激光雕刻對織物結構與透光性的影響

摘 要：為闡明激光雕刻對織物結構與透光性的影響，借助電鏡觀察純棉、純滌綸織物，研究激光在織物上的作用機制；結合織物的孔隙圖像處理方法，研究激光雕刻對織物結構的影響；測試織物厚度、質量損失率、透光率的變化，同時利用灰色關聯分析法和相關性理論，分析激光雕刻后織物結構參數對透光性的影響。結果表明：激光使棉織物產生膨脹與破裂乃至汽化去除，使滌綸織物熔融流動甚至汽化分解；棉、滌綸織物上的孔隙數量和孔隙率與激光雕刻能量呈正相關，隨著激光雕刻能量的增大，棉織物厚度下降，滌綸織物的厚度則是先增加后減少；激光雕刻后織物孔隙率、厚度與透光性之間呈強關聯性，其中孔隙率為透光性的第一影響因素，織物透光性與孔隙率呈極顯著正相關，與厚度呈極顯著負相關。研究結果可為激光雕刻技術在窗簾等類型紡織品的應用提供參考。

關鍵詞：激光雕刻；織物結構；孔隙；透光性；灰色關聯分析；相關性

中圖分類號：TS190.8

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2025）04-0043-09

收稿日期：20240624

網絡出版日期：20240923

基金項目：國家自然科學基金項目（52375459）；浙江省教育廳一般科研項目（Y202250774）

作者簡介：繆永達（2000—），男，廣東湛江人，碩士研究生，主要從事紡織新產品與新技術方面的研究

通信作者：祝成炎，E-mail：cyzhu@zstu.edu.cn

激光雕刻是現代工業中重要的材料加工技術，常用于電子制造、廣告包裝、皮革生產等行業^［1-2］。該技術采用能量高度集中且連續可控的激光束對材料進行加工，借助激光的光熱效應使材料表面升溫熔化從而改變材料的表面物理形態和化學結構，獲得獨特的外觀效果及特定的物理性能^［3］。激光雕刻具有易操控、精度高和成本低的優點，同時由于其能夠以無接觸加工的方式在織物表面進行高溫物理灼燒以實現刻蝕效果，相較于堿刻蝕、臭氧刻蝕、等離子體處理等^［4-5］織物表面刻蝕手段，可減少化學處理試劑的使用，減輕環境污染^［6］，因此其在紡織及服裝領域的應用愈發廣泛，如牛仔服裝的燒花^［7］及其他面料的開料、打孔等。目前，激光雕刻技術在家用紡織品領域的研究和應用已逐漸成為重要的發展方向。窗簾是家用紡織品的重要門類，承擔了在可見光條件下能較好地遮蓋外界光線而使被遮蔽物不被外界觀察清楚的功能，同時賦予室內裝飾美的感觀體驗。激光雕刻能夠賦予窗簾豐富的圖案及外觀效果，但激光雕刻中的高溫刻蝕作用將使得部分材料去除乃至貫穿式破壞，從而影響窗簾織物的重要指標，即視覺遮蔽性（常用透光率來表征）。因此研究激光雕刻后織物的透光性具有較好的實際意義，可指導相關產品的開發。

目前，激光雕刻技術在紡織領域的應用已有許多學者開展了系列研究，主要集中于激光雕刻后織物的力學性能表征、外觀顏色分析以及雕花圖案創新等方面。Hung等^［8］將激光雕刻用于改善滌/棉織物的手感，分析了多項與手感相關的性能變化趨勢，為大眾提供時尚流行趨勢下面料手感的自定義的可能；Mandre等^［9］分析了激光雕刻后牛仔布的纖維微觀形貌，研究織物力學性能的變化規律，為牛仔織物的激光雕刻參數選用提供了參考；苑國祥等^［10］將激光雕刻用于毛滌混紡織物使其呈現出獨特的具有深淺效果的圖案和外觀；呂雪珊等^［11］分析了不同雕刻層級對絨布的外觀特征的影響，為立體絨布產品的開發提供了依據。

盡管相關研究取得了一定進展，但均未涉及激光雕刻對織物透光性影響的研究，且激光同纖維材料在纖維、紗線和織物尺度上的作用機制也尚未明晰，微觀和中觀尺度下結構的變化同織物透光性之間的關系亦未見報道。因此，本文選用棉、滌綸織物作為實驗對象，通過不同激光雕刻參數（激光功率、速度）條件下織物的微觀形貌電鏡觀察，研究激光在織物上的作用機制；通過對織物組織結構激光處理前后的對比分析及織物結構的弱環分析，結合織物的孔隙數目及孔隙率的圖像處理和分析方法，研究激光雕刻對織物結構的影響；測試織物厚度、質量損失率、透光率的變化，利用灰色關聯分析法和相關性理論研究激光雕刻后織物的孔隙度和厚度對透光性的影響程度，以期為激光雕刻技術進一步應用于紡織品加工中提供理論的支持，為窗簾等類型紡織品的激光雕刻加工及相關產品開發提供幫助。

1 實驗

1.1 材料與儀器

實驗材料：平紋棉布，359.5 g/m²，經密為190根/10cm，緯密為100根/10cm，紗線線密度為125 tex，織物總緊度為62.34%；平紋滌綸布，454.6 g/m²，經密為160根/10cm，緯密為90根/10cm，紗線線密度為174.93 tex，織物總緊度為70.36%。棉和滌綸織物各24塊，共48塊，每塊試樣5cm×5cm。

實驗儀器：CR30Ci脈沖CO₂激光雕刻機（南京晨銳騰晶激光科技有限公司）配套EZcad打標軟件（北京金橙子科技股份有限公司）；透射掃描儀；掃描電子顯微鏡JSM-5610LV（日本電子株式會社）；YG（B）141D數字式織物厚度儀（溫州市大榮紡織儀器有限公司）；Cary-4000型紫外-可見分光光度計（美國Agilent公司）。

1.2 試樣的制備

將待處理的樣品置于加工臺上，利用激光處理軟件調控縱橫驅動機構的運轉將激光束調整至布面需處理的位置，輸入激光功率、激光速度等加工參數信息至激光雕刻機，啟用高速掃描振鏡用于精確定位激光束的位置并按所需的要求運動后完成處理。其中，激光功率分別為3、6、9、12、15、18 W；激光速度分別為500、400、300、200 mm/s；激光線間距為0.3 mm。圖1為CO₂激光雕刻機的結構示意圖，主要由電腦控制臺、CO₂激光器、高速掃描振鏡、縱橫驅動機構和工作臺組成。

1.3 測試方法

1.3.1 表面形貌觀察

將待測織物置于噴金儀中真空噴金100 s，采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察激光雕刻后棉、滌綸織物的表面形貌。

1.3.2 孔隙率測試

使用透射掃描儀采集可見光光束的透射灰度圖像。平行的可見光光束從上面穿過織物，通過線性電荷耦合器件（CCD）捕獲樣品下傳輸的數字圖像。采集器分辨率為1000 dpi，灰度的取值范圍為0～255。

應用Image J軟件通過閾值分割法對織物孔隙進行標定，從而計算出孔隙總面積，根據式（1）計算織物孔隙率：

ε_s/%=φ_uφ_a×100（1）

式中：ε_s為織物的孔隙率，%；φ_u為孔隙總面積，μm²；φ_a為織物表面積，μm²。

1.3.3 厚度測試

參照標準GB/T 3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測定》使用數字式織物厚度儀對織物厚度進行測試，壓腳面積2000 mm²，加壓壓力1 kPa，加壓時間10 s。

1.3.4 質量損失率測試

使用電子天平稱量出激光雕刻前后織物的質量變化，根據式（2）計算質量損失率：

M/%=m₁-m₂m₁×100（2）

式中：M為質量損失率，%；m₁為激光雕刻前織物質量，g；m₂為激光雕刻后織物質量，g。

1.3.5 透光率測試

參照標準FZ/T 01009—2008《紡織品 織物透光性的測定》，在溫度為（20±2）℃，相對空氣濕度為65%±2%的環境條件下，借助Cary-4000型紫外-可見分光光度計進行測試，光源為碘鎢燈，選用波段范圍為380～780 nm、波長間隔為1 nm的平行光束照射試樣，使用積分球收集通過試樣的所有光線，測定試樣在各波長的透光率，根據式（3）計算試樣總透光率：

τ_t=∑780380S（λ）×τ_t（λ）×V（λ）×Δλ∑780380S（λ）×V（λ）×Δλ×100（3）

式中：τ_t為試樣的透光率，%；S（λ）為CIE標準照明體D65的相對光譜功率分布，τ_t（λ）為試樣在波長為λ時的單色光譜透射比，%；V（λ）為光譜光視效率；Δλ為波長間隔；nm。

2 結果與分析

2.1 織物表面形貌觀察

圖2為激光雕刻對棉織物表面形貌的影響。圖2（a）為未經激光雕刻的棉織物的電鏡圖，其紗線交織緊密，幾乎沒有孔隙。從圖2可知，激光的熱能使棉織物產生膨脹、破裂并出現孔隙，這是由于高溫作用下纖維素汽化產生水蒸氣和二氧化碳等氣態產物^［12］。在纖維尺度下，棉纖維表面形成了大小不一的溝槽以及裂紋^［13］，纖維表面有輕微的剝落；在紗線尺度下，紗線外層的毛羽逐漸被去除，紗線內纖維的抱合逐漸潰散，紗線結構受到損傷；在織物尺度下，織物的交織結構愈發疏松，但仍保持較為明顯的平紋結構。

圖3為激光雕刻對滌綸織物表面形貌的影響。圖3（a）為未經激光雕刻的滌綸織物的電鏡圖，此時滌綸為光滑的長纖維形態。從圖3可知，激光的熱能會使滌綸熔融流動，凝固后形成粗糙的表面，當滌綸表面持續升溫則會發生熱分解，由于（—CH₂—O）基團的斷裂，產物包含乙烯酯基團，可進一步分解為一氧化碳、二氧化碳或乙烯^［14］。因此，根據激光對滌綸織物的作用強度，將作用過程分為兩類：一是表層滌綸熔融但未去除最后凝固在表面，二是表層滌綸熔融后汽化分解，下層滌綸熔融凝固。從圖3（b）—（c）可看出，在較低激光雕刻能量下，表層滌綸纖維熔融收縮凝固成圓球狀的顆粒，織物仍保留平紋交織結構。通過圖3（f）—（i）的對比可知，隨著激光速度的減小，滌綸纖維大面積熔融后冷卻板結，織物表面已經沒有明顯的紗線交織形態，多為聯結在一起的塊狀滌綸并存在細小的裂縫。

2.2 激光雕刻對織物表面孔隙的影響

2.2.1 孔隙位置與形狀分析

圖4（a）—（b）為激光雕刻后織物實物圖，Image J軟件對掃描透射灰度圖上的孔隙標定效果見圖4（c）—（d），可以看出激光雕刻后織物會出現孔隙且分布較為均勻，Image J軟件對孔隙的標定效果較好。圖5為織物交織結構示意圖，激光的能量首先作用于上層紗線，經組織點上經紗先被處理直至裸露下層的緯紗，反之亦然。由于紗線交織后經緯紗線均會受到不同程度的擠壓，紗線形態呈兩側較中間區域薄的扁平狀，所以激光雕刻后紗線的直徑變化更偏向于從長軸的兩側向中心縮小。因此，織物孔隙多出現于兩經、兩緯組織點交替處，即無纖維覆蓋區域，此區域內經、緯紗線兩側材料去除后將形成較大的貫穿面積。

通過觀察圖4中孔隙的形狀可知，激光雕刻后棉織物孔隙近似水滴形或橢圓形，而滌綸織物孔隙多為不規則形狀。結合上述對織物的微觀形貌的分析，棉纖維受熱不軟化不熔融，激光雕刻對一定區域內的材料處理量相對一致，因此孔隙形狀較為統一；但滌綸纖維屬于熱塑性纖維，抗熔性較差，受熱熔融流動后對孔隙有隨機的涂覆作用，凝固則呈現不規則形狀。

2.2.2 孔隙數目與孔隙率影響因素分析

圖6為激光雕刻參數對織物孔隙的影響。由圖6（a）—（b）可知，激光功率增加則激光器單位時間內輸出的能量變大，激光速度減小則織物表面在單位長度內接受的能量越多，隨著激光能量的增大，棉織物的孔隙數量和孔隙率呈增長趨勢，這是因為激光雕刻使棉纖維脫水且表面脫落，棉紗的外層紗線去除導致相鄰紗線之間的間距變大，即由織物交織結構變疏松所致。

結合圖6（a）和圖6（c）對比可知：經激光雕刻后的滌綸織物在激光功率3、6、9 W時織物孔隙變化不明顯，這與棉織物逐漸遞增的趨勢不同，這可能是因為激光的能量使得滌綸纖維升溫高于熔點（260 ℃），在織物表面的滌綸纖維在受熱時會收縮融化并流入織物孔隙后冷卻板結，形成較薄的塊狀滌綸，從而影響了織物的孔隙率；在激光功率18 W時，織物孔隙數目與孔隙率陡增，說明織物表面從部分熔融過渡至全表面熔融，此時織物表面出現大量孔隙。

2.3 織物厚度及質量損失率分析

圖7為激光雕刻對織物厚度的影響。從圖7（a）可知：隨著激光雕刻能量的增大，棉織物厚度逐漸下降，這是由于激光對棉纖維的炭化和汽化作用使棉織物逐漸變薄。由圖7（b）看出：滌綸織物厚度呈現先增加后減少的趨勢，因為織物表面的纖維受到激光能量的作用迅速熔融并板結變硬，根據厚度測試儀下壓式的測試原理，相同測試壓力條件下板結后的滌綸更難壓縮，因而導致織物厚度測量值變大。在激光功率為3 W時，將織物厚度由大到小依次排序，其對應的激光速度為：200、500、400、300 mm/s，這可能是因為激光器選用的激光直徑為2 mm，線間距為0.3 mm，因此同一區域會受到激光的多次處理，在激光速度為500 mm/s時表層纖維變硬，測試所得的厚度增加；400 mm/s條件下表面一定厚度的小顆粒已被部分去除，而激光速度為300 mm/s較400 mm/s時的去除量更大，則厚度更小；當條件為200 mm/s時，織物表面的凝結顆粒已被去除，同時下部分產生新的板結。

圖8為激光雕刻對織物質量損失率的影響。激光雕刻后棉、滌綸織物的質量損失率與雕刻能量呈正相關。結合圖7（b）、圖8（b）分析可知：在激光速度為400 mm/s，功率6～15 W時滌綸織物厚度無明顯變化，且質量損失率亦無明顯波動，說明此條件下存在熔融但未被汽化的滌綸，凝固后仍留在織物表面所以織物質量損失率幾乎不變。因此，激光雕刻后滌綸織物的厚度除了受到板結織物的硬度導致的厚度增量的影響之外，也受到了表面材料汽化去除量的影響。

2.4 織物透光率分析

圖9為激光雕刻后織物的透光率曲線，其中單根曲線即為一個雕刻參數組合（激光功率、速度）下織物的可見光波段光透過率。由圖9可知，在本實驗選用的激光雕刻參數下，棉織物的380～630 nm可見光波段光透過率沒有較大的波動趨勢，且630～780 nm的紅光透過率比380～630 nm波段的光透過率要稍高，大部分棉織物透光率在0～0.6%逐級變動，并在條件為200 mm/s，功率15、18 W時透光率突增；而滌綸織物則在700～780 nm下透光率急劇上升，這是由于黑色滌綸的紅外吸收系數較小，近紅外光線透過量大^［15］，大部分滌綸織物透光率集中分布于0.2%之下。需注意的是，雖然激光雕刻后織物透光率數值變化不大，但是由于織物孔隙的出現以及厚度的減小，人眼已可透過織物大量孔隙觀察到位于織物后方的物體的輪廓，并在日光之下穿透織物的光線有著對人眼明亮刺眼的感覺，說明激光雕刻對織物的視覺遮蔽性能產生了較大影響。織物透光率由多重因素共同影響^［16］，由于織物孔隙率、厚度與織物透光率的關系為非線性關系，難以衡量其作用程度，因此利用灰色關聯度和相關性分析方法研究織物孔隙率、厚度與透光性之間的關系。

根據式（3）計算出織物的總透光率，采用灰色關聯度理論研究激光雕刻后孔隙率與厚度對織物透光率的關聯性，灰色關聯度是評價因素間關聯程度的一種指標，通過一定的數據分析處理，探索影響系統目標的主要因素^［17］，本實驗中，灰色關聯度越大，說明該因素越能影響織物的透光率，灰色關聯度通過式（4）計算：

ζ_i（k）=minimink|x₀（k）-x_i（k）|+ρmaximaxk|x₀（k）-x_i（k）||x₀（k）-x_i（k）|+ρmaximaxk|x₀（k）-x_i（k）|（4）

式中：x₀（k）為激光雕刻后各織物的孔隙率或厚度；x_i（k）為織物可見光波長下的總透光率；x₀（k）-x_i（k）為絕對計差值；ρ為分辨系數，通常情況下取0.5。

求得激光雕刻后織物孔隙率、厚度與織物透光率間的多組灰色關聯度均值如表1所示。

由表1可以看出，織物孔隙率、厚度與織物透光率之間存在強關聯性，其中激光雕刻后的孔隙率為影響織物透光性的第一因素，孔隙率反映了織物表面存在貫穿式區域的面積占比，孔隙部分對光線無遮擋作用，因此孔隙率與透光性能是高度依賴，相關聯的。穿透織物的光線會因厚度方向的紗線、纖維產生多次折射與、反射，亦與織物透光性有強關聯性。

灰色關聯分析僅反映因素間的關聯性，為進一步評估變量之間單調關系的方向和強度，對激光雕刻后織物孔隙率、厚度與織物透光率之間進行Spearman相關性分析，相關系數r計算方法見式（5），具體相關系數統計分析結果見表2。

r=∑ni=1x_i-xy_i-yn∑ni=1x_i-x²·y_i-y²（5）

式中：x_i，y_i分別為兩個變量的數列。

由表2可以看出，激光雕刻后的孔隙率與透光率間存在極顯著正相關，激光雕刻后棉織物的厚度與透光率存在極顯著負相關，而滌綸厚度未與織物透光率呈現相關性，主要是與上述厚度測量影響因素有關。

3 結論

本文觀察分析不同激光雕刻參數（激光功率、速度）條件下激光在織物上的作用機制，通過圖像處理后織物的孔隙數目及孔隙率的計算，分析激光雕刻對織物結構的影響，同時利用灰色關聯分析法和相關性理論分析了織物的孔隙率和厚度兩個參數同透光性之間的關系。得出以下結論：

a）激光的熱能使棉織物產生膨脹與破裂乃至汽化去除，棉織物中纖維炭化脫落，紗線抱合潰散，織物交織結構變疏松；而滌綸織物則因熱能熔融流動甚至汽化分解，熔融后冷卻的滌綸從分散的顆粒狀逐漸過渡至聯結的塊狀。

b）激光雕刻后織物孔隙較多出現在經緯組織點交替處這一織物結構弱環，激光雕刻后棉織物孔隙近似水滴形或橢圓形，而滌綸織物孔隙多為不規則形狀，且棉、滌綸織物上的孔隙數量和孔隙率與激光雕刻能量呈正相關；棉、滌綸織物的質量損失率同激光雕刻能量呈正相關，隨著激光雕刻能量的增大，棉織物厚度下降，滌綸織物的厚度則是先增加后減少，這主要是由于滌綸在激光雕刻后板結變硬更難壓縮導致的。

c）激光雕刻后織物貫穿孔隙對光線無遮擋作用，厚度亦會影響光線透過織物，兩者共同影響了織物的透光性。其中織物孔隙率是織物透光性的第一影響因素，織物透光性與織物孔隙率呈現極顯著正相關，與織物厚度呈現極顯著負相關。

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Effects of laser engraving on fabric structure and transmittance

MIAO Yongda， JIN Xiaoke， TIAN Wei， DING Hao， ZHU Chengyan

（College of Textile Science and Engineering （International Institute of Silk）， Zhejiang Sci-Tech

University， Hangzhou 310018， China）

Abstract： Laser engraving stands as a significant material processing technology， widely employed in the textile and apparel industries due to its distinctive advantages of ease of manipulation， high precision， and cost-effectiveness. Currently， research on laser engraving in household textiles has garnered significant attention， curtains are a crucial component of household textiles， and through laser engraving， they can exhibit a multi-layered three-dimensional effect， thereby enhancing the visual appeal of the indoor environment. However， the high-temperature etching effect during laser engraving may cause penetrating damage to the fabric， thereby impacting the visual privacy of curtain fabrics， which is commonly characterized by transmittance.

To analyze the influence of laser engraving on the structure and transmittance of the fabric， this paper uses different laser engraving parameter combinations （laser power of 3 W， 6 W， 9 W， 12 W， 15 W and 18 W， and laser speed of 500 mm/s， 400 mm/s， 300 mm/s and 200 mm/s） to process cotton and polyester fabrics. First， through microscopic morphological observation using an electron microscope， it was found that the cotton fabric， under the effect of laser thermal energy， exhibited expansion， rupture， and even vaporization removal. The cotton fibers were charred and fell off， yarn cohesion disintegrated， and the interlaced structure of the fabric became looser. The polyester fabric， on the other hand， underwent melting， flowing， and even vaporization decomposition. The fabric surface transitioned from scattered granular polyester to connected bulk polyester， accompanied by fine cracks. On the other hand， the polyester fabric underwent melting and flow， even vaporization and decomposition， with the fabric's surface transitioning from scattered granules of polyester to bonded blocks of polyester accompanied by fine cracks. Following this， Image J software was utilized to standardize the pores at the penetration points of the fabric's transmitted grayscale images for porosity calculation. The number of pores and porosity rate on cotton and polyester fabrics are positively correlated with the laser engraving energy. The transmitted grayscale images showed that the pores in the cotton fabric after laser engraving were approximately shaped like water droplets or ellipses， while those in the polyester fabric were mostly irregular. Both types of pores appeared at the intersections of warp and weft threads. As the laser engraving energy increased， the thickness of the cotton fabric decreased， and the thickness of the polyester fabric initially increased and then decreased， mainly due to the polyester becoming more rigid and harder to compress after laser engraving. Finally， the influencing factors of fabric transmittance after laser engraving were investigated using the gray relational analysis method and correlation theory， and the porosity rate after laser engraving was the primary factor influencing the fabric's transmittance， showing a highly significant positive correlation. The fabric thickness， on the other hand， had an extremely significant negative correlation with the fabric's transmittance.

This study analyzes the action mechanism of laser on fabrics， explores the effects of laser engraving parameters on the structure of fabrics， and studies the relationship among laser mechanism， fabric structure， and transmittance. The findings of this study can serve as reference for the application of laser engraving technology in textiles such as curtains.

Keywords： laser engraving; fabric structure; pores; transmittance; grey correlation analysis method; correlation