。發光纖維不僅具有普通纖維的服用性能，還可在特殊行業起到裝飾和警示的作用。

使用發光纖維制備的紡織品與正常纖維相比在白天相差不多，使用性兩者完全一樣，不會讓人感覺到任何不同的地方，稀土發光纖維的性能更是出眾。稀土發光纖維與硫化鋅熒光粉不同，沒有磷、鉛、鉻、鉀等有害元素；稀土發光纖維也與反光材料不同，不用涂覆在紡織品的外表，而是在纖維分子中分散發光。稀土發光纖維經過水洗之后仍具有相應的發光性，但是其性能相比之前會有所下降。由夜光纖維制成的織物有多種優異的性能。以下將重點闡述發光纖維的發光性能和織造性能。

3.1 發光纖維的發光性能

夜光纖維不僅科技含量較高，而且其獨特的功能性使其具有安全性和環保性。選用的混于纖維基質中的發光材料一般是稀土發光材料，該材料具有很多優異的性能。稀土發光材料不具有放射性，對人體和環境無害，是一種環境友好型材料。因此制成的發光纖維也具有環保性能。發光纖維在吸收10 min可見光后，可在黑暗中持續發光10h以上，具有出色的余輝性能，能夠循環利用。將發光纖維制成夜光紗線后，利用夜光紗線制作拖鞋、地毯、窗簾等，即使在黑暗環境中，仍然可以通過發光處尋找物品，方便夜間活動[42]。

采用夜光織物覆蓋的開關裝置，白天吸光后，夜晚開關就可以呈現不同的顏色(目前發光纖維的顏色可達18種之多，分別為白色、淺黃色、淺綠色的夜光滌綸與綿綸長絲等)，白天吸收太陽光后夜晚發光，吸光發光多次循環，不會消耗電能，符合現代社會節能環保的生活理念。用發光纖維做成的織物，能夠使夜間工作者在黑暗情況下作業，提高了夜間工作效率。在礦井、高速公路等較為危險的地方，發光衣物具有一定的可辨識性，從而大大提高了工作的安全系數。總而言之，發光纖維是一種光致發光的新型功能型纖維，該纖維在接受任何光源照射一定時間后，無光情況下可以發光數小時[43-44]，其無毒無害、無放射性、可循環利用，具有較好的應用前景。由Zhi Chen等研究人員制備的暖色調SrAl2O4:Eu2+, Dy3+/SiO2@RECC/PA6發光纖維具有很好的發光性能，具有廣闊的應用前景。四組發光纖維在去除激發光后在黑暗環境下的發光圖像如圖6所示[45]，且發光顏色隨著SiO2@RECC含量的變化而變化。SrAl2O4:Eu2+,Dy3+/SiO2@RECC/PA6發光纖維的發光發射模型如圖7所示[45]。由圖可以看出SrAl2O4: Eu2+, Dy3+和SiO2@RECC顆粒在纖維中分布良好。當光纖暴露在激發光下時，SrAl2O4: Eu2+, Dy3+和SiO2@RECC粒子被激發，并同時發出持久的黃綠色熒光和紅色熒光。在沒有激發光的黑暗環境中，四組光纖都呈現出暖色調的發光顏色。暖色調發光纖維由于在黑暗環境中可發出彩色光，在家用紡織品、服裝、刺繡紡織品、鞋和玩具織物等領域顯示出許多潛在的應用。

圖6 四組發光纖維在日光下的圖片和去除激發光后在黑暗中的發光圖片[45]

圖7 SrAl2O4: Eu2+, Dy3+(SAOED)SiO2涂層的紅色發光香豆素色彩轉換器(SiO2@RECC)/PA6發光纖維的發光發射模型[45]

3.2 發光纖維的織造性能

夜光纖維制成的織物吸收極短時間的可見光后，在黑暗情況下可持續發光數小時。由于其獨特的發光性能，被廣泛應用于紡織、生活、交通等各項領域。因為夜光纖維的力學強度較高，所以其工藝流程也較為復雜。夜光纖維的基材為綿綸、滌綸等，能基本滿足織造要求。夜光纖維表面附著細小顆粒，導致其表面粗糙，上機時摩擦較大且在摩擦過程中使其變黑從而影響纖維的可觀賞性，因此織造條件苛刻。影響機織織物發光效果是發光纖維的組織結構、厚度、緊密度等。目前夜光機織織物主要局限于防偽、紡織等領域，其他功能的應用還有待開發。夜光印花織物是將印花漿料與發光材料混合后印在織物上。為方便發光材料粘附在織物表面，發光材料顆粒一般為80-100目。由于印花分為水性印花和油性印花，因此發光材料的品種也要隨之變化。夜光涂層織物是以滌綸、滌棉或棉等織物作為基布，采用夜光涂層劑，經過涂層處理，將發光材料粘合在基布上而獲得的一種新型功能性面料[46]。夜光涂層織物是一種復合材料，在保留原織物的優良性能的同時又具備發光性能。夜光涂層織物的優點大致為：工藝流程較短、操作簡單、易于控制、耐光耐氣候性好、光強度高、節約成本、易于推廣等。

添加稀土發光材料能增深增艷，是因為發光材料具備長效吸光和蓄光特征，具備頻頻接收光能和開釋長波的功效[47]。尹桂波等用Eu3+有機配合物分別在薄、厚織物上涂層整理后進行抗紫外光測試，薄棉布整理后的UPF值提高近10倍[48-49]。隨著服裝設計行業的發展需求，新技術的融入在行業中備受關注，由發光纖維制成的服裝也受到越來越多的關注。合理地把發光材料與服裝相結合，不但拓展了設計空間而且激發了發光材料的潛力。如果能把握好服裝的光亮色彩、舒適性能、清潔保養等細節問題，發光材料在服裝中的應用將會引領時裝的潮流趨勢[50-52]。發光材料在織物上的應用方式不同，導致服裝舒適度參差不齊。合理的應用方式不僅可以提高舒適度和便捷性，而且能夠充分發揮發光材料提升服裝面料色彩鮮艷度的作用，因此尋找一種合理的應用方式才能使發光材料在服裝中發揮更大的作用[53-54]。由納米光致發光纖維制成的面料，因其獨特的性能備受人們的喜愛，如圖8所示[55]。通過靜電紡絲技術，聚苯乙烯、聚丙烯腈、醋酸纖維素、聚乳酸等20多種光致發光與變色纖維及纖維膜產品被國內外研究人員相繼成功制備。產品應用涵蓋服裝、制藥、防偽標識、人體健康檢測器等，其相關產品在特定領域具有重要的應用價值。

圖8 光致發光纖維面料[55]

3.3 發光纖維的應用

由于發光纖維自身的優良性能，目前已經被制成發光制品，在部隊、消防領域、海上運輸和工業中有所應用，同時在發光安全帶、帳篷、地毯、鞋帶、手機掛帶、刺繡產品等日常生活產品中也有應用。據海外媒體報道，日本一家公司和我國一家公司協同開發出了一種新型儲光纖維。與常規儲光纖維的亮度相比，它的亮度更強。這種纖維在室內燈下照射半小時，就可在夜晚持續發光10h以上。我國開發的發光蓄光聚酯長絲纖維是以聚對苯二甲酸乙酯為基體，發光材料和稀土類的鹽納米級添加劑，通過一種特殊的紡絲工藝發光。它只要吸收任意可見光十分鐘以上，就可以將光能存儲在纖維之中，可以在黑夜進行長達10h以上的持續發光，并可循環的系統性的發光，這種材料克服了傳統夜光織物涂層的缺點。這種材料無毒、無害、無放射性，符合國際相關使用條例，基于其特性可應用于裝飾、交通運輸安全、日常生活和娛樂場所及檢測等多方面。一種基于檢測水溶液中汞(Hg2+)離子的熒光光纖傳感器已被制備研究，如圖9所示[56]。該傳感器與一般設計的傳感器相比，既不需要熒光猝滅器，也不需要序列上的互補，有其優異的性能。

圖9 描述傳感器的實驗裝置[56]

(1)功能服飾

隨著人們的生活品質的提高以及消費觀念的改變，人們對衣服的要求不僅僅只局限于它最初的功能性，越來越多的人開始趨向于追求衣服的多元化以及多功能化。發光纖維具有獨特的性能，所以由其制成的紡織物以及服飾深受人們追捧。用發光纖維制成的交通服，在夜間行駛的時候能給司機帶來提示，這極大的方便了交通指揮，又提高了交警的人身安全；地下工作時使用發光安全服在保證安全的情況下提高了工作指揮性以及工作效率；在表演服飾以及兒童服飾中添加發光纖維可以使表演的效果更加生動形象從而具有觀賞性，兒童穿戴也可以帶給孩子們快樂和可玩性。若發生火災等意外情況而導致電路故障，第一時間找到被困人群以及尋找滅火器等消防器材變得尤為重要。如果在消防設備上貼有用夜光材料制成的標志，或在滅火器后面安放夜光標志底襯，在黑暗情況下就能馬上看到滅火器，進行及時地處理，達到自救或被救的目的[57-59]。

(2)玩具和刺繡藝術品

發光纖維也可用于玩具和刺繡方面，其制成的玩具在夜晚顏色絢麗多彩，深受人們的歡迎。將發光纖維用于毛絨玩具，提高了毛絨玩具的觀賞性，大大拓寬了毛絨玩具的銷售市場。發光纖維制備的刺繡藝術品包括服裝刺繡、商標刺繡等。這些刺繡藝術品經過專家的設計可以給人美的享受。發光刺繡在居家用品、防塵布、沙發靠墊、窗簾等居家室內物件中也有應用，人們在夜間起床的時候起到照明警示作用，防止因為室內黑暗而造成摔傷等。

(3)防偽

發光纖維作為目前的新型材料，由于其獨特的性能在防偽方面應用甚廣。目前利用夜光纖維開發的防偽產品有防偽標識、防偽面料等。其防偽產品安全、可識別性高, 且耐久穩定[60]，如圖10所示。熒光防偽纖維具有熒光性質，若將其加入紙張中，則可以制成各種防偽紙。紙中的纖維是看不到的，但在特殊光線下，纖維將呈現不同的顏色，以起到防偽的作用。

圖10 發光材料防偽性能圖[60]

4 發展趨勢及應用前景

隨著科學技術的發展與進步，研究者們對發光纖維的了解不斷深入。研究者們致力于提高發光纖維的性能，降低發光纖維的生產成本，擴大發光纖維的用途，不斷開發發光纖維的新產品。徐長富等[61]用聚丙烯、堿土鋁酸鹽類發光顏料和鈦酸酯偶聯劑為原料，利用熔融紡絲技術，生產出了一種具有余輝時間長、發光亮度高等優點的蓄光型發光纖維。我國江南大學與無錫宏源機電科技有限公司共同研制了一種新型夜光高科技功能纖維，當前也只有江南大學紡織服裝學院差別化纖維研究實驗室對稀土夜光纖維的基本性能有過系統研究，其他機構尚未進行過相關方面的研究[62]。這種纖維經檢測符合服用纖維的基本要求，已經申請了相關專利，并且在2005年榮獲江蘇省科技進步二等獎[63]，這標志著我國在稀土夜光纖維研究領域取得了巨大進步。最初生產稀土夜光纖維一般使用聚丙烯作為纖維基體，后來逐漸豐富了生產原料，例如PET、纖維素等都被作為稀土夜光纖維的基體材料而使用，所以目前的蓄光纖維的研究發展方向主要集中在纖維基體的開發方面[64]。2015年初，江南大學研究院成功的研制出一系列新產品，有稀土夜光纖維材料、稀土夜光發光紡織面料以及幾種稀土夜光纖維發光制品，這些產品普遍具有良好的手感和色彩，應用范圍廣闊[65]。發光纖維中的熒光纖維近年來的發展十分迅速。我國具有豐富的稀土資源，利用稀土高分子化合物摻雜改性纖維，生產熒光纖維具有廣闊的應用前景[66-67]。Zhang等[68]制備了在紫外光下展示良好光穩定性的熒光聚合物復合纖維，這種復合纖維以Eu(BA)3(TPPO)2與PVP為原料，研究表明其發光物質的溫度穩定性比單純的配合物高，并且其強伸性能有很大的改善。Chan等[69]為了找到一種適合高溫熔融紡絲法的發光纖維聚合物，他們成功合成了一種以Tb為中心離子的，具有優良熱穩定性的光致發光有機配合物，經過熱分析得知這種配合物的分解溫度在300 ℃以上。王艷忠等[70]在生產熒光纖維的過程中，通過加入降溫母粒降低加工溫度，有效防止了高聚物在熔融紡絲機中的變化，成功的紡制出聚丙烯熒光纖維。

國內外研究學者對發光纖維的發光性能和機械性能進行了探究與改進。江南大學的閆彥紅[39]課題組對發光纖維在紡織品開發方面進行了嘗試。并取得了一定的研究成果。陳莉[71]采用發光纖維為原料，開發了夜光割圈線，通過調整機件、改進生產工藝，制備出手感柔軟、服用性能舒適、發光亮度高的夜光割圈線。王雅冰[72]以夜光纖維為繡線和繡底，通過搭配普通繡線和繡底，設計開發了夜光手工刺繡產品以及夜光機繡產品，為夜光纖維應用于工藝品設計及服裝設計打下基礎。根據發光纖維發射譜線的唯一性，張等[73-74]將發光纖維用于防偽纖維領域，通過對纖維分子機構、原料配比、制備工藝等的研究分析，指出光譜指紋纖維具有優良的防偽功能。總而言之，發光纖維具有良好的應用前景。

5 結 語

發光纖維材料在人們的日常生活中扮演者十分重要的角色。發光纖維主要應用于熒光涂層、熒光染料和光纖織物等。發光纖維有其獨特的發光性能和應用性能，但研究開發仍處于初級階段，不管是理論還是實踐都存在很多亟待解決的問題。

發光纖維的發光特性產生變化的機理和規律尚無統一定論，有待系統地深入研究。其次，須改進相關生產工藝，開發新的制備方法，以解決材料的發光強度低及機械強度弱等問題。此外，發光纖維容易引起團聚、穩定性不高、發光亮度不大、余輝衰減快等問題，必須通過深入研究材料的表界面、提高不同材料之間的相容性進行解決。

發光纖維在未來的發展中，一方面由于其新的上色方法增多，從而新型結構型發光纖維的種類也隨之增多，人們可根據設計方案，以化學實驗為基礎，制造生產出所需結構和性能的發光纖維材料；另一方面需要深入研究新的生產技術，將熒光技術與納米技術結合，生產出具有優異性能的發光納米纖維制品[75]。今后應研發新型發光材料來降低發光纖維的生產成本，減少材料對人體造成的危害和對環境的污染。因此在未來的研究中，使用發光纖維制造的光學材料具有良好的發展前景。