納米纖維包覆法側面發光光纖柔光效果的研究

朱柏融,周雨萱,賓心雨,儲廣萌,劉思璇,許 彤,梅文斌,劉宇清

(1.蘇州大學 紡織與服裝工程學院,江蘇 蘇州 215123; 2.蘇州大學 電子信息學院,江蘇 蘇州 215123)

聚合物光纖按照發光類型可以分為端面發光光纖和側面發光光纖[1]。端面發光光纖指光在傳輸過程中通過光的全反射將光從入射端面傳輸到出射端面;側面發光光纖指光在傳輸過程中不僅可以將光從入射端面傳輸到出射端面,還有一部分光從光纖的側面露出來,形成側面發光的效果[2]。

端面發光光纖實現側面發光的本質原理是破壞纖芯內的全反射,從而使傳輸光從側面露出來,形成側面發光的效果[3]。實現側面發光的方法主要有2類:破壞光纖的皮芯結構法和彎曲光纖法[4]。破壞光纖的皮芯結構法通常采用機械處理、化學溶劑處理和激光處理等方法[5]。金瑞鵬等[6]利用砂紙摩擦方法處理了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)端面發光光纖,研究發現摩擦次數越多,光纖側面發光亮度越高,但亮度衰減越快。林文君等[7]測量不同化學試劑處理及不同處理時間對光纖側面發光性能的影響。Shen等[8]采用CO2激光雕刻機處理端面發光光纖,處理后光纖表面形成的凹槽有助于側面發光。彎曲光纖法可以改變光傳輸過程中的全反射路徑,在不破壞光纖結構的條件下,使傳輸的光從側面漏出[4]。Wang等[9]利用聚合物光纖在織物組織結構中的彎曲實現了側面發光的效果,并探討了光纖側面發光度與彎曲半徑的關系。雖然上述方法都可以使端面發光光纖實現側面發光,但破壞光纖的皮芯結構法本質上是一種減材加工的方法,破壞光纖結構會導致光纖的力學性能下降;彎曲光纖法主要受彎曲半徑和織物表面光纖的浮長等具體因素限制,無法廣泛應用。因此需要探索一種非破壞性光纖的制備方法,通過增材制造避免光纖力學性能的下降,實現光纖在任意織物組織結構中側面發光,從而滿足人們對服裝智能化、獨特化的需求。

熱拉伸工藝具有結構可控、材料兼容性好、工藝簡單且穩定等優勢[10],是近年來較為常用的纖維制備工藝。趙淑雅等[10]以側面發光光纖為芯層,通過薄膜卷繞法、熱固法制備宏觀預制件,最后進行熱拉伸制備出單色及多色光致變色纖維。熱拉伸為制備側面發光光纖提供了思路,但其制備的光纖光線較刺眼且服用性較差,對視覺產生沖擊,無法實現在服裝領域的廣泛應用,因此如何提高光纖的光線柔和程度和服用性能是急需解決的問題。

納米纖維具有較好的柔軟性和透氣性[11-12],吹噴紡是制備納米纖維的常用方法之一,過程可控,紡絲效率高[13]。Shinkawa等[13]通過溶液吹噴法制備全氟磺化離聚體納米纖維。納米纖維膜具有比表面積大和結構不規律等特點[14],當光在納米纖維膜內傳播時,發生漫反射,從而改變光的傳播路徑。因此,如何利用納米纖維膜這一特性,實現光纖的側面發光以及提高光纖的光線柔和程度是本文探索的問題。中空纖維的空腔內存儲了大量靜止空氣,可以提升織物的保暖效果,與同直徑的實心纖維屈服應力接近,但是質量更輕[15]。張顯華等[16]采用中空滌綸為經紗、棉為緯紗制備了一款面料,克羅值達0.48,保暖性較好。設計中空側面發光光纖符合人們追求舒適化、輕薄化的著裝理念。

本文以聚碳酸酯(PC)母粒和PC棒材為基材,采用熱壓裝置制備PC預制棒,通過拉絲塔將PC預制棒熱拉伸并吹氣,制備出PC中空纖維。在熱拉伸的同時,以PC為溶質,N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和四氫呋喃(THF)為溶劑,采用吹噴紡技術在PC中空纖維表面包覆PC納米纖維,制備出PC復合光纖。將PC復合光纖織入織物中,通光后光纖產生側面發光效應。本文探索一種非破壞性、側面發光、亮度柔和的光纖的制備方法,為側面發光光纖的制備提供一種新的思路。

1 實驗部分

1.1 實驗材料和儀器

材料:PC母粒(1.0 mm,牌號3150,上海科思創聚合物(中國)有限公司);PC棒材(直徑12 mm,深圳市永信塑膠材料有限公司);丙綸(PP)色母粒(1.0 mm,深圳市金志成塑膠科技有限公司);N,N-二甲基甲酰胺(DMF,含量≥99.0%,水分≤0.05%,山東飛鴻新材料有限公司);四氫呋喃(THF,含量≥99.9%,山東科建化工有限公司)。

儀器:熱壓裝置(自建);拉絲塔(自建);吹氣裝置(自建);蠕動泵(河北順選智能科技有限公司);紡絲針頭(廣州根毛貿易商行);吹噴紡注射器(廣州滬瑞明儀器有限公司);日立S-4700冷場發射掃描電鏡(日本Hitachi公司);索尼A6400相機(索尼(中國)有限公司)。

1.2 熱壓裝置

搭建的熱壓裝置如圖1所示。搭建的熱壓裝置包括機架、預制棒制備單元、加熱溫控單元和千斤頂4個部分。作為裝置本體框架的機架主要包括頂部鐵板、中間層移動式鐵板、底部鐵板和鐵棒。搭建時鐵棒豎直設置,頂部鐵板、中間層移動式鐵板、底部鐵板從上到下依次安裝于鐵棒上。預制棒制備單元包括空心鋁管和實心壓制棒。空心鋁管位于中間層移動式鐵板上,豎直向上延伸,實心壓制棒位于頂部鐵板下,并且實心壓制棒直徑略小于空心鋁管內徑。用于空心鋁管內聚合物的加熱熔融的加熱溫控單元包括溫控箱、加熱線圈和測溫探頭,溫控箱的1根電線接電源,另1根電線分為2股,1股接加熱線圈,另1股接測溫探頭。千斤頂驅動中間層移動式鐵板上下移動,使實心壓制棒達到壓制效果。

圖1 熱壓裝置Fig.1 Hot-pressing device

制備預制棒時,在空心鋁管中心位置放置與空心鋁管等高的PC棒材,在空心鋁管內PC棒材四周填充PC母粒,填充完畢后,實心壓制棒壓制空心鋁管內部PC基材。開啟加熱溫控單元,加熱至220℃,PC基材開始熔融。通過調節千斤頂改變中間層移動式鐵板的位置,從而改變實心壓制棒壓制的深度,使實心壓制棒緊密熱壓空心鋁管內部PC基材。加熱20 min后停止加熱,PC基材凝固,將透明PC預制棒取出。

若制備彩色預制棒,將PC母粒與PP色母粒按照質量比20∶1混合均勻后填充在空心鋁管內PC棒材周圍。

1.3 熱拉伸

熱拉伸示意圖如圖2所示,首先用電動鉆子沿豎直方向在預制棒的中心打一個深坑,然后沿水平方向在預制棒的兩端鉆孔,孔徑為0.5 mm,用銅絲穿孔。將預制棒放入拉絲塔加熱爐內,將預制棒的一端用銅絲固定在加熱爐頂部,另一端銅絲懸掛砝碼,可以使料頭受力勻速下降。調節加熱爐內溫度,上溫區170℃,中溫區200℃,下溫區170℃。吹氣裝置吹氣嘴對準預制棒頂部深坑吹氣。15 min后,預制棒料頭開始緩慢掉落,通過控制牽引裝置和收集裝置調節纖維粗細,最終得到PC中空纖維。

圖2 熱拉伸Fig.2 Thermal stretching

1.4 吹噴紡

吹噴紡示意圖如圖3所示,在熱拉伸的同時,采用吹噴紡技術,以PC為溶質,DMF和THF按照體積比1∶1配置為溶劑,紡絲液中溶質質量分數為8%～12%,牽伸風壓0.08～0.40 MPa,擠出速度2～5 mL/h,接收距離15～25 cm。溶液從注射器紡絲針頭擠出,將PC納米纖維均勻牽引到PC中空纖維上,形成泰勒錐紗網面,從而使PC納米纖維包覆在PC中空纖維表面形成PC復合光纖[17]。收集裝置收集PC復合光纖。

圖3 吹噴紡Fig.3 Solution blowing spinning

2 結果與討論

2.1 PC復合光纖的形貌

PC復合光纖的電鏡照片如圖4所示。從圖4(a)(b)可以看出,PC復合光纖的截面呈現皮芯型,皮層PC納米纖維完整地包覆在芯層PC中空纖維的表面。圖4(c)(d)為圖4(a)(b)白色方框區域對應的放大圖,可清楚地看出PC復合光纖的皮層PC納米纖維和芯層PC中空纖維分界面明顯。

圖4 PC復合光纖電鏡照片Fig.4 Scanning electron microscope images of PC composite optical fiber

2.2 發光機制

光從一種介質入射到另一種介質時,傳播方向發生改變,即為光的折射[18]。光的折射滿足折射定律,見式(1):

n1sinθ1=n2sinθ2

(1)

式中:n1為光密介質折射率;n2為光疏介質折射率;θ1為光的入射角,(°);θ2為光的折射角,(°)。

從折射定律可得,折射角會隨著入射角的增大而增大。當入射角達到臨界值(見式(2)),θ2達到最大值90°;如果繼續增大入射角,折射光線會消失,所有光線在界面處發生反射,即全反射[19]。所以全反射現象有2個條件,即入射角大于等于臨界值;光線從折射率高的介質入射到折射率低的介質。

(2)

PC復合光纖的理論模型如圖5所示,本文PC復合光纖具有2層結構,皮層為PC納米纖維,芯層為PC中空纖維,PC中空纖維中空部分為空氣。由于實際制備的PC中空纖維并不是規整的中空圓柱體,并且壁內存在微小氣泡,若在不包覆PC納米纖維的PC中空纖維上通光,根據光的反射折射原理,光可以從側面散發出來。

圖5 PC復合光纖理論模型圖Fig.5 Theoretical modelof PC composite optical fiber

本文在PC中空纖維表面包覆PC納米纖維,而實際制備過程中PC中空纖維與PC納米纖維接觸面無法完全貼合,PC納米纖維形態及其之間的空隙的大小無法完全一致,故設PC納米纖維膜的等效折射率為n4,PC中空纖維的等效折射率為n5,PC中空纖維中空部分的空氣折射率為n3。

折射率引導型光子晶體光纖一般是由純石英纖芯和具有周期性空氣孔結構的包層所組成,由于包層上存在空氣孔,所以包層相較于纖芯具有更小的折射率[20],這種結構的光子晶體光纖以類似全內反射的原理導光。基于此原理,本文中n5>n4>n3[21]。

本文PC復合光纖皮層PC納米纖維膜類似折射率引導型光子晶體光纖的包層結構。在PC中空纖維上通光,相較于不包覆PC納米纖維的PC中空纖維,PC納米纖維使得PC復合光纖比表面積更大,PC納米纖維之間的空隙使得界面更多,光在皮層PC納米纖維膜傳播時,因為納米纖維的尺寸與光的波長接近,納米纖維不規律的結構可以使光線實現漫反射,最終達到側面發光效果,折射出來的光線更加柔和,可以實現舒適、高質量的視覺效果。

2.3 電路設計

控制光纖發光的電路一共有3條支路,每條支路分別具有1個可控開關、2個定值電阻、1個三極板和1個發光二極管,電路元器件連接方式如圖6所示。接通電源后,閉合控制紅色發光二極管電路的開關,即有電壓通過該支路并產生電流,可使發光二極管接收到電信號轉變為光信號,發出紅光;斷開控制紅色發光二極管電路的開關,閉合控制綠色發光二極管電路的開關,電流流經發光二極管,發出綠光;斷開控制綠色發光二極管電路的開關,閉合控制藍色發光二極管電路的開關,電流流經發光二極管,發出藍光。

圖6 LED電路圖Fig.6 LED circuit diagram

2.4 側面發光光纖測試

PC中空纖維和PC復合纖維色階對比如圖7所示。對PC中空纖維和PC復合光纖依次通綠光、紅光和藍光,使用Photoshop色階功能,RGB通道分別選擇綠色、紅色和藍色。色階圖是說明照片中像素色調分布的圖表,垂直的“y”軸表示包含特定色調的像素數目,橫向的“x”軸表示像素的色調,從左往右依次變淺。色階圖分布集中,表明圖片色調單一,所處光線較硬;色階圖分布均勻,表明圖片色調多樣,所處光線較柔和[22]。圖7結果表明,相較于未包覆PC納米纖維的PC中空纖維,PC復合光纖的色階圖分布更均勻,光線更加柔和。

圖7 PC中空纖維和PC復合纖維色階對比圖Fig.7 Comparison of color scale between PC hollow fiber and PC composite optical fiber. (a) PC hollow fiber; (b) PC composite optical fiber

實際案例中,如從場館內部觀察,國家體育場其結構的外表有一層半透明的白色聚四氟乙烯(PTFE)膜,利用材料的半透性使光線產生漫反射后實現柔和的視覺效果,避免了體育場內的光線在賽場上形成強烈的陰影,從而解決強烈光影帶來的影響[23],又如上海世博會中國館的“中國紅”不是單一的紅色,而是由7種不同的紅色組成了外觀視覺和諧的紅色(中國館外部4種紅色,內部3種紅色,按照由深至淺的順序排列)[24]。本文通過增材制造在PC中空纖維表面包覆PC納米纖維,光線經過漫反射后分布均勻、亮度柔和,最終得到舒適、高質量的視覺效果。

2.5 側面發光織物測試

側面發光織物采用雙向通光,將發光光源與PC復合光纖織物本體結合,其中發光光源連接有LED燈,PC復合光纖的兩端與設計在側面發光織物兩側的LED燈相連,PC復合光纖的中間部分編織在織物內,控制器控制發光光源。使用控制器控制LED燈,當LED燈開始工作時,LED燈發光,光從PC復合光纖的一端傳輸至另一端,并有部分光從側面泄露出來,實現織物發光效果。通過控制LED燈變換顏色,實現織物變色效果。

PC復合光纖織物局部圖如圖8所示,通光后PC復合光纖實現側面發光。PC復合光纖織物整體圖如圖9所示。對側面發光織物進行雙向通光,PC復合光纖織物整體實現側面發光且織物整體亮度基本相同。因為納米纖維的尺寸與光的波長接近,納米纖維不規律的結構可以使光線實現漫反射,側面發出的光線更加柔和均勻,可以使側面發光光纖及其織物實現舒適、高質量的視覺效果。

圖8 PC復合光纖織物局部圖Fig.8 Fabric partial diagram of PC composite optical fibers. (a) No light; (b) Red light; (c) Green light; (d) Blue light

圖9 PC復合光纖織物整體圖Fig.9 Fabric overall diagram of PC composite optical fibers. (a) No light; (b) Blue light; (c) Green light; (d) Red light

3 結 論

常規光纖在發光處理及處理后織造過程中容易發生斷裂的問題,而本文探索了一種非破壞性光纖的制備方法,以聚碳酸酯(PC)母粒和PC棒材為基材,制備出PC中空纖維,在PC中空纖維表面包覆PC納米纖維制成可實現側面發光的PC復合光纖,并用于織造發光織物。通過分析PC復合光纖的形貌結構特點,研究PC復合光纖的發光機制,進行側面發光光纖及其發光織物的測試并討論其相關性能。通過增材制造在PC中空纖維表面包覆PC納米纖維實現側面發光效果,將有望于改善側面發光光纖的力學性能。折射率引導型光子晶體光纖可以滿足長距離的基于內部全反射的折射率引導傳光,而本文PC復合光纖由于上文所述因素會產生光的損耗,難以滿足長距離光的傳導,但是可以滿足服用的側面發光需求。納米纖維具有較好的柔軟性和透氣性,中空纖維結構相較于同直徑的實心纖維質量更輕,將有望于提高側面發光光纖的服用性能,但皮層納米纖維的水洗性及耐磨性等相關問題仍然需要進一步的探索。