蓄光織物的性能及應用

邵月冰, 宋曉霞

(上海工程技術大學 紡織服裝學院,上海 201620)

隨著經濟的發展和生活水平的不斷提升,人們對服裝功能和外觀有了更高的要求。蓄光織物是一種兼具安全警示功能和特殊視覺效果的新型織物,只需可見光、紫外光照射10 min,就可以在夜晚自行發光10 h。蓄光織物利用電子的能級躍遷發光,即吸收一定可見光能量,從而在無光時實現持續發光[1-2]。蓄光織物不僅具有安全警示功能,還有非常高的附加值,其在多個領域都有應用,如建筑裝潢、交通運輸、軍事設施、家居生活等。為了梳理蓄光織物的優點和不足,探討其未來發展空間,文中總結了發光材料的發展歷程、蓄光纖維和織物的制備過程,分析織物性能的研究現狀及市場應用情況,以期為蓄光織物的后期發展提供一定參考。

1 蓄光織物用發光材料及織物的制備

1.1 蓄光織物用發光材料

蓄光織物發光是源于其中的發光材料。發光材料經過多年技術更迭,已歷經3代:第1代發光材料中含有鐳元素,具有輻射性,對人體有害;第2代發光材料是硫化物,具有毒性、放射性,發光亮度較低,發光持續時間較短;第3代發光材料即現在廣泛使用的蓄光型發光材料,發光性能得到了大幅提升[3]。3代發光材料對比情況見表1。

表1 3代發光材料對比

1.2 蓄光織物的制備

依據制備方式的不同,蓄光織物可以分為蓄光纖維織物和蓄光涂層(印花)織物。蓄光纖維織物是以長余輝發光材料(稀土離子為激活劑,堿土鋁酸鹽為基體制備而成)[7]為原料,以滌綸、錦綸等纖維為基材制成蓄光型光致纖維,再經過特種紡絲工藝加工而成[8];蓄光涂層(印花)織物是在發光材料中加入成膜物質和助劑制備成涂料后,在織物表面進行整理制備而成[9]。

2 蓄光織物的性能

2.1 發光性能

發光性能是指織物處于絕對黑暗的條件下持續發光的性能,也稱為余輝性能。影響織物發光性能的因素可分為織物因素、光源因素和外界服用環境因素。這些因素均在不同程度上削弱了織物的發光性能,因此如何降低這些因素對織物發光性能的削弱作用值得探討。

2.1.1織物因素 影響織物發光性能的織物因素有發光材料、有色顏料(織物顏色)、熒光顏料、纖維基質、織物的組織結構和密度。

1)發光材料的影響。不同發光材料會產生不同的發光顏色,例如,摻雜銪和鏑的鋁酸鍶(SrAl2O4：Eu2+,Dy3+)為黃綠色;摻雜銪和釹的鋁酸鈣(CaAl2O4：Eu2+,Nd3+)、摻雜銪和釹的鋁酸鋇(BaAl2O4：Eu2+,Nd3+)、摻雜銪和鏑的硅酸鈣鎂(CaMgSi2O7：Eu2+,Dy3+)、摻雜銪和鏑的硅酸鍶鎂(Sr2MgSi2O7：Eu2+,Dy3+)均為藍色;摻雜銪和鏑的鈉鈣錫鍺氧化物(Na2CaSn2GeO12：Eu3+,Dy3+)為橙紅色;摻雜銪的氧化硫化釔(Y2O2S:Eu2+)、鈣鈦礦(CaTiO3)、摻雜錳和釹的硅酸鎂(MgSiO3：Mn2+,Nd3+)均為紅色;摻雜銪和鏑的鍶鋅硅氧化物(Sr2ZnSiO7：Eu2+,Dy3+),摻雜銪和鏑的鍶鋁氧化物(SrAl2O4：Eu2+,Dy3+)與摻雜銪、鎂、鈦的氧化硫化釔(Y2O2S:Eu2+,Mg2+,Ti4+)混合為白色。

2)有色顏料、熒光顏料的影響。EBRAHIMZADE A等[10]采用不同量的SrAl2O4：Eu2+,Dy3+作為發光劑,熔紡了發光聚丙烯纖維,并制成針織物,分別用分散染料、酸性染料和堿性染料染色。結果表明,染料會影響染色蓄光織物的余輝強度,可染性的提高使發光強度減弱。閆彥紅[11]通過實驗得出,有色顏料對蓄光纖維的發光亮度影響較大,顏料的添加降低了蓄光纖維的發光亮度,顏料顏色的明暗程度對蓄光纖維的發光亮度影響較大。ZHU Y N等[12]以稀土鋁酸鍶為稀土發光材料,以成纖聚合物為基體,制造了含有不同光轉換劑的發光纖維,研究了光轉換劑對纖維發光性能的影響。研究表明,制造過程沒有破壞纖維中的SrAl2O4：Eu2+,Dy3+,聚合物基體也沒有與SrAl2O4：Eu2+,Dy3+反應,保證了纖維中SrAl2O4：Eu2+,Dy3+的發光特性。LI J等[13]用稀土鋁酸鍶(SrAl2O4)制備了發光非織造布,使用印染技術用發出紫色光的光敏材料處理,結果顯示,織物的發光特性在印刷過程中發生了變化。LI J等[14]還用多色熒光顏料和SrAl2O4：Eu2+,Dy3+發光材料制備了發光涂層織物,結果顯示,藍色熒光顏料對涂層織物的亮度影響較大,使用黃綠色熒光顏料時,初始亮度較低,余輝亮度損失較大,但是涂層織物的初始亮度增加。

綜上所述,不同種類、不同顏色的顏料會在不同程度上降低織物的發光性能,但是光轉換劑對織物發光性能沒有影響。因此,可以通過添加光轉換劑等方法實現織物的顏色變換,降低顏料對織物發光性能的影響。

3)纖維基質、織物組織結構和密度的影響。閆彥紅[11]通過實驗表明,纖維基質對蓄光纖維的發光亮度影響較大,相對錦綸6蓄光纖維而言,滌綸蓄光纖維的發光亮度明顯下降。李婧等[15]通過實驗得出,采用白色蓄光繡線繡制的機繡織物發光亮度最大,彩色繡線繡制的織物發光亮度相對較低,且發光亮度由高到低依次是黃色>綠色>藍色>紅色。郭雪峰等[1]通過實驗得出,在其他條件相同的情況下,羅紋組織蓄光織物的發光亮度比雙反面組織和緯平針組織的蓄光織物強,且發光亮度隨織物組織密度的增大而增大。于景超[16]運用模糊數學綜合評判的方法,得出1+1羅紋組織的綜合性能最優。LI J等[17]采用計算機輔助繡花機制作蓄光面料,結果表明,針距的大小與織物的發光強度成反比,采用榻榻米針的織物具有最大的余輝強度,與不疊縫的織物相比,疊縫的發光織物亮度更高,發光時間更長,發光穩定性更好。

綜上,可以拓寬纖維基質的研究種類,找到發光性能相對更優的纖維基質;不同組織結構織物的發光性能不同,組織結構越密集、越厚實,織物的發光性能越好,因此可以挖掘更多組織結構的蓄光織物,在保證發光性能的前提下,盡可能提升織物的美觀性。

2.1.2光源因素 影響織物發光性能的光源因素有光源種類和激發時間。袁志磊等[18]通過實驗得出,光源、激發時間和水洗都對織物的發光性能有影響,在相同光照強度下,用D65光源激發的初始亮度最大,其次為 CWF光源、A光源,F光源激發的初始亮度最低;初始亮度隨著激發時間的延長逐漸增強,20 min后達到飽和。由此得出,在進行織物發光性能實驗時,要注意光源種類和激發時間這兩個變量,保證光源種類不變,光源激發時間保持在20 min左右即可。

2.1.3外界服用環境因素 影響織物發光性能的外界服用環境因素有摩擦、酸堿處理、紫外輻射、水洗和皂洗。蓄光涂層織物經過干摩擦處理后,發光材料會不同程度地從織物上脫落,使其發光性能變差[19];YAN R S等[20]制備的發光浸涂織物經過穿著、儲存、光能釋放、皂洗、晾干的反復循環后,發光亮度略有下降。袁志磊等[18]通過實驗發現,經過洗滌的蓄光纖維織物和涂層織物的發光性能都有不同程度的下降。閆彥紅[11]通過實驗發現,酸堿處理、紫外輻射及水洗對蓄光纖維的發光亮度稍有影響。

因此,應深入探討如何降低摩擦等外界環境因素對蓄光織物發光性能的影響。此外,在使用蓄光織物產品的時候,需要注意產品的養護,盡量減少摩擦和洗滌。

2.2 光色性能

影響織物光色性能的因素有纖維顏色、有色顏料顏色的色相和光轉換劑。江南大學[21]研制出11種不同顏色的稀土蓄光纖維發光紡織面料,以及發光毛絨玩具等蓄光纖維發光制品。孫理等[22]研究了蓄光材料在不同織物上的發光性能,將藍色涂料blue K-BC、黃色涂料yellow K-RC、熒光綠G以及熒光橙F-GRN 加入夜光粉中獲得光色效果。閆彥紅[11]研究了蓄光纖維顏色與光色的關系,分析了有色顏料的添加對蓄光纖維光色性能的影響。結果表明,蓄光纖維的色相由所添加有色顏料顏色的色相決定;有色顏料的添加量影響蓄光纖維顏色的純度;蓄光纖維的光色均落于人眼比較敏感的黃綠光區域,人眼對白色蓄光纖維敏感程度最高,其次是黃色、綠色、藍色和紅色。ZHU Y N等[12]研究表明,通過摻入不同的光轉換劑,蓄光纖維的發射顏色可以很容易地從黃綠色調到橙紅色。然而蓄光織物的光色性能還存在一定的局限性。李松坤等[23]介紹了綠、藍、紅、白色長余輝發光材料的成分和制備,指出為擴大長余輝發光材料的應用范圍,需進一步豐富材料的發光顏色。呂艷玲[7]指出,目前綠光和藍光的長余輝發光材料可達商用的要求,但紅色長余輝發光材料的發光性能有待提高。蘆博慧等[24]指出,綠光和藍光蓄光纖維的制備已經比較成熟,但余輝性能較好的紅光蓄光纖維的制備技術還不成熟。湯曄[25]提到,目前綠色長余輝材料的綜合性能可達到商用要求,但其余發射波段的長余輝發光材料(特別是紅色長余輝材料)均未能達到大規模商業要求,事實上即便是綠色長余輝發光材料,其性能也有待改進。綜上得出,目前能夠大規模商業化的蓄光纖維光色較為單一,多色蓄光纖維和多色發光材料的制備技術還不夠成熟。因此,需開發光色更豐富且可大規模商業化的蓄光纖維,提高制備蓄光纖維和多色發光材料的技術。

2.3 環保性能

蓄光型發光材料十分珍貴,目前已經研究出很好的回收方案,實現蓄光織物的高可回收性。ZHU Y N等[26]采用醇解法從發光聚酯織物中回收了SrAl2O4：Eu2+,Dy3+發光材料,結果表明,在一定條件下聚酯發光織物可基本降解,通過在回收的發光材料中加入乙二醇和Zn(AC)2·2H2O,再放入氮氣中加熱,可獲得高純度的發光材料。蓄光纖維的制作過程非常環保,無需進行染色,避免了染色廢水的污染。

目前應用最廣泛的是稀土鋁酸鹽的蓄光型發光材料,以此制備的蓄光織物沒有輻射,沒有放射性,沒有毒性,對環境友好,對人體無害,且蓄光織物可無限循環使用,可儲存太陽能實現夜晚發光。太陽能是清潔能源,無需用電,可節約能源,符合國家倡導的可持續發展要求[27]。

2.4 服用性能

消費者對蓄光織物服用性能和熱濕舒適性的要求較高。宋爍瑩[28]對夜跑服的產品需求進行了問卷調查,得出消費者對夜跑服的需求依次是吸濕透氣、易洗快干。

蓄光織物的服用性能較好。傳統蓄光織物涂層不透氣[29],對服裝的熱濕舒適性有較大影響。于景超[16]設計并開發出6種蓄光纖維針織面料,并對染色后的面料進行測試,測試結果表明,面料具有優異的服用性能和發光性能,適宜開發針織面料。高雪妮等[30]通過實驗得出,蓄光纖維的單纖強力比較高,有利于其紗線的加工和生產,也利于混紡加工;蓄光纖維紗線既耐酸也耐堿,但不耐強堿,所開發的空氣層組織面料厚實挺括,適合針織時裝內衣及毛衫的開發。王偉等[31]制備的PET蓄光纖維不僅具有較強的發光亮度,也具有較大的斷裂強度。陸艷等[32]設計制作了蓄光機織面料,測試了面料的性能,結果顯示,稀土夜光顆粒的加入可有效提高織物的抗紫外線性能和發光亮度,但略微降低了纖維的力學性能。陳嘉毅等[33]制作了兩種蓄光雙層機織面料,結果顯示,純蓄光纖維面料的耐摩擦性能、拉伸性能及抗褶皺性相較于混紡面料稍差,但發光亮度明顯更高。孫理等[22]將多種顏色的涂料加入夜光粉中,制備成色漿后在織物表面進行印刷,測試結果表明,織物的色牢度能滿足基本服用要求。

綜上,蓄光織物可以較好滿足服用性能的要求,但是當前對蓄光型發光材料和蓄光纖維的研究較多,對其所制夜光服裝的研究較少,且消費者對夜光服裝熱濕舒適性的要求較高,因此可圍繞夜光服裝的熱濕舒適性,研發舒適性良好的夜光服裝。

3 蓄光織物及材料的應用

蓄光織物及材料的應用領域非常廣泛,它所具備的夜光性能可以在諸多場景上得到應用,如夜間工作、家居娛樂等。雖然蓄光織物存在一定的局限性,在較強光照條件下,發光效果較差,但是它在特殊場景下仍具有很強的功能性,且它附加值高,未來的發展空間廣闊。

3.1 服裝領域的應用

蓄光織物具有很強的安全警示功能,在服裝領域有廣闊的發展空間,可以應用于寵物服裝與配飾、潮流服裝、演出服、消防服、戶外運動服、航空航天服等。

李佳玉[34]使用蓄光紗線、普通棉、滌綸紗線等制作了夜光寵物服裝與配飾(見圖1),方便主人及時找到愛寵。蓄光織物夜晚發光的性能可以呈現出新奇的效果,如夜光鞋帶、夜光針織帽、夜光T恤等(見圖2),引起消費者尤其是年輕人的興趣。蓄光織物還可以應用在舞臺表演者的演出服上,呈現出特別的舞臺效果,為舞蹈、小品、話劇等藝術創作提供了更多的可能性,豐富其藝術表達。在夜間救援、消防過程中,救援者更容易發現穿著夜光服裝的求救者,從而快速實施救援,保障人員安全。此外,蓄光織物還可以應用于航海員的工作服上,一旦發生海難,發光的工作服可以使航海員更容易被救援人員發現。國際海事局曾作出相關規定,凡是在遠洋輪上的工作服必須有夜光標記[35]。

圖1 夜光寵物服裝與配飾

圖2 夜光潮流T恤

然而分析服裝市場現狀,發現蓄光材料大多以涂層的方式實現,可能是因為涂層操作簡單;另外,蓄光織物主要應用于潮流服裝和戶外兒童服裝上,在高端服裝領域極少見,在服裝市場存在一定局限性,分析原因如下。

1)稀土資源大部分分布在中國[36],因此相對而言,國外研發人員缺乏對稀土的了解。歐美地區在全球時尚領域有較高的話語權,蓄光織物缺少歐美研發人員的關注,因而其在國際服裝市場上存在局限性。

2)蓄光織物雖然在夜晚無需光源就可以自行發光,但是在有光照的情況下,發光亮度難以被肉眼察覺。蓄光織物在夜晚都市街道的燈光下發光效果較差,遠不如反光材料的效果好。反光材料在交通運輸領域應用廣泛,因為夜晚的車燈光照強度非常大,經反光材料反射后的光線非常醒目,而蓄光材料在強光下發光亮度低;但是在較為黑暗的條件下,蓄光織物可以發光,反光條則不行,因此在進行夜跑服等服裝設計時,可以將蓄光織物和反光條相結合。

3)蓄光織物的光色較為單一,制造商沒有掌握較為成熟的制備多色蓄光織物的技術,因此蓄光織物沒有受到商家和設計師的青睞。

3.2 家居領域的應用

蓄光織物可以應用在家居領域,如夜光兒童窗簾(見圖3),通過夜間發光營造趣味性及氛圍感,并能起到夜間尋物的作用。蓄光織物在毛絨玩具上也有很好的應用(見圖4),能為怕黑的兒童在夜晚睡覺時提供一點光亮,使兒童更有安全感。2010年上海世界博覽會吉祥物——海寶就是由蓄光織物制作而成,受到了國內外游客的廣泛關注。

圖3 夜光兒童窗簾

圖4 夜光毛絨玩具

3.3 工業產品的應用

蓄光織物可以應用在夜間軍事訓練的降落傘等軍事裝備上,提升訓練安全性[35];應用在野戰部隊中,如衛生包上,以便衛生員在無光的環境中快速實施衛勤保障[37];還可以應用到夜間救援領域,如救援繩索(見圖5)、消防器材等,以更好地保障人員安全。在日本等漁業發達的國家,蓄光纖維已經被制作成夜光漁網投入實際生產中[38],中國也有很多用蓄光材料制備的產品,如誘魚夜光珠、夜光魚漂、釣魚夜光棒、夜光假餌等(見圖6),這些產品都是利用魚類、蚯蚓等生物的趨光性,達到提高捕撈量的目的。

圖5 夜光救援繩索

圖6 夜光假餌

蓄光型發光材料還可以應用在室內外裝潢、公路工程方面。蓄光陶瓷的發光顏色多種多樣,可適用于室內外裝飾材料[39],如地磚、條磚、腰線磚、墻磚等,既美化家居環境,又方便人們夜晚時在房間內活動,避免發生意外傷害。蓄光人造石材也可以應用于建筑物的內外裝修上[40],它屬于節能、環保、低碳的新型建材,在商業步行街、小區綠地步道、樓梯發光踏步臺階、池塘邊緣等場景中都可以大量使用[41]。蓄光道路標識材料能在雨夜、煙霧等環境中彌補發光材料的不足[42],具有夜間行車視線誘導的作用,也能為行人起到引導作用[43]。

4 結語

目前,對蓄光織物的研究已經取得了較大的進展,然而在實際應用中,蓄光織物的發光性能、光色性能還是稍顯不足,并且缺少研發人員的關注,導致在服裝市場上的應用并不廣泛。后續可以從以下方向展開研究。

1)提升制備蓄光型發光材料和纖維的技術。如今第3代發光材料的發光性能較好,但仍有較大的發展空間,需探究如何降低織物顏色、纖維基質、洗滌等因素對發光強度的影響;在光色性能上,可以開發光色種類更加豐富的材料,并實現大規模商業化生產。

2)著重研究蓄光織物所制夜光服裝的熱濕舒適性。熱濕舒適性是評判夜光服裝能否被市場接受的重要指標,目前研究多是針對蓄光纖維的熱濕舒適性,而針對夜光服裝的相對較少,因此可以開發穿著舒適性良好的服裝。

3)針對不同需求進行設計。在光照強度較低的場景,蓄光織物有較好的發光效果。可以尋找更多光照強度低的場景,結合使用者需求,增加產品的附加值,使產品具有舞臺發光、安全警示、安撫心靈等功能;在光照強度較高的場景,可以在蓄光織物上添加反光材料,使服裝的安全警示功能達到最大。