稀土發(fā)光纖維在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用

錢麗婧，張技術(shù)

（常熟理工學(xué)院，江蘇 蘇州 215500）

稀土材料夜光功能纖維材料是利用天然稀土作為發(fā)光纖維材料加工制成的一種功能性環(huán)保新纖維材料。它是將夜光紡絲中的原料分子作為發(fā)光基體，運用長期有余輝性的稀土鹽和鋁酸鹽作為發(fā)光纖維材料，經(jīng)特種夜光紡絲制造工藝生產(chǎn)出來的夜光紡絲纖維。一方面，它僅僅需要連續(xù)吸收可見光十分鐘，就可以將可見光直接存儲在發(fā)光纖維材料里面，因此，可以在整個黑夜連續(xù)發(fā)光十個小時以上；另一方面，當(dāng)室內(nèi)有大量太陽光間接照射時，新型彩色夜光玻璃纖維材料將有機會使其顯現(xiàn)不同樣的色彩，如有粉紅色、黃色、綠色、藍色等。當(dāng)在一個黑夜中，這種發(fā)光材料自動地激發(fā)出各色彩的亮光，如紅光、黃光、藍光和綠光等。夜光玻璃纖維漆的色彩多種多樣，人們不必再需要額外使用任何染色劑或化學(xué)合成顏料，是理想的環(huán)保高效的綠色高科技產(chǎn)品[1]。基于此種性能，稀土夜光纖維可以在紡織、交通、夜間作業(yè)、建筑、防偽和休閑娛樂等多方面進行應(yīng)用。

1 稀土發(fā)光纖維的本質(zhì)研究

1.1 稀土發(fā)光纖維的發(fā)光機理

在沒有特殊光照刺激的情況下，大多數(shù)熒光材料分子處于較為穩(wěn)定的基態(tài)。當(dāng)外部能量（由光源照射）刺激到稀土材料時，其分子內(nèi)部會充滿電子殼，這些電子會自動選擇一定頻率的光吸收并從中獲取光。電子吸收了能量離子化，從而將其從基態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)。當(dāng)去除外部能量時，它將以非輻射形式衰減至亞穩(wěn)態(tài)，最后轉(zhuǎn)變?yōu)檩^低能量狀態(tài)，它將以輻射形式產(chǎn)生熒光[2]。

從基態(tài)單發(fā)雙重態(tài)轉(zhuǎn)變到連續(xù)激發(fā)單發(fā)雙重態(tài)的連續(xù)激發(fā)轉(zhuǎn)變是完全允許的激發(fā)轉(zhuǎn)變，從基態(tài)單發(fā)雙重態(tài)轉(zhuǎn)變到連續(xù)激發(fā)三重態(tài)的連續(xù)激發(fā)轉(zhuǎn)變是完全禁止的激發(fā)轉(zhuǎn)變。激發(fā)三重態(tài)的輻射能量遠遠低于同時激發(fā)單個二重態(tài)的輻射能量。在正常工作狀態(tài)下，大多數(shù)氫的分子核在處于基態(tài)的低密度振動時其能量的級數(shù)為s0。在激光吸收與其激光特征頻率一致的激光輻射之后，它可以吸收光的能量并且可以在第一或第二個光激發(fā)單元的重態(tài)下躍移升遷到每個光的能級，產(chǎn)生光的連續(xù)吸收。當(dāng)散射電子從第一吸收激發(fā)單向多重態(tài)的最低強度振動通過能量次級躍遷而達到基態(tài)時，會直接產(chǎn)生散射波長遠遠小于第一吸收散射波長（λ3<λ2<λ1）的散射光，該光是熒光。

1.2 稀土發(fā)光纖維的分類

發(fā)光纖維材料是一種特殊的纖維，它通過陽光直射或紫外線輻射吸收能量，并在下一步將其轉(zhuǎn)換為光輻射。發(fā)光纖維一般以聚丙烯、聚酰胺及聚酯等為基質(zhì)。光纖在可見光照射下可以顯示各種顏色，而當(dāng)沒有可見光時，它將自動發(fā)出各種顏色的光。以摻入的發(fā)光添加劑為標(biāo)準(zhǔn)區(qū)分發(fā)光纖維和熒光纖維。

發(fā)光纖維是一種無毒、無害、非放射性和可回收的功能性纖維，其主要特征是其良好的余輝能力。目前開發(fā)的發(fā)光纖維的余輝能力遠未能夠達到夜間照明的標(biāo)準(zhǔn)，因為沒有激發(fā)光源的刺激，發(fā)光纖維亮度會急劇下降。盡管長余輝材料的顏色是彩色的，但用于纖維的材料確實很少見。目前可以制造的發(fā)光纖維只能發(fā)出黃綠色，并且顏色仍然相對單調(diào)[3]。

根據(jù)激發(fā)光源的不同，熒光生物纖維分子可以細分為紅外射線熒光分子纖維和紫外射線熒光分子纖維。紅外光或熒光電子纖維發(fā)射是一種在高級紅外光的直接激發(fā)下能散發(fā)出不同程度顏色的熒光（但其波長通常在0.7～1.6μm 之間），依靠上述光轉(zhuǎn)換后的磷光體，然后通過使用低級紅外光源進行積累并經(jīng)過轉(zhuǎn)換后作為高級光源釋放的熒光[4]。由于激發(fā)光源的發(fā)射波長通常是不可見光，因此紅外線和熒光激發(fā)纖維被廣泛地應(yīng)用于電子防偽打印技術(shù)中。最重要的是，當(dāng)紫外線不再存在時，該材料將恢復(fù)其原始顏色。

2 稀土發(fā)光纖維的基本性能研究

通過對稀土發(fā)光纖維的重要功能進行研究和分析，便能對纖維的結(jié)構(gòu)和性能有了更全面的了解。可以肯定的是，這種材料在力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)上具有重要的優(yōu)勢，并具有很好的光質(zhì)。稀土發(fā)光纖維利用了稀土發(fā)光材料的特性，它不僅可以確保出色的性能，而且還可以通過環(huán)保、高效和多彩的光來發(fā)光。該材料具有廣闊的應(yīng)用前景，可以廣泛地應(yīng)用于工業(yè)防御、建筑設(shè)計等各個領(lǐng)域，越來越受到人們的關(guān)注。在目前的技術(shù)下，稀土發(fā)光纖維可以被混紡和加工，也可以通過純紡技術(shù)來制造。希望純紡短纖紗工藝和純紡短纖紗的各種性能在未來的實際制造過程中能發(fā)揮理論指導(dǎo)作用。

稀土夜光短纖紗的基本性能主要有以下5 點[5]。

2.1 拉伸性能

單紗的拉伸性能試驗是選擇合適的紡成的稀土發(fā)光紡紗，測試單紗的強度和伸長性能，并測量稀土發(fā)光紡紗的拉伸性能指標(biāo)。所述紡紗具有均勻性、高斷裂強度和高斷裂伸長率，屬于中高強度和拉伸型紗線，正是它具有的這一特性，使它可以滿足編織和織造工藝的生產(chǎn)要求。

2.2 毛羽測試

測試稀土發(fā)光紡紗的表面毛羽，測試的毛羽長度（mm）分別為1、2、3、4、5、6、7、8、10、12。稀土發(fā)光紡紗的毛羽一般較小，1～3mm的毛羽很多，而長于10mm的毛羽很少，可以說幾乎沒有毛羽。這表明發(fā)光短纖紗的質(zhì)量確實更好，并且對隨后的制備過程也是有利且無害的。

2.3 耐濕耐熱性能

稀土發(fā)光短纖紗經(jīng)噴水加熱后，無論什么條件，短纖紗的斷裂強度均呈下降趨勢，斷裂伸長率也相應(yīng)降低。在相同溫度下，水浴處理時間越長，細紗的強度和伸長率的降低就越嚴(yán)重。同時進行水浴處理時的溫度越高，則細紗的強度和伸長率的降低越大。

2.4 耐酸性能

酸堿化處理后，稀土中的發(fā)光劑和細紗的稀土斷裂強度和稀土斷裂縫的伸長率也同樣呈現(xiàn)了指數(shù)性的變化趨勢，并且隨著酸處理溶液含水濃度的不斷增加，兩個指標(biāo)的下降幅度也增大。

2.5 捻度對夜光短纖紗強度的影響

通過設(shè)定細紗的工藝，可以調(diào)整紗線的捻度。將捻度系數(shù)分別設(shè)置為290、310、330、350、370、390、410、430 和450，并通過儀器測試不同捻度的紗線的單紗強度。如果捻度繼續(xù)上升，則隨著滑移長度變小，紗線內(nèi)部的纖維之間的側(cè)向壓力也將增加，因此，纖維對紗線的強力貢獻的損失將被減弱。但是，加捻使纖維在紗線中傾斜，在這種情況下，扭曲度越高，材料的下降越大。因此，細紗的捻度和紗線強度是先增加然后降低。

3 稀土發(fā)光纖維在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 紡織領(lǐng)域的應(yīng)用

稀土金屬發(fā)光色彩材料在各類紡織色彩領(lǐng)域應(yīng)用可以豐富各類紡織品的色彩樣式，還能夠增加其藝術(shù)性。稀土金屬發(fā)光復(fù)合材料在現(xiàn)代紡織品加工裝備制造方面也具有重要的技術(shù)應(yīng)用，例如不同服裝的面料、不同顏色的毛絨玩具和絢麗多彩的裝飾畫等，除此之外，還可以應(yīng)用到其他建筑、交通等功能紡織衣物上。

在居家紡織品的應(yīng)用方面，可以制作具有發(fā)光功能的窗簾、拖鞋等，不僅能夠滿足日常生活使用，還能在夜晚方便夜間的行動[6]。在特種作業(yè)防護方面，遠洋航行的工作人員需穿著具有發(fā)光標(biāo)記的工作服裝；在礦井工作的人員也需要在穿著發(fā)光服裝的同時，使用由稀土發(fā)光纖維制作的繩索，從而方便抓取和救援。在軍事方面，士兵在夜間進行任務(wù)使用的降落傘也要使用夜光標(biāo)記所在的位置，確認(rèn)人員的安全。在消防設(shè)備使用以及制作工程中，也需要應(yīng)用發(fā)光紡織材料，其主要目的是為了在火災(zāi)發(fā)生時，消防隊員或人員能夠在第一時間發(fā)現(xiàn)所需要的消防設(shè)備，能夠快速進行火災(zāi)救助或者自救。同時，在消防員進行火災(zāi)救助的過程中，裝備的發(fā)光設(shè)備由于出現(xiàn)線路纏繞等問題，可能會出現(xiàn)無法發(fā)光的情況，因而得到警示。目前，對于稀土發(fā)光材料在安全防護方面的研究，在制備夜光水帶方面有了新突破[7]，這種新型夜光水帶能夠改善導(dǎo)向功能，從而減少消防員發(fā)生死亡的情況。

3.2 發(fā)光材料的應(yīng)用

3.2.1 對紡織物進行熒光涂層處理

涂覆使用方法一般使用棉、聚酯/棉或其他聚酯纖維織物材料作為基本涂覆材料，將這種發(fā)光粘合材料和其他粘合劑進行混合以后會形成發(fā)光涂層，并且在這些涂層經(jīng)過處理之后可以獲得新型的多功能發(fā)光材料。常用的超長熒光余輝就是熒光粉SrO2Al2O3（msio2）：Eu2+的熒光激發(fā)反射波長和熒光發(fā)射出的波長在510nm 左右，各種可見光對其波長具有強烈觸發(fā)反射作用，其熒光發(fā)射出的波長在整個可見光納米范圍內(nèi)。稀土特殊發(fā)光處理材料經(jīng)過特殊發(fā)光處理，將多種功能性主劑和推進的助劑成分摻雜加入稀土染色浴和染料印花漿中，可以大幅提高稀土染色和染料印花漿中織物的色深和色彩鮮艷度。在最新研究中，尹桂波等用Eu3+有機物覆蓋從厚到薄的織物，并測試了對涂層織物的抗紫外線作用。最終的實驗結(jié)果表明，在梳理后，薄織物的抗紫外線保護系數(shù)提高了近10 倍[8]。

3.2.2 對織物進行熒光印染

在各種發(fā)光化學(xué)材料著色染料的開發(fā)制造中，主要將各種熒光著色染料溶劑混入熒光染料液中用以進行熒光著色。該染色過程不但可以直接使經(jīng)過印花和其他染色的彈性織物逐漸增亮，而且它們可以在藍色紫外光下同時發(fā)出藍色熒光。但是，由于不同熒光纖維和紡織物的原料染色熒光機理不同，所得的染色熒光纖維染料也多種多樣。例如，尼龍主要用分散或凝聚酸性炭的熒光顏色染料進行染色，而棉和其他聚酯/棉混紡后的織物則用活性炭的熒光顏色染料進行染色。陸舟等使用脂族聚氨酯作為聚合助劑，并使用無水印刷方法將光致變色漿料施加到棉織物表面以獲得光致變色效果。研究并分析粘合劑的類型和用量，烘烤過程和糊劑的量對長余輝發(fā)光織物的發(fā)光效果的影響[9]。

國外對這種香豆素類藥物熒光活性染料的染色合成技術(shù)研究比較多，實驗室的數(shù)據(jù)和應(yīng)用數(shù)據(jù)非常廣泛，可以應(yīng)用于羊毛織物的染色。試驗研究結(jié)果表明，染成的粉紅色的條紋羊毛面料纖維褪色損失少，固色氧化效果好，耐光性能好，可達4～5 級。用這種纖維材料加工制成的針織衣服不僅僅局限于合成纖維制造原料，甚至還可以直接應(yīng)用于其他金屬纖維合成原料，因此對整件衣服的舒適性能影響很小。如果選擇科學(xué)有效的方法，還可以確保衣物具有良好的舒適性。另外，充分發(fā)揮了發(fā)光材料的優(yōu)點，并且在漆黑的夜晚條件下可以大大提高織物的亮度[10]。

3.2.3 對紡織品進行綜合的開發(fā)

服裝是紡織技術(shù)的最終產(chǎn)品，在現(xiàn)代服裝設(shè)計開發(fā)過程中，使用服裝發(fā)光復(fù)合材料技術(shù)可以適當(dāng)綜合考慮不同服裝材料顏色、舒適性、清潔和日常保養(yǎng)等諸多因素，進一步探索服裝發(fā)光復(fù)合材料的潛在實際應(yīng)用，并不斷開拓新的服裝設(shè)計創(chuàng)新空間。發(fā)光塑料纖維的流動機械力學(xué)性能幾乎與普通有機化學(xué)發(fā)光纖維相同，完全能夠滿足目前工業(yè)織造生產(chǎn)工藝的各種要求。它可以廣泛地應(yīng)用于各種運動服裝，例如運動T 恤、休閑服、舞臺表演服裝、室內(nèi)裝飾建筑材料和其他民用裝飾領(lǐng)域。

然而，在將各種發(fā)光織物纖維復(fù)合織物技術(shù)應(yīng)用于光纖織物產(chǎn)品設(shè)計時，應(yīng)特別注意各種纖維參數(shù)測量標(biāo)準(zhǔn)，例如發(fā)光織物纖維密度、厚度、組織纖維結(jié)構(gòu)和單位分布面積纖維質(zhì)量等。這些重要參數(shù)將深刻影響到紡織物的整體發(fā)光處理效果，必須加以注意，否則夜光織物的特殊效果將大大減弱[11]。為了保持其獨特的柔軟性和舒適性，可以將發(fā)光纖維織物與其他原紗交織以形成不同的圖案效果。最大的特點是小夜燈帶給人的視覺沖擊，對促進服裝效果的展示具有很好的作用。

4 結(jié)語

近些年來，發(fā)光裝飾材料在我國服裝行業(yè)中的廣泛應(yīng)用已開始受到服裝業(yè)界的高度關(guān)注，具有這種發(fā)光作用的材料已經(jīng)開始在許多領(lǐng)域當(dāng)中發(fā)揮重要作用。目前，彩色發(fā)光玻璃纖維產(chǎn)品受到了國內(nèi)外眾多生產(chǎn)廠商的密切關(guān)注，它不但可以大大提高國內(nèi)化纖生產(chǎn)企業(yè)的社會經(jīng)濟效益和對國際市場風(fēng)險的抗承受能力，還可以充分利用國產(chǎn)高端化纖企業(yè)產(chǎn)品積極參與國際化纖市場的競爭，通過出口賺取外匯的能力為新產(chǎn)品的后續(xù)開發(fā)、經(jīng)濟增長以及紡織、針織和服裝公司的業(yè)務(wù)擴展提供更廣泛的選擇。此外，它在不斷優(yōu)化我國紡織業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，促進我國紡織業(yè)產(chǎn)品技術(shù)創(chuàng)新方面也將起到推動作用，最終可以產(chǎn)生良好的社會效益和經(jīng)濟效益。稀土發(fā)光材料在紡織品中的應(yīng)用將越來越廣泛，挖掘稀土發(fā)光材料的顏色種類并延長發(fā)光時間將是該領(lǐng)域未來研究的重點。