光致變色紡織品的檢測方法

趙博研， 趙玉珠

(上海市質量監督檢驗技術研究院纖維檢驗所， 上海 200040)

隨著科學技術的不斷進步，高科技功能性紡織品應運而生并迅速發展[1-2]，其中光致變色紡織品因其無味無毒，具有新穎的視覺沖擊和特定的指示功能而備受關注[3]。光致變色是指材料在適當波長的光照射下進行特定的化學反應或物理效應，由于結構變化導致吸收光譜發生明顯變化而變色，當光線消失又恢復至原有顏色的現象[4-5]。這類材料具有色彩可逆、變色速度快、色彩鮮明以及激發易得等特性[6-7]，在紡織品領域應用廣泛。

目前，在我國紡織品銷售市場上，已商品化的光致變色紡織品包括變色T恤、變色袖套、變色皮膚衣、變色晴雨傘等數十種形式，擁有良好的發展前途和廣闊的應用前景。文獻[8-9]將微膠囊技術引入光致變色材料中，解決了變色材料在空氣中易變質的問題，應用于紡織品中可獲得耐久性更好的產品。文獻[10-11]通過將光致變色材料和儲能材料相結合，成功開展了對功能性復合材料的研究。

目前，關于光致變色紡織品的檢測方法和評價指標的研究較少，以往研究中通常采用室外自然光照射、拍照成像的方式以評價不同光致變色產品的變色性能。自然光易受天氣影響，難以標準化，因此，建立一個針對光致變色紡織品可靠的檢測方法具有現實意義。本文以商品化的光致變色紡織品為研究對象，模擬光致變色的激發環境，確定條件參數測定變色性能，建立了光致變色紡織品的檢測方法，以期為相關企業和研究人員開發和設計新產品提供參考。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

光致變色紡織品：選取6種商品化的光致變色紡織品作為實驗樣品，編號1#～6#如圖1所示，樣品均為市購。實驗前在GB/T 6529—2008《紡織品 調濕和試驗用標準大氣》規定的標準大氣下調濕至少12 h。

太陽光模擬系統：CEL-S500型氙燈光源系統，北京中教金源科技有限公司；YS3060型手持式分光測色儀，深圳市三恩時科技有限公司。

圖1 光致變色紡織品樣品Fig.1 Photochromic textile samples before (a)and after(b)discoloration

1.2 測試與表征

1.2.1 光源的選擇

采用GB/T 6495.3—1996《光伏器件 第3部分：地面用光伏器件的測量原理及標準光譜輻照度數據》中規定的標準太陽光譜，相應于AM1.5光譜分布，輻照度為1 000 W/m2。

陰俊等[12]曾對上海地區2001～2003年地面紫外線輻射強度(290～400 nm)進行觀測，輻射強度在夏季7月達到最高，為47.4 W/m2，與標準太陽光譜305～400 nm之間的輻照度(46.17 W/m2)基本一致，輻射強度在冬季12月降到最低，為20.7 W/m2，約為標準太陽光輻照度的一半，因此，本文實驗分別使用1 000和500 W/m2標準太陽光模擬我國夏季和冬季的實際氣象狀況。

使用配備AM1.5濾光片的氙燈光源可穩定準確模擬太陽光譜，其光譜對比圖如圖2所示。分別調節氙燈光源的激發電流和工作距離獲得實驗所需的太陽光輻照度。本文實驗使用20 A激發電流，13.5 cm的工作距離，得到穩定的1 000 W/m2輻照度； 使用15 A激發電流， 16.5 cm的工作距離，得到穩定的500 W/m2輻照度。

1.2.2 色差的測量

將具有光致變色性能的紡織品樣品放置在作為激發光源的輻照度為500和1 000 W/m2標準太陽光下照射 5～300 s，在試樣發生變色后，分別通過人眼和儀器測定照射后的實驗樣品與標準樣品之間的變色色差，然后撤掉激發光源并遮光保存5～30 min，使其恢復至初始狀態，測量其恢復色差。

儀器檢測方法：使用手持式分光測色儀，在4 mm檢測口徑，D65標準光源、10°視場角、紫外光關閉(UV off)條件下，測定光致變色樣品變色前后的CIE三刺激值，依據GB/T 32616—2016《紡織品 色牢度試驗 試樣變色的儀器評級方法》，計算樣品顏色變化ΔEF及對應變色灰卡級數GSc。測量時間為1 s，測試3次，結果取平均值。

人眼評級方法：在TL84標準光源下，使用紡織品評定變色用灰色樣卡，通過人眼判定光致變色樣品變色級數。測量時間為1～2 s，測試3次，結果取平均值。

D65光源在紫外和近紫外區有一定能量輻射，會誘發樣品輕微變色，因此，儀器測量需關閉UV光；人眼判定時使用TL84標準光源，雖然2種方法選用光源不一致，但色差測量仍具可比性。

1.2.3 顏色恢復速率的計算

顏色恢復速率的計算公式為

式中：ΔEF1為樣品被照射300 s時的顏色變化；ΔEF2為樣品被照射300 s后撤掉激發光源10 s時的顏色變化。

2 結果與討論

2.1 照射時間對顏色變化的影響

將本文實驗選取的1#～6#樣品分別放置于已調至1 000 W/m2標準太陽光輻照度的氙燈光源下，使用手持式分光測色儀分別測定照射5、10、15、20、40、60、80、100、120、180、240和300 s時樣品與未照射時的顏色變化ΔEF，結果如圖3所示。

由圖3可知，光致變色樣品受到太陽光照射后，起始階段顏色快速變深，達到最高峰后開始變淺并逐漸達到穩定。光致變色能級圖如圖4所示。基于該圖和Stokes定律[13-14]，光致變色材料A逐漸吸收激發光源(紫外-可見光)的能量，發生結構方式或電子能級的變化，形成吸收光譜不同的材料B，從而完成顯色反應，表觀上即顏色的逐漸加深。由于材料B處于熱力學不穩定狀態，且光致變色過程為可逆過程，存在著平衡極限，A受照射后逐漸達到與B之間的平衡狀態，ΔEF曲線趨于水平。由圖3可以看出， 1#～6#樣品均在照射180 s(3 min)后達到穩定，以此確定實驗的照射時間為300 s(5 min)，該時間下樣品既完成充分變色，又避免過度老化，同時實驗可操作性強。

分析樣品的變色過程，受到光源激發后，樣品的初始變色速度極快：如果高峰值較早出現，無法捕捉到其最初發生變色到高峰值的完整過程，說明變色較快；相反，如果高峰值出現較晚，則說明變色相對較慢。通過上述ΔEF的動態測量可實時掌握變色過程，以此為依據，可相對得出1#～6#樣品的變色快慢順序為：4#>5#>1#>3#>2#>6#。

2.2 太陽光輻照度對顏色變化的影響

為進一步研究不同太陽光輻照度對光致變色紡織品的變色和恢復過程的影響，分別使用1 000和500 W/m2的輻照度激發樣品5 min，之后撤掉激發光源遮光保存5 min，測定整個過程中光致變色紡織品的顏色變化ΔEF，結果如圖5所示。

圖5 不同光致變色紡織品1 000和500 W/m2輻照度下ΔEF趨勢圖Fig.5 ΔEF trend graph of different photochromic textiles under 1 000 and 500 W/m2

由圖5可知，不同強度的太陽光不會影響光致變色紡織品的變色和恢復過程，其趨勢基本保持一致，但較高輻照度下的ΔEF明顯高于較低輻照度下的數值。原因在于較高輻照度下反應較為充分，樣品的呈色體相對較多，顏色更深。市場上的光致變色紡織品絕大多數以輕薄T恤和遮陽傘為主，常于夏季穿著和使用，選擇標準太陽光1 000 W/m2作為光致變色紡織品的標準光源具有現實意義。

撤掉激發光源后，光致變色樣品即快速恢復原有顏色，在圖5中表現為曲線最大轉折處。將310 s時測得的ΔEF數值與300 s時的ΔEF數值的變化率作為樣品恢復速率的相對表征函數，按照顏色恢復速率計算的結果如表1所示。可相對得出1#～6#樣品的恢復快慢順序為：4#>5#>1#>6#>2#>3#。與變色速率相比，變色快的樣品其恢復速率也較快，變色與恢復的趨勢基本一致。

表1 光致變色紡織品恢復速率測試結果Tab.1 Recovery rate of photochromic textiles

2.3 恢復時間對顏色變化的影響

為進一步研究樣品的恢復能力，在照射5 min后遮光保存樣品5、10和30 min，并分別通過人眼和儀器進行變色色差和恢復色差的測量，結果如表2所示，其對應的變色灰卡級數GSc如表3所示。

表2 不同保存時間下樣品的人眼與儀器評級對比表Tab.2 Comparisons of eye and instrument ratings for samples at different storage time 級

表3 顏色變化ΔEF與變色灰卡級數GSc對應表Tab.3 Discoloration ΔEF and gray scale GSc

由表2可知：2#樣品因花型不連續，染色和變色效果不均勻，導致2種評級方式的差異相對較大；其余樣品的人眼評級與儀器評級差別均小于半級，5#樣品的評級結果甚至完全一致。原因是儀器評級可對所選部位進行精準測定，但受口徑大小限制，人眼評級視野較大，變色級數具有整體性和宏觀性。

樣品照射5 min與遮光保存30 min時，人眼與儀器評級的重合度較好，而遮光保存5、10 min時，人眼評級結果普遍大于儀器評級結果。原因是儀器測定的ΔEF數值與變色灰卡級數相對應時，中間區間變化最為靈敏(見表3)，而人眼此處的分辨能力較弱。

為匹配人眼與儀器評級，兼顧光致變色樣品在日常使用時的狀況，確定光照撤離后遮光保存30 min測定其恢復色差，作為其最終恢復能力的判定參數。

2.4 光致變色紡織品檢測結果

根據上述實驗結論，確定光致變色紡織品的檢測方法條件參數為：標準太陽光源1 000 W/m2，照射時間5 min，恢復時間30 min，分別通過人眼和儀器評級確定光致變色紡織品的變色色差和恢復色差，其中儀器評級后可給出模擬色，結果如表4和圖6所示。可以看出，6個被測樣品中有5個樣品的人眼和儀器檢測結果完全一致，該方法可提供可靠的變色性能檢測數據和直觀的模擬色。

表4 光致變色紡織品人眼和儀器評級結果Tab.4 Human eye and instrument assessment of photochromic textiles 級

圖6 模擬色對比圖Fig.6 Comparison diagram of color simulation. (a)Before discoloration；(b)After discoloration；(c)Restoration color

3 結 論

1)采用手持式分光測色儀動態測量光致變色紡織品的顏色變化數值ΔEF，研究光致變色紡織品的變色和恢復機制。結果表明：樣品受光照射后，顏色變化(ΔEF)先上升后下降，于3 min左右達到穩定；太陽光輻照度不會影響樣品的變色與恢復過程。

2)結合實際應用，確定了光致變色紡織品檢測方法的條件參數為：使用AM1.5濾光片，輻照度數值為1 000 W/m2，照射時間5 min，遮光恢復時間30 min。

3)分別采用人眼和儀器測量光致變色紡織品的變色色差和恢復色差，2種評級方法得出的數據結果基本一致，實驗方案有效可靠，操作便捷。

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