蓄光織物的性能及應(yīng)用

邵月冰, 宋曉霞

(上海工程技術(shù)大學(xué) 紡織服裝學(xué)院,上海 201620)

隨著經(jīng)濟的發(fā)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(fā)光10 h。蓄光織物利用電子的能級躍遷發(fā)光,即吸收一定可見光能量,從而在無光時實現(xiàn)持續(xù)發(fā)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(lǐng)域都有應(yīng)用,如建筑裝潢、交通運輸、軍事設(shè)施、家居生活等。為了梳理蓄光織物的優(yōu)點和不足,探討其未來發(fā)展空間,文中總結(jié)了發(fā)光材料的發(fā)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(xiàn)狀及市場應(yīng)用情況,以期為蓄光織物的后期發(fā)展提供一定參考。

1 蓄光織物用發(fā)光材料及織物的制備

1.1 蓄光織物用發(fā)光材料

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

表1 3代發(fā)光材料對比

1.2 蓄光織物的制備

依據(jù)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(fā)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(jīng)過特種紡絲工藝加工而成[8];蓄光涂層(印花)織物是在發(fā)光材料中加入成膜物質(zhì)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(fā)光性能

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

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

1)發(fā)光材料的影響。不同發(fā)光材料會產(chǎn)生不同的發(fā)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(fā)光劑,熔紡了發(fā)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(jié)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(fā)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(fā)光亮度影響較大,顏料的添加降低了蓄光纖維的發(fā)光亮度,顏料顏色的明暗程度對蓄光纖維的發(fā)光亮度影響較大。ZHU Y N等[12]以稀土鋁酸鍶為稀土發(fā)光材料,以成纖聚合物為基體,制造了含有不同光轉(zhuǎn)換劑的發(fā)光纖維,研究了光轉(zhuǎn)換劑對纖維發(fā)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(yīng),保證了纖維中SrAl2O4：Eu2+,Dy3+的發(fā)光特性。LI J等[13]用稀土鋁酸鍶(SrAl2O4)制備了發(fā)光非織造布,使用印染技術(shù)用發(fā)出紫色光的光敏材料處理,結(jié)果顯示,織物的發(fā)光特性在印刷過程中發(fā)生了變化。LI J等[14]還用多色熒光顏料和SrAl2O4：Eu2+,Dy3+發(fā)光材料制備了發(fā)光涂層織物,結(jié)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(fā)光性能,但是光轉(zhuǎn)換劑對織物發(fā)光性能沒有影響。因此,可以通過添加光轉(zhuǎn)換劑等方法實現(xiàn)織物的顏色變換,降低顏料對織物發(fā)光性能的影響。

3)纖維基質(zhì)、織物組織結(jié)構(gòu)和密度的影響。閆彥紅[11]通過實驗表明,纖維基質(zhì)對蓄光纖維的發(fā)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(fā)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(fā)光亮度最大,彩色繡線繡制的織物發(fā)光亮度相對較低,且發(fā)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(fā)光亮度比雙反面組織和緯平針組織的蓄光織物強,且發(fā)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(shù)學(xué)綜合評判的方法,得出1+1羅紋組織的綜合性能最優(yōu)。LI J等[17]采用計算機輔助繡花機制作蓄光面料,結(jié)果表明,針距的大小與織物的發(fā)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(fā)光織物亮度更高,發(fā)光時間更長,發(fā)光穩(wěn)定性更好。

綜上,可以拓寬纖維基質(zhì)的研究種類,找到發(fā)光性能相對更優(yōu)的纖維基質(zhì);不同組織結(jié)構(gòu)織物的發(fā)光性能不同,組織結(jié)構(gòu)越密集、越厚實,織物的發(fā)光性能越好,因此可以挖掘更多組織結(jié)構(gòu)的蓄光織物,在保證發(fā)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(fā)光性能的光源因素有光源種類和激發(fā)時間。袁志磊等[18]通過實驗得出,光源、激發(fā)時間和水洗都對織物的發(fā)光性能有影響,在相同光照強度下,用D65光源激發(fā)的初始亮度最大,其次為 CWF光源、A光源,F光源激發(fā)的初始亮度最低;初始亮度隨著激發(fā)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(fā)光性能實驗時,要注意光源種類和激發(fā)時間這兩個變量,保證光源種類不變,光源激發(fā)時間保持在20 min左右即可。

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

因此,應(yīng)深入探討如何降低摩擦等外界環(huán)境因素對蓄光織物發(fā)光性能的影響。此外,在使用蓄光織物產(chǎn)品的時候,需要注意產(chǎn)品的養(yǎng)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(zhuǎn)換劑。江南大學(xué)[21]研制出11種不同顏色的稀土蓄光纖維發(fā)光紡織面料,以及發(fā)光毛絨玩具等蓄光纖維發(fā)光制品。孫理等[22]研究了蓄光材料在不同織物上的發(fā)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(guān)系,分析了有色顏料的添加對蓄光纖維光色性能的影響。結(jié)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(qū)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(zhuǎn)換劑,蓄光纖維的發(fā)射顏色可以很容易地從黃綠色調(diào)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(fā)光材料的成分和制備,指出為擴大長余輝發(fā)光材料的應(yīng)用范圍,需進一步豐富材料的發(fā)光顏色。呂艷玲[7]指出,目前綠光和藍光的長余輝發(fā)光材料可達商用的要求,但紅色長余輝發(fā)光材料的發(fā)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(jīng)比較成熟,但余輝性能較好的紅光蓄光纖維的制備技術(shù)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(fā)射波段的長余輝發(fā)光材料(特別是紅色長余輝材料)均未能達到大規(guī)模商業(yè)要求,事實上即便是綠色長余輝發(fā)光材料,其性能也有待改進。綜上得出,目前能夠大規(guī)模商業(yè)化的蓄光纖維光色較為單一,多色蓄光纖維和多色發(fā)光材料的制備技術(shù)還不夠成熟。因此,需開發(fā)光色更豐富且可大規(guī)模商業(yè)化的蓄光纖維,提高制備蓄光纖維和多色發(fā)光材料的技術(shù)。

2.3 環(huán)保性能

蓄光型發(fā)光材料十分珍貴,目前已經(jīng)研究出很好的回收方案,實現(xiàn)蓄光織物的高可回收性。ZHU Y N等[26]采用醇解法從發(fā)光聚酯織物中回收了SrAl2O4：Eu2+,Dy3+發(fā)光材料,結(jié)果表明,在一定條件下聚酯發(fā)光織物可基本降解,通過在回收的發(fā)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(fā)光材料。蓄光纖維的制作過程非常環(huán)保,無需進行染色,避免了染色廢水的污染。

目前應(yīng)用最廣泛的是稀土鋁酸鹽的蓄光型發(fā)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(huán)境友好,對人體無害,且蓄光織物可無限循環(huán)使用,可儲存太陽能實現(xiàn)夜晚發(fā)光。太陽能是清潔能源,無需用電,可節(jié)約能源,符合國家倡導(dǎo)的可持續(xù)發(fā)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(chǎn)品需求進行了問卷調(diào)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(tǒng)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(shè)計并開發(fā)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(jié)果表明,面料具有優(yōu)異的服用性能和發(fā)光性能,適宜開發(fā)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(chǎn),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(fā)的空氣層組織面料厚實挺括,適合針織時裝內(nèi)衣及毛衫的開發(fā)。王偉等[31]制備的PET蓄光纖維不僅具有較強的發(fā)光亮度,也具有較大的斷裂強度。陸艷等[32]設(shè)計制作了蓄光機織面料,測試了面料的性能,結(jié)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(fā)光亮度,但略微降低了纖維的力學(xué)性能。陳嘉毅等[33]制作了兩種蓄光雙層機織面料,結(jié)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(fā)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(jié)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(dāng)前對蓄光型發(fā)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(fā)舒適性良好的夜光服裝。

3 蓄光織物及材料的應(yīng)用

蓄光織物及材料的應(yīng)用領(lǐng)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(yīng)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(fā)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(fā)展空間廣闊。

3.1 服裝領(lǐng)域的應(yīng)用

蓄光織物具有很強的安全警示功能,在服裝領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展空間,可以應(yīng)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(fā)光的性能可以呈現(xiàn)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(yīng)用在舞臺表演者的演出服上,呈現(xiàn)出特別的舞臺效果,為舞蹈、小品、話劇等藝術(shù)創(chuàng)作提供了更多的可能性,豐富其藝術(shù)表達。在夜間救援、消防過程中,救援者更容易發(fā)現(xiàn)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(yīng)用于航海員的工作服上,一旦發(fā)生海難,發(fā)光的工作服可以使航海員更容易被救援人員發(fā)現(xiàn)。國際海事局曾作出相關(guān)規(guī)定,凡是在遠洋輪上的工作服必須有夜光標(biāo)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(xiàn)狀,發(fā)現(xiàn)蓄光材料大多以涂層的方式實現(xiàn),可能是因為涂層操作簡單;另外,蓄光織物主要應(yīng)用于潮流服裝和戶外兒童服裝上,在高端服裝領(lǐng)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(fā)人員缺乏對稀土的了解。歐美地區(qū)在全球時尚領(lǐng)域有較高的話語權(quán),蓄光織物缺少歐美研發(fā)人員的關(guān)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(fā)光,但是在有光照的情況下,發(fā)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(fā)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(lǐng)域應(yīng)用廣泛,因為夜晚的車燈光照強度非常大,經(jīng)反光材料反射后的光線非常醒目,而蓄光材料在強光下發(fā)光亮度低;但是在較為黑暗的條件下,蓄光織物可以發(fā)光,反光條則不行,因此在進行夜跑服等服裝設(shè)計時,可以將蓄光織物和反光條相結(jié)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(shù),因此蓄光織物沒有受到商家和設(shè)計師的青睞。

3.2 家居領(lǐng)域的應(yīng)用

蓄光織物可以應(yīng)用在家居領(lǐng)域,如夜光兒童窗簾(見圖3),通過夜間發(fā)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(yīng)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(nèi)外游客的廣泛關(guān)注。

圖3 夜光兒童窗簾

圖4 夜光毛絨玩具

3.3 工業(yè)產(chǎn)品的應(yīng)用

蓄光織物可以應(yīng)用在夜間軍事訓(xùn)練的降落傘等軍事裝備上,提升訓(xùn)練安全性[35];應(yīng)用在野戰(zhàn)部隊中,如衛(wèi)生包上,以便衛(wèi)生員在無光的環(huán)境中快速實施衛(wèi)勤保障[37];還可以應(yīng)用到夜間救援領(lǐng)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(yè)發(fā)達的國家,蓄光纖維已經(jīng)被制作成夜光漁網(wǎng)投入實際生產(chǎn)中[38],中國也有很多用蓄光材料制備的產(chǎn)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(chǎn)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(fā)光材料還可以應(yīng)用在室內(nèi)外裝潢、公路工程方面。蓄光陶瓷的發(fā)光顏色多種多樣,可適用于室內(nèi)外裝飾材料[39],如地磚、條磚、腰線磚、墻磚等,既美化家居環(huán)境,又方便人們夜晚時在房間內(nèi)活動,避免發(fā)生意外傷害。蓄光人造石材也可以應(yīng)用于建筑物的內(nèi)外裝修上[40],它屬于節(jié)能、環(huán)保、低碳的新型建材,在商業(yè)步行街、小區(qū)綠地步道、樓梯發(fā)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(biāo)識材料能在雨夜、煙霧等環(huán)境中彌補發(fā)光材料的不足[42],具有夜間行車視線誘導(dǎo)的作用,也能為行人起到引導(dǎo)作用[43]。

4 結(jié)語

目前,對蓄光織物的研究已經(jīng)取得了較大的進展,然而在實際應(yīng)用中,蓄光織物的發(fā)光性能、光色性能還是稍顯不足,并且缺少研發(fā)人員的關(guān)注,導(dǎo)致在服裝市場上的應(yīng)用并不廣泛。后續(xù)可以從以下方向展開研究。

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

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(biāo),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(fā)穿著舒適性良好的服裝。

3)針對不同需求進行設(shè)計。在光照強度較低的場景,蓄光織物有較好的發(fā)光效果?？梢詫ふ腋喙庹諒姸鹊偷膱鼍?結(jié)合使用者需求,增加產(chǎn)品的附加值,使產(chǎn)品具有舞臺發(fā)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。