發(fā)光纖維的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用*

張志豪，楊 雪，辛斌杰

(上海工程技術(shù)大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，上海 201600)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)和人民生活水平的不斷提高，紡織服裝已經(jīng)不僅僅是為了保護(hù)人體、維持體溫等這些基本需求，而是逐漸發(fā)展成為了兼具低碳環(huán)保、舒適性、功能性、時(shí)尚性和智能性為一體的產(chǎn)品。纖維也從天然纖維逐漸發(fā)展到以高科技含量為主體的高技術(shù)新型纖維[1]。在高技術(shù)新型纖維中，發(fā)光纖維由于具有節(jié)能環(huán)保、色彩靚麗等優(yōu)點(diǎn)受到國(guó)內(nèi)外纖維領(lǐng)域?qū)＜业年P(guān)注[2]。發(fā)光纖維是指在一定光照或者特殊光照的條件下(紫外光、遠(yuǎn)紅外光)可以進(jìn)行瞬間發(fā)光或者持續(xù)發(fā)光的功能性纖維。發(fā)光纖維表面亮澤、質(zhì)地柔軟、不但保留了纖維良好的機(jī)械性能，還具有可發(fā)光、無(wú)毒、無(wú)害、無(wú)放射性、環(huán)境友好性、生物相容性、抗老化性、以及可持續(xù)發(fā)光等諸多優(yōu)點(diǎn)[3-6]。

發(fā)光纖維作為一種新興的纖維材料，目前已經(jīng)運(yùn)用在軍隊(duì)、消防、海上運(yùn)輸、漁業(yè)捕撈等領(lǐng)域；主要涵蓋了各發(fā)光纖維織物的應(yīng)用、光顯示材料，發(fā)光纖維元件、能量轉(zhuǎn)換元件、智能紡織品、防偽標(biāo)簽、特種服飾等。

本文圍繞近年來(lái)發(fā)光纖維的研究進(jìn)展，介紹了發(fā)光纖維的分類和發(fā)光原理，概述了發(fā)光纖維的制備方法及相關(guān)應(yīng)用，以期為發(fā)光纖維的深入研究提供一定的理論支持。

1 發(fā)光纖維的分類

發(fā)光材料根據(jù)發(fā)光類型可以分為兩種：被動(dòng)發(fā)光材料和主動(dòng)發(fā)光材料。主動(dòng)發(fā)光材料指不需要外界的刺激，靠材料自身就可以將自身的能量轉(zhuǎn)化為光輻射的形式從而發(fā)光，但是隨著能量的轉(zhuǎn)化自身能量逐漸減少，當(dāng)自身能量消耗到無(wú)法維持能量轉(zhuǎn)化為光輻射的過(guò)程時(shí)就會(huì)失去發(fā)光能力。通常主動(dòng)發(fā)光材料都帶有輻射性，因此這種發(fā)光材料在使用時(shí)會(huì)受到較大的限制，并且廢棄后處理也是一大難題。被動(dòng)發(fā)光材料是指在受到外界的刺激后，發(fā)光材料能通過(guò)一定的形式將外界的能量轉(zhuǎn)化為自身體系內(nèi)部的能量，并在材料內(nèi)部將能量轉(zhuǎn)化為光輻射的過(guò)程；或是通過(guò)外界能量的刺激從而激活材料自身的能量轉(zhuǎn)化為光輻射的過(guò)程的發(fā)光材料[7]。通過(guò)激發(fā)源的不同，被動(dòng)發(fā)光材料通?？煞譃榱χ掳l(fā)光材料、電致發(fā)光材料及光致發(fā)光材料。

1.1 力致發(fā)光纖維

力致發(fā)光，也叫摩擦發(fā)光，是指發(fā)光物質(zhì)在機(jī)械作用下(摩擦、壓縮、粉碎、拉伸、振動(dòng)等)，通過(guò)吸收機(jī)械能引起內(nèi)部合適的激發(fā)，然后發(fā)出反映該物質(zhì)特征光的現(xiàn)象。力致發(fā)光材料受力作用時(shí)，晶體會(huì)隨著受力的大小而變化，受力較小時(shí)產(chǎn)生彈性形變而受力較大時(shí)就會(huì)產(chǎn)生塑性形變，最終引起晶體的破裂。按照晶體的形變與破裂形式可以將力致發(fā)光分為彈性力致發(fā)光(elasticoluminescence)、塑性力致發(fā)光(plasticoluminescence)和破裂力致發(fā)光(fractoluminescence)3類[8]。通常將力致發(fā)光材料復(fù)合到一定的基體中制備不同性能的發(fā)光材料，基體材料主要為環(huán)氧樹脂、聚甲醛(PER)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚氨酯(PU)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)和硅膠等[9]。力致發(fā)光材料的應(yīng)用范圍取決于基體的特性，例如，環(huán)氧樹脂具有良好的力學(xué)性能和高穩(wěn)定耐腐蝕的性能，其與力致發(fā)光材料復(fù)合后可應(yīng)用于航空航天、汽車機(jī)械部件等方面；PDMS具有高透明度、高彈和高效的應(yīng)力傳遞能力，其與力致發(fā)光材料復(fù)合后可應(yīng)用于智能可穿戴設(shè)備、信息加密/防偽、人工智能皮膚，醫(yī)療和人機(jī)交互等領(lǐng)域[10-12]。

1.2 電致發(fā)光纖維

電致發(fā)光(電場(chǎng)發(fā)光，EL)是指纖維內(nèi)部有電流通過(guò)時(shí)或纖維受到電場(chǎng)的作用后能夠發(fā)光的現(xiàn)象。通常電子受到電場(chǎng)的作用后自身所蘊(yùn)含的能量大于平衡狀態(tài)時(shí)所含的能量，在這種狀態(tài)下的電子出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象從而成為過(guò)熱電子，過(guò)熱電子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可以通過(guò)碰撞使晶格離化形成電子、空穴對(duì)，當(dāng)這些被離子化的電子、空穴對(duì)相互復(fù)合或從被激發(fā)的發(fā)光中心回到基態(tài)時(shí)便發(fā)出光來(lái)[13]。通常將電致發(fā)光材料涂覆在基體表面，因?yàn)殡娭掳l(fā)光過(guò)程需要電流的通過(guò)或者受電場(chǎng)影響較大時(shí)才能夠發(fā)光，所以需要基底具有良好的導(dǎo)電性能，并且發(fā)光材料與基底之間的界面作用對(duì)最終產(chǎn)物的機(jī)械性能影響較大，所以基底的選擇非常重要[14]。

1.3 光致發(fā)光纖維

光致發(fā)光纖維根據(jù)其發(fā)光原理的不同可以分為熒光型發(fā)光纖維和長(zhǎng)余輝型發(fā)光纖維[15]兩大類。

熒光型光致發(fā)光纖維的發(fā)光機(jī)理是由于光致發(fā)光材料中的外層電子受到某種特定波長(zhǎng)的光照射時(shí)可以立刻躍遷到激發(fā)態(tài)，并且從激發(fā)態(tài)以輻射的方式躍遷到基態(tài)，從而顯示出熒光；而當(dāng)入射光被撤離后，光致發(fā)光材料中的外層電子無(wú)法繼續(xù)獲取外界能量從而不能發(fā)生從基態(tài)到激發(fā)態(tài)的轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致發(fā)光現(xiàn)象也馬上消失。熒光纖維通常根據(jù)吸收光的波長(zhǎng)不同分為兩大類：紅外熒光纖維和紫外熒光纖維。紅外熒光纖維是指能夠吸收紅外輻射的能量并轉(zhuǎn)化為自身能量以后以光輻射的形式轉(zhuǎn)化為可見光形式的纖維，由于紅外熒光纖維的激發(fā)光源為人的肉眼不可見的紅外輻射光，所以紅外光纖維材料通常用于防偽領(lǐng)域，又稱熒光防偽纖維。紫外熒光纖維是指能夠吸收太陽(yáng)光中的紫外光或者其他光源中的紫外光,并將吸收的光子能量轉(zhuǎn)變成自身可見光的纖維。目前熒光纖維多采用無(wú)機(jī)稀土熒光材料為發(fā)光體，幾種常見的無(wú)機(jī)熒光材料及性能如表1。

表1 幾種常見的無(wú)機(jī)熒光材料[16]Table 1 Several common inorganic fluorescentmaterials[16]

長(zhǎng)余輝型光致發(fā)光纖維是指通過(guò)吸收太陽(yáng)光中的紫外光或者其他光源中的紫外光，并將吸收的光子能量轉(zhuǎn)變成自身的可見光，可以在太陽(yáng)光或者其他光源消失后產(chǎn)生長(zhǎng)久的發(fā)光效果的纖維。其發(fā)光機(jī)理是在紫外光的輻射下，發(fā)光纖維內(nèi)部的電子吸收能量引起電子的能級(jí)從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)并維持，在激發(fā)光源消失后，這些被激發(fā)的電子的能級(jí)又重新從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)從而導(dǎo)致發(fā)光。長(zhǎng)余輝發(fā)光纖維通常采用稀土鋁酸鹽夜光材料為發(fā)光體，幾種常見的鋁酸鹽長(zhǎng)效發(fā)光材料及性能如表2。

表2 幾種鋁酸鹽長(zhǎng)效發(fā)光材料性能對(duì)比[16]Table 2 Comparison of properties of several aluminate long-acting luminescentmaterials[16]

光致發(fā)光是電子激發(fā)態(tài)產(chǎn)生的光發(fā)射過(guò)程。根據(jù)其性質(zhì)，光致發(fā)光可分為熒光和磷光兩類。通常用天線效應(yīng)圖來(lái)說(shuō)明這一過(guò)程以及其他伴隨過(guò)程[17-19]，如圖1所示。

圖1 天線效應(yīng)[20]Fig.1 Antenna effect[20]

電子通常存在于單線態(tài)的基態(tài)(S0)中。能量等于或大于單線態(tài)基態(tài)(S0)與單線態(tài)激發(fā)態(tài)(S1)之間能隙的光子與電子相互作用，在吸收過(guò)程中轉(zhuǎn)移其能量。因此電子被激發(fā)，通常是被激發(fā)到一個(gè)激發(fā)態(tài)的較高振動(dòng)水平。然后，它經(jīng)歷了一個(gè)快速的振動(dòng)弛豫，達(dá)到給定激發(fā)態(tài)的最低能量狀態(tài)。如果入射光子的能量較高，且電子處于單線態(tài)第二激發(fā)態(tài)(S2)，則電子會(huì)在內(nèi)部轉(zhuǎn)換的過(guò)程中快速弛豫到單線態(tài)第一激發(fā)態(tài)(S1)。電子可以經(jīng)歷另一種內(nèi)部轉(zhuǎn)換到單線態(tài)基態(tài)(S0)而不發(fā)射光子，或者它可以經(jīng)歷一個(gè)熒光過(guò)程，在此過(guò)程中釋放光子。發(fā)射光子的實(shí)際能量等于單線態(tài)基態(tài)的最終振動(dòng)能級(jí)的能量與單線態(tài)第一激發(fā)態(tài)的能量之差。在極少數(shù)情況下，電子可以在系統(tǒng)間交叉過(guò)程中從單線態(tài)第一激發(fā)態(tài)向單線態(tài)第三激發(fā)態(tài)進(jìn)行自旋轉(zhuǎn)換。這種弛豫路徑相應(yīng)的光子發(fā)射稱為磷光。與熒光相比，這種現(xiàn)象相關(guān)的時(shí)間尺度更長(zhǎng),即“禁止躍遷”，這意味著它們發(fā)生的頻率要低得多。

由于上述過(guò)程，光致發(fā)光過(guò)程存在3個(gè)不同的特征現(xiàn)象:Stokes位移、量子產(chǎn)率(QY)和熒光壽命。Stokes位移是吸收光子和發(fā)射光子的能量(或波長(zhǎng))之差。由于電子在未發(fā)射的情況下經(jīng)歷弛豫(振動(dòng)弛豫，內(nèi)轉(zhuǎn)換)，會(huì)導(dǎo)致發(fā)射能量低于激發(fā)光的能量。當(dāng)光子也在發(fā)光材料的吸收范圍內(nèi)發(fā)射時(shí)，吸收光譜和發(fā)射光譜可能會(huì)重疊，在波導(dǎo)中，這導(dǎo)致了發(fā)射光普遍存在的自吸收問(wèn)題。量子產(chǎn)率是發(fā)射光子數(shù)與吸收光子數(shù)的比值。熒光壽命是電子維持激發(fā)態(tài)的平均時(shí)間[21]。

2 發(fā)光纖維的制備方法

2.1 聚合-固化法

通過(guò)聚合-固化法生產(chǎn)發(fā)光纖維的流程如圖2所示。首先，將含有基體單體和固化引發(fā)劑的混合物注入硅模具。為了制造發(fā)光纖維，在固化之前，在管道中摻雜發(fā)光材料，與主體聚合物交聯(lián)形成穩(wěn)定的纖維結(jié)構(gòu)。根據(jù)基體的不同，固化可以通過(guò)選擇紫外光照射或降低溫度進(jìn)行。固化的纖維可以通過(guò)施加機(jī)械力(如水流)等從模具中分離出來(lái)。通過(guò)第二個(gè)步驟可以將制備的發(fā)光纖維經(jīng)浸涂過(guò)程在表面涂覆包層材料，形成包層的纖芯發(fā)光纖維。但是這個(gè)聚合和固化的過(guò)程耗時(shí)較大，固化纖維的模具最大長(zhǎng)度也受到模具制造和纖維分離難易度的限制。雖然這種方法目前還不能應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，但是由于它不需要專門的儀器[22-23]，在實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用較多。

圖2 生產(chǎn)發(fā)光纖維的聚合和固化過(guò)程的示意圖[24]Fig.2 Schematic diagram of the polymerization and curing process for the production of luminescent fibers[24]

2.2 熔融紡絲法

熔融紡絲是合成纖維生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一。黏性熔體與發(fā)光材料混合制成初始原料，原料通過(guò)干燥機(jī)進(jìn)入原料輸送機(jī)輸送至擠壓機(jī)中均質(zhì)，然后通過(guò)計(jì)量泵進(jìn)入到噴絲器中噴出紡成纖維，紡成的纖維通過(guò)充滿冷空氣的淬火室自由落體或水浴[11]凝固后被拉出并纏繞到線軸上。熔融紡絲法流程如圖3所示。

圖3 熔融紡絲法[11]Fig.3 Melt spinning method[11]

該方法雖然操作流程簡(jiǎn)便，不需要溶劑處理比較環(huán)保，但是對(duì)原料的要求較為苛刻。由于原料在熔融過(guò)程中易氧化，要確保原料具有優(yōu)異的抗氧化性能；其次所需的電壓較高，對(duì)設(shè)備要求較高。

雙組分熔融紡絲法可以生產(chǎn)包芯發(fā)光纖維，組成芯層和包層部分的兩種聚合物由兩臺(tái)單獨(dú)的擠出機(jī)供給。粘性熔體與發(fā)光纖維混合，并在擠出生產(chǎn)線中混合均勻，隨后通過(guò)模具泵送，該模具決定了纖維的截面幾何形狀。初生纖維通過(guò)充滿冷空氣的淬火室自由下落或經(jīng)過(guò)水浴凝固后，被拉出并纏繞到筒管上。雙組分熔融紡絲法提供了一種制備梯度折射率或微結(jié)構(gòu)纖維(如雙芯MOF、環(huán)形結(jié)構(gòu)MOF和瓣?duì)罟饫w等)的可選擇方法[25-26]。

圖4為雙組分熔融紡絲法示意圖。護(hù)套(包層)材料被送入料斗(a)，通過(guò)擠出機(jī)熔融和加壓泵入紡絲部件(b)，在紡絲部件中它浸沒(méi)高壓泵提供的芯液。兩種成分的紡絲液經(jīng)過(guò)噴絲孔擠出經(jīng)過(guò)水浴凝固后，拉出并纏繞到筒管上。圖中黃色表示基體聚合物，紅色表示發(fā)光材料[27]。 設(shè)備(c)為生產(chǎn)包芯發(fā)光纖維的熔融紡絲裝置。將兩種顆粒聚合物(用于芯部和包層)分別送入料斗，通過(guò)擠出機(jī)熔化和加壓，然后泵入紡絲部件。纖維經(jīng)噴絲孔噴出后進(jìn)入水浴凝固后，經(jīng)導(dǎo)絲系統(tǒng)拉出并卷繞在筒管上。

圖4 雙組分熔融紡絲法[24]Fig.4 Two-component melt spinning method[24]

這種方法除了具有常規(guī)熔融紡絲的特點(diǎn)，如制備過(guò)程簡(jiǎn)便、無(wú)需溶劑、環(huán)境友好外，還可以制備具有梯度折射率或特殊微結(jié)構(gòu)纖維；但由于設(shè)備昂貴且流程復(fù)雜，限制了其適用性[28]。

2.3 溶液紡絲法

溶液紡絲法是指紡絲液從噴絲頭噴出在凝固浴中凝固成絲的方法。為了生產(chǎn)發(fā)光纖維，聚合物主體與發(fā)光體混合后，在較低溫度下溶解，然后將其噴入凝固浴并拉伸成纖維，紡絲流程如圖5所示。

圖5 溶液紡絲法Fig.5 Solution spinning method

與熔融紡絲法相比，溶液紡絲法由于紡絲溫度較低，不會(huì)出現(xiàn)氧化和熱分解的問(wèn)題，因此紡絲條件相對(duì)寬松。但該方法要求發(fā)光材料需要具有較好的兼容性，即發(fā)光材料與紡絲液能夠很好地相容，因此該方法的關(guān)鍵是選擇相容性好的發(fā)光材料。

2.4 靜電紡絲法

靜電紡絲法是利用高壓電場(chǎng)中的靜電力來(lái)吸引由聚合物溶液、溶膠、懸浮液或熔體組成的液體射流，在靜電力地作用下將產(chǎn)生的纖維拉伸到納米直徑，通過(guò)溶劑的快速蒸發(fā)使納米纖維固化成形的紡絲方法。靜電紡絲的典型裝置由兩個(gè)關(guān)鍵部件組成，即噴絲頭和收集器，如圖6所示。噴絲頭由控制噴射流量的流體泵供給，電紡纖維聚集在導(dǎo)電收集器上[29]。

圖6 靜電紡絲法[30]Fig.6 Electrospinning method[30]

這種紡絲方法受到的影響因素較多，例如紡絲設(shè)備固有的不穩(wěn)定性、溶液擠出速率、溶劑性質(zhì)、表面張力和溶劑蒸發(fā)速率等都會(huì)影響最終的纖維形態(tài)。

3 發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用

3.1 防偽產(chǎn)品

近年來(lái)隨著仿冒偽劣產(chǎn)品的日益猖獗，防偽成了消費(fèi)者能夠辨別真?zhèn)蔚囊粋€(gè)不可或缺的手段[31]?；诎l(fā)光纖維特殊的性能，防偽是發(fā)光纖維的一個(gè)重要應(yīng)用方向。發(fā)光纖維可以用于防偽紡織品、防偽紙以及防偽標(biāo)簽等產(chǎn)品，且制備的防偽產(chǎn)品具有(1)超前性：即防偽纖維與產(chǎn)品融于一體，難以偽造，且易于辨別真?zhèn)危?2)普適性：可以通過(guò)通俗的認(rèn)識(shí)就可以辨明真?zhèn)屋^易識(shí)別，鑒別門檻較低，普通人也可以輕松地實(shí)現(xiàn)真?zhèn)蔚蔫b別。(3)成本較低：防偽產(chǎn)品通常都是在產(chǎn)品的制備過(guò)程中加入發(fā)光纖維從而使產(chǎn)品具有防偽功能，不需要增加額外的生產(chǎn)設(shè)備等[32]。

Liu等[33]通過(guò)靜電紡絲工藝，以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和萘酚吡喃衍生物為原料，開發(fā)出了一種高穩(wěn)定性的萘酚吡喃甲環(huán)菁(MCs)納米纖維。萘酚吡喃在復(fù)合纖維中表現(xiàn)出正常的光致變色性能，納米纖維的一維結(jié)構(gòu)以及萘酚吡喃的PVP和MC結(jié)構(gòu)之間的氫鍵是其高度穩(wěn)定性的原因。該纖維可運(yùn)用在防偽紙的開發(fā)及防偽商標(biāo)的織造。

Yu等[34]將多元鋱配合物引入聚丙烯腈(PAN)中，并將其靜電紡絲成直徑約為200 nm的柔性多功能納米纖維。超分子Tb絡(luò)合物/PAN納米纖維的總發(fā)射光譜功率為2.88 μW，總發(fā)射光子數(shù)達(dá)到7.94×1012cps，分別是可見光區(qū)二元絡(luò)合物的近6倍。其高效的光子釋放以及綠光的發(fā)射，展示出多組分發(fā)光纖維在防偽方面的潛在前景。

3.2 抗紫外線及光轉(zhuǎn)換材料

熒光纖維具有優(yōu)良的吸收紫外線并發(fā)射可見光的性能，如果將特殊的熒光纖維織造到薄膜中則可以做成熒光轉(zhuǎn)換農(nóng)用薄膜轉(zhuǎn)光膜。稀土發(fā)光材料能有效地吸收陽(yáng)光中的紫外光轉(zhuǎn)換成對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)十分有利的紅橙光提高光合作用并促進(jìn)作物的生長(zhǎng)和早熟。將熒光纖維用于太陽(yáng)能電池板中也能加強(qiáng)其對(duì)太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化能力。

Konrad等[35]研究了由雙組分熔紡纖維組成的發(fā)光聚光器(LSC)的形狀因子和光照角相關(guān)性能。選用了環(huán)烯烴聚合物(COP)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚碳酸(PC)3種熱塑性聚合物用作發(fā)光染料Lumogen Red 305(LR305)的分散主體材料。并得出結(jié)論，COP最適合作為L(zhǎng)R305的主體材料。該文所述LSC可以增強(qiáng)和補(bǔ)充商用光伏太陽(yáng)能電池板的照明角度依賴性，從而增加太陽(yáng)能電池板對(duì)光能的吸收范圍。纖維基LSC(以紡織品或纖維束的形式)也可以在更間接的照明場(chǎng)景中找到光伏應(yīng)用。

3.3 功能服飾

發(fā)光纖維具有獨(dú)特的性能，所以由其制成的紡織物以及服飾深受人們追捧。用發(fā)光纖維制成的交通服，在夜間行駛的時(shí)候能給司機(jī)帶來(lái)提示，不僅極大地方便了交通指揮，又提高了交警的人身安全；地下工作時(shí)使用發(fā)光安全服在保證安全的情況下提高了工作指揮性以及工作效率；如果在消防設(shè)備上貼有用夜光材料制成的標(biāo)志，能迅速找到自救工具進(jìn)行及時(shí)地處理，達(dá)到自救或被救的目的。

Pinto等[36]通過(guò)將萘并吡喃官能化的二氧化硅納米粒子(SiO2@NPT)摻雜到聚偏氟乙烯PVDF纖維中，并采用了干濕噴射紡絲法成功制備了光響應(yīng)聚偏氟乙烯纖維膜，其纖維具有微孔外表面和內(nèi)部不對(duì)稱形態(tài)，由手指狀大孔隙和多孔海綿狀結(jié)構(gòu)組成，中心區(qū)域包含許多小空穴。其在紫外線和陽(yáng)光照射下具有良好的光響應(yīng)性能。這種纖維在功能服飾中存在較大的應(yīng)用前景，快速的光響應(yīng)能力為特種作業(yè)提供了安全保障。

3.4 智能紡織品

顯示器作為現(xiàn)代電子產(chǎn)品的重要組成部分，目前顯示器與紡織品的結(jié)合將成為了一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。將發(fā)光織物作為一個(gè)連接人機(jī)交互的橋梁開發(fā)的智能電子紡織品，將顯示器從剛性面板發(fā)展到柔性薄膜[37]上，有助于改變?nèi)藗儗?duì)于電子交互設(shè)備的使用方式。然而，電子紡織品的配置和制造不同于傳統(tǒng)的薄膜器件，傳統(tǒng)的顯示器往往在織物上的結(jié)合，導(dǎo)致織物不能水洗或者彎曲延展。而新型智能紡織品是由發(fā)光纖維編織而成，形成粗糙的多孔結(jié)構(gòu)，可以變形并適合人體輪廓[38-39]。并且由于發(fā)光纖維優(yōu)異的力學(xué)性能以及特殊的發(fā)光性能，大大拓展了智能紡織品的應(yīng)用領(lǐng)域。

圖7 智能紡織品應(yīng)用[40]Fig.7 Smart textile application[40]

施等[40]以透明離子液體摻雜的聚氨酯凝膠為原料，紡制了聚氨酯離子凝膠纖維作為導(dǎo)電緯紗。ZnS熒光粉以3/1的質(zhì)量比分散在水性聚氨酯制備發(fā)光經(jīng)紗，最終制備了一種6米長(zhǎng)、25厘米寬的顯示織物，包含5×105個(gè)電致發(fā)光單元，間距約800微米。編織導(dǎo)電緯紗和發(fā)光經(jīng)紗纖維在緯紗與經(jīng)紗的接觸點(diǎn)形成微米級(jí)的電致發(fā)光單元。電致發(fā)光單元之間的亮度偏差<8%，即使在織物彎曲、拉伸或擠壓時(shí)也保持穩(wěn)定。制備的織物柔軟透氣，經(jīng)得起反復(fù)的機(jī)洗，適合實(shí)際應(yīng)用，并展示了集成紡織品作為物聯(lián)網(wǎng)智能節(jié)點(diǎn)，在駕駛過(guò)程中提供定位服務(wù)。信息通過(guò)藍(lán)牙和微控制器模塊傳輸，可與智能手機(jī)上的位置圖同步。

Shen等[41]通過(guò)簡(jiǎn)單的濕法紡絲工藝，將稀土材料SrAl2O4:Eu2+、Dy3+熒光粉和光致變色顏料摻雜到聚丙烯腈(PAN)纖維中，結(jié)果表明，合成的纖維具有快速響應(yīng)的可逆光致變色特性，可以在300到450 nm的大范圍光線下激發(fā)，顯示出寬波段，最大峰值為525 nm，余輝持續(xù)時(shí)間超過(guò)1 h。纖維的極限強(qiáng)度超過(guò)1.39 MPa。其多色的變化拓展了其應(yīng)用領(lǐng)域，可應(yīng)用于偽裝、信號(hào)傳輸?shù)阮I(lǐng)域。其多色變化如圖 8所示。

圖8 (a)顯示了紫外線照射前的纖維，(b)在紫外線照射后，(c)在黑暗中由光致變色發(fā)光纖維編織[41]Fig.8 The fibers (a) before UV exposure, (b) after UV irradiation, and (c) woven from photochromic luminescent fibers in the dark[41]

4 結(jié) 語(yǔ)

發(fā)光纖維不僅保留了傳統(tǒng)纖維優(yōu)良的機(jī)械性能，同時(shí)還具有環(huán)境友好性、抗衰老性、色澤艷麗以及可持續(xù)發(fā)光性等獨(dú)特性能，其在防偽產(chǎn)品、抗紫外線及光轉(zhuǎn)換材料、功能服飾、智能紡織品等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。雖然目前關(guān)于發(fā)光纖維的制備方法和發(fā)光原理取得一定的成果，但仍處于初級(jí)階段，未來(lái)可以從以下幾個(gè)方向進(jìn)行深入研究。

發(fā)光纖維具有能量吸收轉(zhuǎn)化的特殊性質(zhì)，通過(guò)改善其能量轉(zhuǎn)化效率、能量吸收效率以及能量傳遞效率等，將在抗紫外線以及光轉(zhuǎn)化材料等領(lǐng)域加以拓展；發(fā)光纖維由于其具有纖維的可織造性以及發(fā)光傳感性能，通過(guò)對(duì)其纖維機(jī)械性能的優(yōu)化、發(fā)光色彩多樣化的改進(jìn)，可在可穿戴紡織品等領(lǐng)域找到更廣泛的應(yīng)用；將發(fā)光纖維與傳感器相結(jié)合、發(fā)光織物與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合等，通過(guò)改善傳感的靈敏度以及差異化，發(fā)光織物顯示的多樣化等，可在智能紡織品、智能穿戴等領(lǐng)域加以應(yīng)用。綜上所述，將發(fā)光特性材料與纖維幾何結(jié)構(gòu)相結(jié)合為聚合物發(fā)光纖維增加新的功能，以及對(duì)聚合物發(fā)光纖維的延伸產(chǎn)物，如發(fā)光織物以及發(fā)光傳感器等，與物聯(lián)網(wǎng)以及智能穿戴相結(jié)合，將會(huì)是一個(gè)很有前景的研究領(lǐng)域。