光照與紡織材料色差的關系研究

張榮

（航宇救生裝備有限公司，湖北襄陽441003）

0 引言

對技術性能要求較高的特紡材料常被應用于特殊的、惡劣的工作環境中。航空救生領域裝備產品的主體是柔性紡織材料，而復雜的使用條件和工作環境對其所用的紡織材料性能和品質必然有著特殊的要求。因此，這種對材料的依賴性使得高性能救生裝備對特種紡織材料提出了更高的要求，也意味著每次航空救生裝備技術的重大突破都與新材料的應用密不可分。

耐光照性能是航空救生領域裝備產品戰術技術指標中必不可少的一項內容。個體防護救生裝備、軍用傘及空投空降裝備產品采用的特紡材料的品種和類別較多，但大部分材料對日光的照射非常敏感，因為日光能夠促使纖維的活化能增加，使得材料的氧化速度加快，最終導致材料老化加劇。通常特紡材料在日光直接照射后會出現色澤泛黃、手感變硬、斷裂強力減小和彈性下降的現象。

本文以飛行員個體防護救生裝備、軍用傘和空降空投降落傘等裝備對于主體所用的特紡材料的可靠性設計準則為研究方向，結合航空救生裝備在光照環境下的使用工況，對主體特紡材料的耐光照性能進行研究。為了建立太陽輻射總量與材料色差（外觀色澤變化）兩者之間的對應關系，研究人員主要對試驗原理和試驗步驟的設計、試驗驗證、數據整理和結果分析等方面進行研究，希望研究結果可為設計人員在今后的選材、產品故障分析、產品定壽和延壽等方面提供數據支持和參考。

1 試驗

1.1 試驗原理

在規定的光照環境條件下，對特紡材料試樣進行暴露試驗，讓其經受陽光的照射作用。然后按照預先設定的暴露期限定期檢測特紡材料試樣外觀的色差變化，通過灰色樣卡和色差儀定量測定相結合的方法評價材料的耐光老化性能，并對光照因素的影響及其作用機制進行分析。

1.2 試驗方法

試驗時在室外大氣下直接進行暴露試驗，并使暴露面朝正南方向，與地平面成45°傾角，試驗架下端離地高度高于500 mm。試樣擺放形式見圖1。

圖1 自然曝曬試驗狀態

1.3 色差評價

試樣放置在試驗箱中接受自然曝曬試驗，每月各取樣一次，先用灰色樣卡評級，做出初步判斷，再采用色差儀定量測定試樣色差，對其外觀變化情況進行評價。

1.4 試驗材料

特紡材料作為航空飛行員個體防護救生裝備和空降空投產品的主要材料，使用范圍十分廣泛。不同產品的使用壽命與其所用特紡材料的耐光照性能密切相關。對產品的具體使用部位和環境條件進行分析，選出15種具有代表性的材料，并確定了相應表征耐光性能的試驗項目。參與自然曝曬試驗的這些材料，基本涵蓋了公司產品所用特紡材料的主要材料類別，涉及面廣，代表性強，體現了以點帶面的特點。參試材料詳見表1。

表1 參試材料

1.5 氣象條件監測與記錄

試驗場氣象條件較穩定，年間的氣象因素變化很相似，有季節性的暴風雨、高溫、高濕、充足的降雨量等氣候特點。其中：年均氣溫約為24℃，每年最熱月份的最高氣溫平均約為34℃，最低氣溫平均約為25℃，年降雨量一般超過2 000 mm，年均相對濕度為85%，年日照時間為2 055 h，年太陽輻射量約為5 400 MJ/m2，是典型的東南亞濕熱帶環境氣候。

按照預先設定的試驗方案，對15種材料進行了全天候自然曝曬試驗，室外自然曝曬時間為4～12個月。在試驗期間需要按月份記錄當地的氣象條件數據，包括溫度（最高值、最低值和平均值）、相對濕度（最低值和平均值）、平均氣壓、降雨量、太陽紫外輻射總能量、太陽輻射總能量等。

2 結果與討論

2.1 外觀總體評價

參與試驗的15種材料樣品經過室外自然耐光曝曬，試驗周期由材料的耐光照性能進行確定。一般在4～12個月后，通過灰色樣卡和色差測試儀相結合的方法，可以獲得各種試樣的外觀耐光性能評定結果，詳見表2。

表2 參試材料外觀總體評價

2.2 色差評定

在試驗前利用色差測試儀器獲得各樣品的L*、a*和b*值，作為原始樣品的色澤數據，并將原始樣品密封避光保存。在定期取樣后，將原始樣品與來樣進行色差判定，獲得ΔE*ab值。

本試驗以“輕質高強抗燃織物”（簡稱“1號試樣”）為例，對試驗前和試驗后樣品的外觀變化情況進行分析。結果發現，在試驗終止后，試樣的外觀顏色變化非常明顯，且嚴重變淺，詳見圖2。

圖2 輕質高強抗燃織物試驗前后對比

2.3 太陽輻照總量對樣品色差值的影響

本次參試材料的原料成分基本涵蓋了公司航空救生裝備產品用特紡材料的主要品種。光照是導致特紡材料老化的主要因素之一，特紡材料在日光直接照射后外觀一般會出現色澤泛黃、手感變硬等現象。

在試驗過程中，不僅獲取了各參試材料不同周期的外觀色澤變化的色差ΔE*ab值，同時對試驗期間的氣象情況進行了監測，主要氣象數據包括太陽總輻射量、紫外光輻射量和降雨量等，其中太陽總輻射量、紫外光輻射量是面向正南方與地面成5°傾角接收的直接曝曬輻射值。

仍以輕質高強抗燃織物為研究對象，對太陽輻照量與樣品色差之間的關系進行研究，試驗所得的具體數據詳見表3。由表3可知：隨著試驗周期的延長，紫外光輻射量和太陽輻射量都逐漸增加，對試樣外觀顏色的影響也逐漸增大（可通過色差ΔE*ab值來表現）。

2.4 數據分析

本試驗研究時是將試樣放置于玻璃箱內，全天候室外曝曬，且試驗的結束是以試樣拉伸斷裂強力下降到曝曬前試樣拉伸斷裂強力的50%為準。研究發現，在試驗過程中，氣溫、相對濕度、平均氣壓、降雨量等對試驗結果的影響程度較小，太陽輻射總能量，包括紫外光輻射量是引起試樣外觀和內在性能變化的主要因素。整理試驗數據，做出散點圖，詳見圖3和圖4。

圖3 太陽輻射總能量對1號試樣色差的影響

圖4 紫外光輻射量與對1號試樣色差的影響

由圖3和圖4可以看出，隨著太陽輻照量的增加，紫外光的輻射量也在逐漸增加，輕質高強抗燃試樣的外觀顏色的變化程度也在進一步加深，且在1～6個月時間段試樣的外觀顏色變化與太陽輻射量近似呈現線性關系，后續可進一步進行數據整理，推算出回歸方程。

2.5 結果應用

根據試驗所得試樣的外觀色差ΔE*ab值隨太陽輻照量增加而不斷增加的數據及變化曲線圖，可建立相應的數據庫。

作為飛行員個體防護裝備、軍用傘和空降空投降落傘的功能主體，特紡材料在產品使用期間應能經受高空太陽輻照、地面全天候等環境的考核。飛行時間（小時）是飛行員個體防護裝備使用壽命的技術指標，可根據當地區間氣象資料顯示的太陽輻照量推算出特紡材料色差的變化程度及可接受度。因此，本項目的研究成果可為產品壽命的制定、故障分析等提供數據參考。

3 結論

（1）耐光性能是飛行員個體防護裝備、軍用傘和空降（或空投）降落傘的功能主體特紡材料的一項重要性能指標，對產品的耐環境性和使用壽命影響較大。

（2）通過對特紡材料采用室外全天候自然曝曬試驗，并按規定時間采集所需的試樣數據，可得到特紡材料外觀顏色（色差）隨太陽輻照量增加而變化的趨勢情況，即：隨著曝曬周期的延長，太陽輻射量逐漸增加，特紡材料的外觀顏色逐漸變淺，直至嚴重褪色。

（3）本次研究結果可為設計、工藝和試驗人員提供技術支持，也可為產品設計和故障分析提供數據參考。