汗液老化對玻璃微珠反光材料性能的影響

崔志英,葉璐露,鄭蓉梅,孫 楠,魯 虹

(1.東華大學 服裝與藝術設計學院,上海 200051; 2.東華大學 現代服裝設計與技術教育部重點實驗室,上海 200051)

反光材料是近代物理學、化學和紡織材料科學綜合發展的產物,廣泛應用于交通標志、反光標識、特殊作業服裝、消防安全標志、鐵路標志、礦區標志等領域[1-2]。玻璃反光材料用于服裝時可以在視覺上強調穿著者的存在,尤其在夜間可視性較差的情況下,能夠有效避免危險事故的發生。

反光材料在穿著使用過程中,其性能會因氣候環境、人體運動大量出汗等而受到影響,目前紡織品耐久性的研究主要集中于耐汗漬色牢度方面[3-4],而對材料反光性能的耐久性研究較少。因此,本文將探討酸堿汗液對玻璃微珠反光材料性能的影響,評估反光材料的服用耐久性,從而對生產商及用戶的使用和維護提供指導。

1 實驗原理

玻璃微珠是玻璃反光材料的核心部件,反光原理如圖1所示。將反光材料上的玻璃微珠看作高折射率的透鏡,入射光線I0在玻璃微珠表面折射,聚焦于底部的光錐角上,經過底部鍍銀層或鍍鋁層的反射,從微珠內部射出并回到光源方向,即逆反射光線I。當光照射反光布時,除了有小部分光散射,大部分光經過玻璃微珠的折射、反射、再折射,最后沿光源方向逆向返回[5]。相比于光在一般物品上發生的漫反射和鏡面反射,玻璃微珠的反光效率更高,反光性能優異[6]。

圖1 玻璃微珠反光原理圖

玻璃微珠反光織物的結構如圖2所示,其結構包括玻璃微珠、反射層、黏合劑和基布[7]。根據玻璃微珠在基布上的涂覆方法,反光織物的加工方法可以分為涂珠法、植珠法以及熱轉移法。涂珠法將玻璃微珠與黏合劑混合的涂層漿涂覆于織物表面制取反光布[8]。植珠法先進行基布前處理,在基布上涂覆膠黏劑,施加反射層后進行靜電植珠或撒珠,最后經后處理獲取反光布[9]。熱轉移法將鍍鋁植珠膜和熱熔轉移膠復合,轉移至織物上再熟化[10]。

圖2 玻璃微珠反光織物結構示意圖

2 實驗部分

2.1 實驗材料

實驗材料選取6種反光材料,樣本的基布為滌綸或滌/棉混紡,使用的黏膠劑為聚酯和聚氨酯。涂珠法制備的反光布反光性能一般且手感粗糙,目前市場份額逐漸下降,因此本文實驗僅選取了植株法和熱轉移法制備的反光布,實驗樣品信息如表1所示。

表1 實驗樣本信息

試樣大小為10 cm×10 cm,在實驗前對樣品進行預處理,先使用三級水除去其表面雜質與灰塵,平鋪晾干后在恒溫恒濕實驗室中平衡24 h。根據GB/T 4669—2008《紡織品 機織物 單位長度質量和單位面積質量的測定》和GB/T 3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測定》,使用A5003 N電子天平(上海佑科儀器儀表有限公司)和YG(B)141D型數字式織物厚度儀(常州新紡檢測儀器設備有限公司)測量試樣的織物面密度、織物厚度、熱熔膠層厚度和基布層厚度。通過電子顯微鏡掃描獲取玻璃微珠圖像,計算玻璃微珠的大小、覆蓋率,試樣基本參數如表2所示。

表2 試樣基本參數

2.2 汗液老化實驗方案

根據GB/T 3922—2013《紡織品 色牢度試驗 耐汗漬色牢度》和GB/T 6682—1992《分析實驗室用水規格和試驗方法》配置酸堿性人工汗液,試劑均為化學純,通過離子法獲取三級水配制試液,每1 000 mL的酸堿性汗液配置成分和pH值如表3所示。

表3 人工汗液配置成分

酸堿汗液老化時使用Y802A 恒溫烘箱(常州紡織儀器廠)在60 ℃烘干70 min,汗液老化次數為1、5、10、20、25、30、40、50次。實驗步驟如下:①將Y802A 恒溫烘箱預熱至60 ℃;②取200 mL酸堿人工汗液分別倒入25 cm×50 cm的塑料器皿中;③將預處理后的試樣浸入酸堿人工汗液中5 min后取出;④將酸堿汗液處理后的試樣置于烘箱,在60 ℃條件下烘干70 min,烘干后取出,獲得汗液老化處理后的樣品;⑤多次汗液老化實驗即重復上述步驟。

2.3 性能測試與表征

2.3.1 外觀特征

在D65標準光源下,距離試樣0.5 m使用Canon EOS 80D數碼相機(日本佳能株式會社)進行拍照,鏡頭型號為EF-S18-135 mm,光圈值設定F 6.3,曝光時間1/20 s,感光度ISO-100,焦距18.0 mm。利用圖像分析法對汗液老化處理前后的試樣外觀變化進行分析。

2.3.2 色差測試

使用X-rite Ci7800分光光度儀(美國愛色麗公司)對試樣表面色彩值進行測量。利用CIE Lab色彩模型計算汗液老化后試樣與標準樣的色差值。參數設定為D65標準光源、25 mm光圈,測試前進行校準。

2.3.3 表面微觀形貌

將汗液處理前后的試樣進行噴金處理,采用荷蘭Phenom XL掃描電子顯微鏡(飛納公司)放大至400倍觀察試樣的表面微觀形貌。

2.3.4 反光性能測試

采用逆反射系數評價織物的反光性能。逆反射系數的定義為當入射角為α、觀察角為β時,回歸反射織物在單位面積、單位照度下所發出的光強度[11],原理如圖3所示。逆反射系數計算公式為:

圖3 逆反射原理示意圖

式中:R′為逆反射系數,cd/(lx·m2);Er為接受器的受照度,lx;Es為樣品的受照度,1x;d為樣品與接收器間的距離,m;A為樣品的表面積,m2。

采用STT-101A逆反射標志測量儀(北京中交工程儀器研究所)測量試樣逆反射系數,測量入射角5°、觀測角12°。初始試樣的逆反射系數如表4所示,根據GB/T 18833—2012《道路交通標志反光膜》,反光材料的逆反射系數應高于330 cd/(lx·m2)。

表4 初始試樣逆反射系數

3 結果與討論

3.1 外觀特征分析

在評級箱內對經過50次汗液老化前后的圖像進行采集,如圖4所示。酸堿汗液老化實驗后樣品表面呈現不同程度的斑駁,試樣3#和6#表面顏色變深,1#、2#、5#表面均有不同程度的泛白。樣品表面斑駁和泛白的原因可能是玻璃微珠及鋁層脫落、表面析出鹽結晶,鋁層氧化成氧化鋁,從而導致表面顏色的斑駁雜亂;而表面顏色變深則與鋁層氧化程度有關,氧化膜越厚,顏色越深。

圖4 酸堿汗液老化后試樣外觀圖像

3.2 色差分析

試樣經酸堿性汗液老化后的色差值如圖5、6所示。汗液老化后試樣表面顏色均出現一定的變化,隨著汗液老化次數的增加,試樣色差值相應增大。其中試樣3#色差值最大,經酸和堿性汗液老化后最大色差分別為12.16和8.03,CIE Lab值中L*值(亮度)降低較明顯,這與圖像分析法中觀察到的試樣3#在汗液老化后表面有明顯的變暗現象相一致。從實驗結果可以看出酸性汗液老化后色差值大于堿性汗液,說明酸性汗液對反光織物的影響大于堿性汗液。

圖5 酸性汗液老化后試樣的色差值

圖6 堿性汗液老化后試樣的色差值

3.3 表面微觀形貌分析

酸堿汗液老化50次后的樣品在掃描電子顯微鏡照片如圖7所示。酸堿汗液老化后試樣發生了表面微珠脫落、鋁層溶出、鹽結晶析出等現象。玻璃微珠脫落的原因是鋁層與汗液中的酸發生反應,削弱了黏合劑與微珠間的黏附作用,導致微珠脫落。1#、2#、4#、5#、6#存在鋁層溶出現象,2#和5#在堿性汗液老化后鋁層溶出較明顯。出現鋁層溶出現象的原因是在汗液老化的過程中微珠與熱熔膠間的鋁層發生了電化學腐蝕,在酸性汗液中鋁與鹽酸反應生成氯化鋁,在堿性汗液中鋁被氧化為氫氧化鋁;另外,鋁層在氯化鈉電解質液中發生電化學腐蝕形成氧化鋁。1#、2#、4#、5#、6#表面出現鹽結晶,其中5#在堿性汗液老化后鹽結晶析出現象最嚴重。出現鹽結晶析出現象的原因是汗液中的氯化鈉經烘干后析出結晶,結晶附著在玻璃微珠表面。4#和6#在酸堿性汗液老化后仍存在植株膜殘留現象。6#在酸堿性汗液老化后產生黏膠層裂痕,是由于微珠與黏膠層之間的鋁層氧化,氧化層變厚擠壓膠層造成一定的裂縫。

3.4 汗液對反光性能的影響

3.4.1 酸性汗液老化后的逆反射系數

酸性汗液老化實驗后試樣的逆反射系數結果如圖8所示,試樣的逆反射系數呈現先上升后下降的趨勢。在酸性汗液老化次數小于等于5時呈上升趨勢,熱轉移加工制造的反光布逆反射系數上升,可能由于表面殘留的植株膜在酸性汗液處理后有一定程度的溶解;而植株法工藝制造的反光布逆反射系數的上升,可能是酸性汗液將運輸儲存期間吸附的雜質溶解或洗凈,玻璃微珠表面更光亮。所有試樣逆反射系數在5～50次酸性汗液老化過程中均有下降,變化率為-12.86%～-2.97%。原因是酸性汗液中的鹽酸成分與試樣鋁層發生了化學反應,不僅對玻璃微珠表面光亮產生影響,同時也減弱了膠黏劑與玻璃微珠的黏附作用,使玻璃微珠更容易脫落。結合微觀圖像進行分析,隨著酸性汗液老化次數的增加,玻璃微珠與樣品的黏著性下降,最終脫落;另外汗液老化析出的鹽結晶附著在玻璃微珠表面,影響了其反光性能;再次,可能是因為鋁層的腐蝕造成了反光性能的下降。

圖8 試樣酸性汗液老化后的逆反射系數

基布為100%滌綸的4#試樣的逆反射系數下降率最小,為2.97%,以滌/棉混紡織物為基布的1#、2#、3#、5#、6#樣品的逆反射系數下降率較純滌綸織物更顯著,基布為滌/棉(65/35)混紡的6#下降率最大,為12.86%。原因是棉纖維作為天然纖維素纖維,吸濕性能較好,且耐無機酸的能力較弱,纖維素在稀鹽酸溶液中會水解;而滌綸對一般化學試劑性能較穩定。

3.4.2 堿性汗液老化后的逆反射系數

試樣堿性汗液老化實驗后的逆反射系數結果如圖9所示,與酸性汗液老化的結果相似。試樣的逆反射系數在堿性汗液老化1～5次期間呈上升趨勢;在大于5次老化實驗后,各樣品逆反射系數有所下降,但相對于酸性汗液老化下降較緩慢。其原因是堿性汗液老化實驗中,鋁及其氧化物與弱堿不易反應,玻璃微珠脫落情況較少;表面鹽結晶析出不嚴重,對試樣的反光性能影響較小。

圖9 試樣堿性汗液老化后的逆反射系數

對試樣進行配對樣本T檢驗,比較酸性和堿性汗液老化對試樣反光性能的影響。檢驗結果得到,試樣在酸性汗液老化后的反光性能與堿性汗液老化后有顯著差異(P<0.05),且酸性汗液老化下的反光性能低于堿性汗液,但所有試樣老化50次后的逆反射系數仍符合標準。

4 結 論

本文探討了酸堿汗液對玻璃微珠反光材料性能的影響,結論如下:

①反光材料汗液老化后呈現了不同程度的斑駁和泛白,部分試樣顏色變深;試樣表面發生了微珠脫落、鋁層溶出、鹽結晶析出等現象。

②試樣的逆反射系數隨酸堿汗液老化次數的增加先提升后下降,酸性汗液對材料反光性能的影響大于堿性汗液。汗液老化次數小于等于5次時,因汗液對微珠表面植株膜和雜質的溶解與清潔,樣品的反光性能有不同程度的升高;汗液老化次數大于5次后,試樣的反光性能逐漸下降。經過50次酸性汗液老化后,試樣逆反射系數變化率為-12.86%～-2.97%;但所有試樣經50次酸堿汗液老化后的反光性能依然滿足標準。