稀土鋁酸鹽在面料上的發(fā)光性能

趙 歡， 潘 力， 崔曉爽

(大連工業(yè)大學(xué) 服裝學(xué)院， 遼寧 大連 116034)

稀土鋁酸鹽是一種長余輝自發(fā)光型材料。目前，稀土長余輝發(fā)光材料主要包括硫化物、稀土鋁酸鹽和稀土硅酸鹽[1-2]。硫化物作為第1代稀土長余輝發(fā)光材料，雖然發(fā)光亮度高，余輝時間長，但是其化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，在紫外線照射或潮濕環(huán)境下易分解變暗，并且含有Co、Pm等放射性元素，對人體和環(huán)境有極大危害[3-4]；稀土硅酸鹽雖化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，耐水性較好，但是發(fā)光亮度和余輝時間都較差[5-6]。相比之下，稀土鋁酸鹽發(fā)光亮度高、余輝時間長且無毒無害無輻射，是一種清潔的“低碳”材料[7-8]。稀土鋁酸鹽發(fā)光材料可廣泛應(yīng)用于紡織服裝、建筑裝潢、交通運(yùn)輸、航空航海、夜間作業(yè)、消防應(yīng)急、日常生活及娛樂休閑等領(lǐng)域。例如：由發(fā)光面料制成的標(biāo)記物或服裝可以給夜間行駛的駕駛員、軍事訓(xùn)練人員以及礦工作業(yè)人員提供警示和提醒作用[9-10];由發(fā)光材料制成的消防設(shè)施、器材可以使人們迅速做出反應(yīng)達(dá)到自救和被救的目的。

當(dāng)前，稀土鋁酸鹽長余輝發(fā)光材料在紡織服裝領(lǐng)域中的研究主要集中在2個方面。一方面是在制備稀土長余輝發(fā)光纖維領(lǐng)域。無錫宏源化纖廠與江南大學(xué)經(jīng)過特種紡絲工藝，合作開發(fā)出可工業(yè)化生產(chǎn)的稀土鋁酸鹽發(fā)光纖維[11]。Ebrahimzade等[12]使用不同量的鋁酸鍶(SrAl2O4： Eu2+，Dy3+)顆粒作為發(fā)光劑，通過熔融紡絲制備發(fā)光聚丙烯(PP)纖維。另一方面是通過制作發(fā)光涂料開發(fā)發(fā)光印花紡織品。袁燕等[13]采用絲網(wǎng)印花，以發(fā)光材料、紫外線吸收劑和光穩(wěn)定劑為配方，制備出性能優(yōu)異的發(fā)光油墨。朱瑞萍[14]研究了發(fā)光印花漿的配比及圓網(wǎng)印花生產(chǎn)工藝。Khattab等[15]研究了鋁酸鹽發(fā)光涂料在棉織物上的絲網(wǎng)印花工藝，并對印花織物的服用性能進(jìn)行了評價。然而國內(nèi)外對于發(fā)光印花效果影響因素的研究較少。

為此，本文以發(fā)光材料稀土鋁酸鹽和黏合劑聚丙烯酸酯為主要原料，采用直接絲網(wǎng)印刷方法，對影響面料發(fā)光效果的主要因素進(jìn)行分析，得出發(fā)光印花面料的最佳工藝條件，并對發(fā)光效果較好的印花面料進(jìn)行服用性能測試，以期能夠?yàn)榘l(fā)光面料的設(shè)計與研究提供試驗(yàn)參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

滌/棉(65/35)混紡織物，經(jīng)、緯紗線密度分別為29、9.8 tex,經(jīng)、緯密分別為472、236根/(10 cm)，市售；純棉織物，經(jīng)、緯紗線密度分別為29、36 tex,經(jīng)、緯密分別為503、237根/(10 cm)，市售；WG-NS100聚丙烯酸酯黏合劑，中山中益油墨涂料有限公司；稀土鋁酸鹽(發(fā)光材料)，大連路明科技有限公司。

LX0711型箱式高溫電阻爐，天津市萊博特瑞儀器設(shè)備有限公司；ES500型電子天平，天津市德安特傳感技術(shù)有限公司；F-7000型熒光光譜儀，永康市天祺盛世工貿(mào)有限公司；702-8型電熱鼓風(fēng)箱，大連實(shí)驗(yàn)設(shè)備廠;XDP-1型織物懸垂測試儀,上海新纖儀器有限公司；YG065C型電子強(qiáng)力測試儀,山東萊州市電子儀器有限公司;Y522型平磨儀，常州第二紡織機(jī)械有限公司；YG611S型日曬氣候牢度測試儀，深圳市方源儀器有限公司；Y571W型紡織品摩擦色牢度儀,無錫紡織機(jī)械廠；SW8A型耐水洗色牢度檢測儀,無錫紡織機(jī)械廠。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 發(fā)光印花漿及發(fā)光印花面料的制備

依據(jù)試驗(yàn)設(shè)計，按比例稱取發(fā)光材料稀土鋁酸鹽以及黏合劑聚丙烯酸酯，將其依次倒于100 mL燒杯中，在燒杯中加入若干防沉劑、乳化劑及消泡劑，用玻璃棒沿一個方向攪拌均勻，直至燒杯中顏色均一、無顆粒、無泡沫，則發(fā)光印花漿制備完成。將發(fā)光印花漿經(jīng)過絲網(wǎng)厚度均勻地印刷于面料上，在不同溫度下進(jìn)行烘干，并對面料做好試驗(yàn)標(biāo)記。

1.2.2 單因素試驗(yàn)

以發(fā)光材料稀土鋁酸鹽粒徑及添加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))、黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)、絲網(wǎng)目數(shù)及焙烘條件作為單因素變量，探究這5個變量對純棉、滌/棉2種面料的發(fā)光效果影響。

1.2.3 正交試驗(yàn)設(shè)計

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，確定發(fā)光印花正交試驗(yàn)的主要因素水平，見表1。

1.3 性能測試方法

1.3.1 亮度測試

將發(fā)光印花面料置于熒光光譜儀檢測位置，擰緊螺絲，選取合適波長范圍進(jìn)行亮度測試。

1.3.2 懸垂性能測試

按照GB/T 23329—2009《紡織品 織物懸垂性的測定》，采用織物懸垂測試儀測試，將發(fā)光印花面料放在樣品盤上，托盤上升到頂部后，啟動測試按鈕讀取數(shù)據(jù)。

1.3.3 拉伸性能測試

按照GB/T 3923.2—2013《紡織品 織物拉伸性能 第2部分:斷裂強(qiáng)力的測定(抓樣法)》，將織物剪成25 cm×5 cm大小的布條，在電子強(qiáng)力測試儀上進(jìn)行測試，取3次經(jīng)向3次緯向的平均值。

1.3.4 耐摩擦性能測試

將織物固定在Y522型平磨儀上，選用加壓重錘250 g,砂輪A150，當(dāng)試樣涂膜層被破壞，織物上露出白星時停機(jī)，記錄耐磨次數(shù)。

1.3.5 色牢度測試

分別按照GB/T 14576—2009《紡織品 色牢度試驗(yàn) 耐光色牢度》、GB/T 3920—2008《紡織品 色牢度試驗(yàn) 耐摩擦色牢度》和GB/T 3921—2008《紡織品 色牢度試驗(yàn) 耐皂洗色牢度》對織物的日曬牢度、摩擦牢度和皂洗牢度進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)分析

2.1.1 發(fā)光材料粒徑對面料發(fā)光效果的影響

在發(fā)光材料稀土鋁酸鹽添加量為20%，聚丙烯酸酯黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%，采用80目低網(wǎng)目篩網(wǎng)，于150 ℃焙烘3 min條件下，探究發(fā)光材料粒徑對試樣發(fā)光效果的影響，結(jié)果如圖1所示。

由圖1看出:隨著發(fā)光材料粒徑的增大，2種面料的發(fā)光性能也呈增大趨勢；當(dāng)發(fā)光材料粒徑為30 μm時，2種面料的亮度都達(dá)到最佳。滌/棉發(fā)光印花面料的發(fā)光性能要遠(yuǎn)高于純棉面料，發(fā)光亮度相差10倍左右。這與纖維及織物結(jié)構(gòu)相關(guān)。因?yàn)榘l(fā)光印花面料經(jīng)過印花整理(涂層整理)，發(fā)光印花漿是以物理的形態(tài)附于面料表面，而棉的吸濕透氣性好，空隙大，故發(fā)光材料易滲透于棉織物上，顆粒狀的發(fā)光材料也容易落于織物空隙，造成織物表面發(fā)光材料較少，從而發(fā)光性能較差。滌綸吸濕透氣性差，纖維間空隙較小，發(fā)光材料經(jīng)印花整理多處于面料表面，因此發(fā)光強(qiáng)度較高。試驗(yàn)效果對比如圖2所示。

圖2 發(fā)光材料粒徑對發(fā)光效果的影響對比Fig.2 Comparison of influence of luminescent material particle size on luminescent effect.(a) Polyester/cotton sample; (b) Pure cotton sample

2.1.2 發(fā)光材料添加量對面料發(fā)光效果的影響

在發(fā)光材料稀土鋁酸鹽粒徑為30 μm，聚丙烯酸酯黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%，于150 ℃焙烘3 min條件下，探究不同發(fā)光材料添加量對試樣發(fā)光效果的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 發(fā)光材料添加量對面料亮度的影響Fig.3 Effect of luminescent material addition on brightness of fabric

由圖3看出：發(fā)光材料的添加量對發(fā)光印花面料的發(fā)光性能也有較大影響；隨著發(fā)光材料添加量的增加，2種面料的發(fā)光性能越來越好，當(dāng)發(fā)光材料添加量為20%時，2種面料的亮度都達(dá)到最佳；滌/棉發(fā)光印花面料的發(fā)光性能遠(yuǎn)高于純棉面料，發(fā)光亮度相差10倍以上。試驗(yàn)效果對比如圖4所示。

圖4 發(fā)光材料添加量對發(fā)光效果的影響對比Fig.4 Comparison of influence of luminescence material addition on luminescence effect. (a) Polyester/ cotton sample; (b) Pure cotton sample

2.1.3 黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對面料發(fā)光效果的影響

固定發(fā)光材料稀土鋁酸鹽粒徑為30 μm,其添加量為20%，焙烘時間為3 min，焙烘溫度為150 ℃，探究不同聚丙烯酸酯黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對面料發(fā)光效果的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5 黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對面料亮度的影響Fig.5 Effect of binder concentration on brightness of fabric

由圖5看出：隨著黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，2種面料的發(fā)光性能先增大后減小，當(dāng)黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時，2種面料的亮度都達(dá)到最佳；滌/棉發(fā)光印花面料的發(fā)光性能高于純棉面料，發(fā)光亮度同樣相差10倍以上。試驗(yàn)效果對比如圖6所示。比較圖3和圖5，黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對發(fā)光效果的影響與發(fā)光材料添加量的影響無較大區(qū)別。

圖6 不同黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對發(fā)光效果的影響對比Fig.6 Comparison of influence of adhesive concentration on luminescence effect. (a) Polyester/ cotton sample; (b) Pure cotton sample

2.1.4 絲網(wǎng)目數(shù)對面料發(fā)光效果的影響

固定發(fā)光材料稀土鋁酸鹽粒徑為30 μm，其添加量為20%，黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%，焙烘時間為3 min，焙烘溫度為150 ℃，探究不同絲網(wǎng)目數(shù)對面料發(fā)光效果的影響，結(jié)果如表2所示。

表2 絲網(wǎng)目數(shù)對面料亮度的影響Tab.2 Influence of mesh size on brightness of fabric

由表2看出，絲網(wǎng)目數(shù)的不同對印花面料的發(fā)光效果影響較小。由于發(fā)光材料為無機(jī)顆粒，不能溶于黏合劑中而形成均勻液體，發(fā)光印花漿為分散均勻的懸濁漿料，故印花時要選用低網(wǎng)目的絲網(wǎng)，以免堵塞絲網(wǎng)，并導(dǎo)致面料印花不均勻。

2.1.5 焙烘條件對面料發(fā)光效果的影響

在發(fā)光材料稀土鋁酸鹽粒徑為30 μm，其添加量為20%，聚丙烯酸酯黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%條件下，探究焙烘條件對滌/棉和純棉面料亮度的影響，結(jié)果如圖7所示。

圖7 焙烘時間對面料亮度的影響Fig.7 Effect of baking time on brightness of fabric.(a)Baking for 3 min;(b)Baking for 5 min

由圖7看出：焙烘3 min時，不同溫度對2種面料的發(fā)光效果影響不大；焙烘5 min時，不同溫度對2種面料的發(fā)光效果比焙烘3 min影響稍大。這是因?yàn)橄⊥龄X酸鹽是經(jīng)高溫焙燒制得，在500 ℃以下不會失去發(fā)光性能，因此150 ℃左右的焙烘條件不會對面料造成很大影響。但是在實(shí)際操作過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度超過160 ℃或焙烘時間過長時，面料會因?yàn)闇囟冗^高而發(fā)黃，影響發(fā)光性能，故應(yīng)選擇160 ℃以下的溫度進(jìn)行焙烘。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果確定發(fā)光材料粒徑及添加量、黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對發(fā)光印花面料的發(fā)光效果影響較大，故選擇這3個因素進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計，探究最佳的制備工藝[16]。表3示出滌/棉、純棉面料發(fā)光效果正交試驗(yàn)結(jié)果。從極差分析結(jié)果可以看出，對于滌/棉織物及純棉織物，各因素對試驗(yàn)的影響大小一致，從大到小依次是：發(fā)光材料粒徑>黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)>發(fā)光材料添加量。最佳工藝組合為：發(fā)光材料粒徑30 μm，發(fā)光材料添加量25%，黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%。圖8為最佳試驗(yàn)條件下滌/棉和純棉面料的發(fā)光效果圖。

表3 滌/棉、純棉面料發(fā)光效果正交試驗(yàn)結(jié)果及分析Tab.3 Results and analysis of orthogonal experiment on luminescence performance of polyester/cotton and pure cotton fabrics

圖8 最佳試驗(yàn)條件下滌/棉和純棉面料的發(fā)光效果Fig.8 Luminescence effect of polyester/cotton and cotton fabric under the best experimental conditions.(a) Polyester/cotton sample;(b) Pure cotton sample

2.3 不同顏色發(fā)光材料對發(fā)光效果的影響

不同顏色發(fā)光材料在滌/棉面料上的發(fā)射光譜如圖9所示。可以看出，不同顏色的發(fā)光材料涂層到面料上，發(fā)光亮度也各不相同。黃綠色發(fā)光效果最好，紅色發(fā)光效果最差沒有顯示在圖9中，6種顏色發(fā)光材料的亮度從大到小為：黃綠色>藍(lán)綠色>橙紅色>紫色>藍(lán)色>紅色。發(fā)光效果對比如圖10所示。

圖9 不同顏色發(fā)光材料在滌/棉面料上的發(fā)射光譜Fig.9 Emission spectrum of different color luminescent materials on polyester/cotton fabric

圖10 不同顏色發(fā)光材料在滌/棉面料上的發(fā)光效果Fig.10 Luminescence effect of different color luminescent materials on polyester/cotton fabric

2.4 不同顏色面料基底對發(fā)光效果的影響

圖11為黃綠色發(fā)光材料在不同色相滌/棉面料基底中的發(fā)射光譜圖。可以看出，在同等試驗(yàn)條件下，色相不同的同種面料發(fā)光效果各不相同，亮度從大到小為：藍(lán)色>紅色>綠色>橙色，不同色相之間發(fā)光效果存在個體差異性。試驗(yàn)效果對比如圖12所示。

圖11 不同色相面料基底對滌/棉面料亮度的影響Fig.11 Effect of different color fabric substrates on brightness of polyester/cotton fabric

圖12 最佳試驗(yàn)條件下黃綠色發(fā)光材料在不同色 相滌/棉面料基底上的發(fā)光效果Fig.12 Luminescent effect of different color on polyester/ cotton fabric substrates under the best experimental conditions. (a)Bright in fabric;(b) Matte in fabric

圖13為黃綠色發(fā)光材料在不同明度滌/棉面料基底中的發(fā)射光譜圖。由圖可知，在同種材質(zhì)面料基底上，明度越大，發(fā)光印花面料的發(fā)光效果越好。亮度從大到小為：白色>咖色>灰色>黑色。當(dāng)面料基底為白色時，發(fā)光印花面料的發(fā)光效果最好，主要原因是白色或淺色織物的光反射強(qiáng)于深色織物，而深色織物吸收部分發(fā)光材料的光，因此減弱了發(fā)光亮度[17]。試驗(yàn)效果對比如圖14所示。

圖13 不同明度面料基底對滌/棉面料亮度的影響Fig.13 Effect of different lightness fabric substrates on brightness of polyester/cotton fabric

圖14 最佳試驗(yàn)條件下黃綠色發(fā)光材料在不同明度滌/ 棉面料基底上的發(fā)光效果Fig.14 Luminescent effect on substrate of polyester/cotton fabric with different lightness under the best experimental conditions. (a) Bright in fabric;(b)Matte in fabric

2.5 滌/棉發(fā)光印花面料的服用性能

對滌/棉發(fā)光印花面料在不同聚丙烯酸酯黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及烘焙條件下的懸垂性、拉伸性、耐磨性、色牢度進(jìn)行測試，其結(jié)果如表4所示。結(jié)果顯示，滌/棉發(fā)光印花面料具有良好的拉伸斷裂強(qiáng)力。在B組試驗(yàn)中,當(dāng)黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時，滌/棉發(fā)光印花面料的懸垂系數(shù)隨著烘焙溫度的升高、時間的延長而增大，手感變差，但織物的耐磨性變好。在A組試驗(yàn)中,當(dāng)焙烘溫度為160 ℃,焙烘3 min時，隨著黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，織物的拉伸斷裂強(qiáng)力也在增大。從表4中B組試驗(yàn)數(shù)據(jù)還可看出：滌/棉發(fā)光印花面料的色牢度隨著烘焙溫度的升高、時間的延長而增大；當(dāng)烘焙溫度為160 ℃、時間為3 min，黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時，滌/棉發(fā)光印花面料的服用性能相對較好。

表4 滌/棉發(fā)光印花面料的服用性能Tab.4 Wearability of polyester/cotton luminescent printed fabric

3 結(jié) 論

通過單因素分析與正交試驗(yàn)分析，探究發(fā)光材料稀土鋁酸鹽粒徑大小及添加量、黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及絲網(wǎng)目數(shù)和焙烘條件等對純棉及滌/棉(65/35)2種面料發(fā)光效果的影響，得出如下主要結(jié)論。

1) 滌/棉面料比純棉面料的發(fā)光效果更好；對發(fā)光效果影響較明顯的因素是發(fā)光材料粒徑大小、黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及發(fā)光材料添加量。絲網(wǎng)目數(shù)和焙烘條件對發(fā)光效果影響不大。發(fā)光印花的最佳工藝為：發(fā)光材料稀土鋁酸鹽粒徑30 μm、添加量25%，黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%，絲網(wǎng)目數(shù)80，160 ℃焙烘3 min。

2) 不同顏色發(fā)光材料對面料發(fā)光效果影響不同，其中黃綠色發(fā)光效果最好，紅色發(fā)光效果最差；不同顏色的面料基底對面料的發(fā)光效果影響很大，面料顏色明度越大，發(fā)光效果越好，面料色相越鮮艷，發(fā)光效果越差。

3) 在最佳制備工藝條件下，滌/棉發(fā)光印花面料的懸垂性、拉伸性、耐磨性、色牢度等性能均較好。