聚合物光纖發(fā)光織物的制備及其亮度測試

呂 晨 ，鐘智麗 ，匡麗赟 ，吳劍青

（1.天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)部，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué)先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387）

聚合物光纖（polymeric optical fiber，簡稱 POF）是指采用聚合物材料或有機(jī)材料制備而成的細(xì)絲狀可傳導(dǎo)光功率的傳輸線，具有柔韌、密度低、價(jià)格低、導(dǎo)光不導(dǎo)電且不產(chǎn)生熱量等特點(diǎn).利用聚合物側(cè)發(fā)光光纖傳遞光和表面發(fā)散光的原理，可將聚合物光纖與普通紗線交織，制成聚合物光纖發(fā)光織物.這種發(fā)光織物具有柔韌性好、重量輕、服用性能優(yōu)良、使用持久安全、易與光源連接等優(yōu)點(diǎn).與利用光致發(fā)光材料形成夜光織物相比，聚合物光纖發(fā)光織物可以彌補(bǔ)夜光織物無變色效果、亮度暗、光強(qiáng)衰減速度快的缺點(diǎn)；與利用發(fā)光二極管（LED）在織物中形成發(fā)光的織物相比，光纖發(fā)光織物具有不帶電、不發(fā)熱、柔韌性好、抗沖擊性好、無電磁輻射、耗電量小的優(yōu)點(diǎn)[1-2].目前，這種聚合物光纖發(fā)光織物已廣泛應(yīng)用在服裝、家紡、照明裝飾、安全警示、醫(yī)用光療以及柔性顯示等多個(gè)領(lǐng)域.本文將PMMA/氟樹脂聚合物光纖與棉紗相交織，使用一定手段對織物中的聚合物光纖進(jìn)行集束處理，并將集束后的聚合物光纖與光源進(jìn)行耦合連接，形成聚合物光纖發(fā)光織物.對發(fā)光織物的亮度進(jìn)行測試，探討織物組織、經(jīng)緯密及其它織物結(jié)構(gòu)參數(shù)對聚合物光纖亮度的影響，為聚合物光纖發(fā)光產(chǎn)品進(jìn)一步向智能化、多樣化的發(fā)展提供一定參考.

1 試驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

選用由華孚色紡提供的線密度為14.58 tex/2的棉紗作為經(jīng)紗，直徑為0.25 mm的PMMA/氟樹脂聚合物光纖作為緯紗，采用直徑為5 mm的高亮度白光LED燈作為光源.

1.2 織造

采用數(shù)字化小樣織機(jī)進(jìn)行織造，并在織物兩端留出一定長度的緯紗（聚合物光纖）以便進(jìn)行集束處理，織物規(guī)格參數(shù)如表1所示.

表1 聚合物光纖織物的規(guī)格參數(shù)Tab.1 Structure parameters of polymer optical fiber fabric

1.3 光路、電路連接

將織物兩端的聚合物光纖進(jìn)行集束、切割處理，通過連接件將光纖與LED光源連接耦合，如圖1所示.再通過一定電路設(shè)計(jì)，配以適當(dāng)?shù)碾妷?，進(jìn)而完成聚合物發(fā)光織物的光路、電路連接.

1.4 亮度測試

采用LumiCam 1300 color圖像亮度色度計(jì)對聚合物光纖發(fā)光織物的亮度進(jìn)行測試，使用XY軸自動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺調(diào)整聚合物光纖織物的高度與測試距離，使被測織物完整的呈現(xiàn)在測試區(qū)域內(nèi)，如圖2所示.

2 結(jié)果與討論

2.1 聚合物光纖在織物中的亮度變化規(guī)律

8種不同組織的聚合物光纖織物中緯向單根光纖的發(fā)光亮度與距光源距離的關(guān)系如圖3所示.

根據(jù)Janis Spigulis等人推算[3]，雙光源的側(cè)面發(fā)光光纖的發(fā)光強(qiáng)度與距離的關(guān)系可用如下公式計(jì)算:

式中:IS2（x）為距離光源x處的側(cè)面發(fā)光亮度；A為常數(shù)；k為側(cè)發(fā)光系數(shù)（m-1）；R為鏡面反射率；x為距離光源的距離.通過對圖3中8種不同組織的聚合物光纖織物中單根聚合物光纖的發(fā)光亮度與光源距離進(jìn)行二階指數(shù)衰減擬合，可得到如下函數(shù):

可寫成下式:

進(jìn)而可將公式（10）轉(zhuǎn)化為公式（1）的形式，由此表明光纖在聚合物光纖織物中依舊符合雙光源側(cè)面發(fā)光光纖的發(fā)光強(qiáng)度與距離的基本規(guī)律.從圖3可以看出，所測得各點(diǎn)的亮度圍繞著擬合曲線出現(xiàn)大小不一的波動(dòng).這主要是因?yàn)樵诳椢镏校饫w由于交織出現(xiàn)多次不同程度的彎曲，導(dǎo)致光在光纖的傳遞過程中產(chǎn)生額外的光損；除此之外，光纖在織入織物的過程中，由于受到鋼筘打緯的沖擊，光纖部分點(diǎn)表面可能會(huì)破裂，使得光在光纖的傳輸過程中從表面溢出，造成部分點(diǎn)亮度過高.圖3（d）中所示2/2方平組織織物中，在單根聚合物光纖上，距離與亮度的變化規(guī)律與其它試樣不同，這主要是因?yàn)榫酆衔锕饫w發(fā)光織物由兩側(cè)光源提供亮度，織物兩側(cè)的亮度會(huì)比其他部分略高，其他組織織物選取光纖均為一側(cè)光源到織物中間位置，而在2/2方平組織織物中，選取了與其它織物相反的測試方向，即從光纖中間部位到另一側(cè)的光源.

2.2 織物組織對織物發(fā)光亮度的影響

聚合物光纖發(fā)光織物是利用聚合物側(cè)面發(fā)光光纖傳遞光和表面發(fā)散光的原理使織物表面呈現(xiàn)發(fā)光效果，其根本原理是聚合物光纖在傳遞光的過程中出現(xiàn)損耗使光從光纖表面發(fā)散出去.其亮度大小除了受光纖材料引起的吸收損耗和由光纖結(jié)構(gòu)造成的散射損耗的影響外[4]，光纖在形成織物后的彎曲所形成的彎曲損耗[5]以及光纖表面被其它紗線覆蓋的程度不同都會(huì)對聚合物光纖織物的亮度產(chǎn)生顯著影響.在相同光源、相同根數(shù)的聚合物光纖集束的條件下，影響聚合物光纖亮度的主要有2個(gè)因素:①緯紗覆蓋率；②彎曲半徑.其中緯紗覆蓋率可由下式計(jì)算:

式中:δ為織物的緯紗覆蓋率；Sa為一個(gè)組織循環(huán)的緯紗面積；Sb為一個(gè)組織循環(huán)的織物面積.

不同織物組織彎曲半徑的理論值可由下式[6]計(jì)算:

式中:dr為彎曲半徑；n為游離的經(jīng)紗數(shù)；lwarp為2個(gè)經(jīng)紗之間的距離；γ為彎曲角（通常為36°～40°，計(jì)算時(shí)取平均角度38°）；dt為經(jīng)紗直徑.

緯紗覆蓋率反映了單位面積的聚合物光纖織物表面上聚合物光纖所占的比例；彎曲半徑反映了聚合物光纖在織物中的彎曲狀況.本文中8種不同組織織物的以上2個(gè)參數(shù)如表2所示，不同織物組織聚合物光纖發(fā)光織物的亮度如圖4所示.

表2 8種不同組織織物的緯紗覆蓋率和彎曲半徑Tab.2 Weft coverage and bending radius of different fabrics

從圖4可以看出:8種織物組織結(jié)構(gòu)中，1/4↗的亮度最高，結(jié)合表2可以看出，在8種織物中，1/4↗織物的緯紗覆蓋率和彎曲半徑均為最大，彎曲半徑越大，光在光纖傳遞過程中的光損越大，由于彎曲造成的光散射就大，而緯紗覆蓋率大表明在織物表面的聚合物光纖面積大，因而使得1/4↗的亮度最高；其次為2/2方平.結(jié)合表2可知，2/2方平組織的緯紗覆蓋率較大，且彎曲半徑在8種組織中居中，因此其亮度也較高；而1/2↗和3/2↗兩者亮度接近，這是因?yàn)?種組織的緯紗覆蓋率和彎曲半徑均接近，但是由于其緯紗覆蓋率低于2/2方平組織，因而其亮度也較低；最后為1/1、2/2↗、3/1↗和5/3經(jīng)面緞，這4種組織結(jié)構(gòu)的織物亮度接近，其中5/3經(jīng)面緞的亮度略高于其他三者，由表2可以看出，1/1、2/2↗、3/1↗和5/3經(jīng)面緞組織的緯紗覆蓋率和彎曲半徑較其他組織均偏小，因此這4種組織的亮度較其它組織而言明顯偏低.由此可見，織物組織結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)，如織物組織、經(jīng)緯密及經(jīng)緯紗線直徑均對聚合物光纖發(fā)光織物的亮度有著十分重要的影響，合理設(shè)計(jì)各項(xiàng)織物組織結(jié)構(gòu)參數(shù)會(huì)在一定程度上提高聚合物光纖發(fā)光織物的亮度.

3 結(jié)論

（1）聚合物光纖在織物中的亮度與距光源距離之間的關(guān)系呈二階指數(shù)衰減，其衰減曲線符合雙光源光纖側(cè)發(fā)光規(guī)律，但由于受到織造和聚合物光纖在織物中彎曲的影響，曲線波動(dòng)較大；

（2）織物組織、經(jīng)緯密及經(jīng)緯紗線直徑等織物組織結(jié)構(gòu)參數(shù)均對聚合物光纖發(fā)光織物的亮度有著重要影響，合理設(shè)計(jì)各項(xiàng)織物組織結(jié)構(gòu)參數(shù)會(huì)在一定程度上提高聚合物光纖發(fā)光織物的亮度；

（3）在本文8種不同組織的聚合物光纖織物中，由于受到不同緯紗覆蓋率和彎曲半徑的影響，8種織物的亮度各異，其中1/4↗織物的緯紗覆蓋率和彎曲半徑均高于其它組織，其亮度也明顯高于其他織物.

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