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稀土发光材料在纺织的研究与现状

时间:2020-08-17 08:37来源:未知 作者:admin 点击:
摘要:探讨稀土发光材料在纺织领域的研究进展和应用现状。介绍了稀土发光纤维的分类,简述了稀土发光材料的制备方法及其进展,概述了稀土发光材料在制备发光纤维、织物涂层及荧光染料等在纺织领域的应用情况,展望了稀土发光材料在防护、道路安全、消防等场
  
摘要:探讨稀土发光材料在纺织领域的研究进展和应用现状。介绍了稀土发光纤维的分类,简述了稀土发光材料的制备方法及其进展,概述了稀土发光材料在制备发光纤维、织物涂层及荧光染料等在纺织领域的应用情况,展望了稀土发光材料在防护、道路安全、消防等场合的重要性。认为:拓展稀土发光材料的色彩、延长稀土发光材料发光时间是今后的研究热点。
 
关键词:稀土;发光材料;荧光染料;夜光纤维;荧光涂层
 
1稀土发光纤维的分类及制备
 
1.1稀土发光纤维的分类
 
发光材料能够发出多色彩的光[6],从紫外到红外光谱,荧光寿命能够从纳秒到毫秒[7],其中磷光能够持续超过10h,理化性能稳定,无放射性辐射,对人体健康不造成危害[8],节约电能且可反复使用,可用于显像、核物理探测。稀土发光纤维主要借助于光照、紫外线的照射来吸收能量,将能量转化为光辐射的一类纤维,由于合成纤维的纺丝过程可以人为进行控制,因此稀土发光纤维多以涤纶、丙纶及再生纤维为基材,在纺丝过程中加入发光材料及功能助剂,经特殊纺丝工艺来制备具有吸光-蓄光-发光的功能纤维[9]。这类纤维可以根据可见光的有无来呈现出色彩。在可见光照射时能够呈现出各种色彩,可见光消失时,稀土发光纤维因添加物质的差异可以分成夜光和荧光纤维两大类。
 
1.1.1夜光纤维
 
夜光纤维无毒害、无放射性且可循环使用,余辉性能良好。但目前夜光纤维的余辉性能仍然无法满足夜晚照明的亮度要求,在远离激发光源后其发光效果迅速衰减。蓄光型夜光纤维不含放射性物质[10],在吸收外部足够光能后可以发光,在安全防护、装潢、道路安全、消防等场合都有应用[11],但发光时间太短。学者们试图用一类吸收能量并在激发停止后仍可继续发出光的长余辉发光材料来改善夜光纤维的光亮度。长余辉发光材料备受关注,其中铝酸盐系列的材料性能优异[12-13],发光效率高、余辉时间长。国家稀土夜光纤维的创始人葛明桥教授在夜光纤维的理论和应用方面都有深入研究[14],以涤纶等化学纤维为基材,通过加入长余辉稀土铝酸盐来提升纤维的发光度,通过高温固相法来制备纤维,其中的稀土离子Eu2+、Dy3+是基质材料SrAl2O4的激活剂,促使晶体产生缺陷,具备发光性能,发射波长是520nm。在日光照条件下能够发出红、蓝、黄等色,无光照时可发出黄绿色系的光,持续时间可达10h以上[15],可以通过调整激活剂的种类来获得不同颜色。虽然长余辉材料的颜色较为多样,光谱范围较宽,但在纤维中的应用主要以黄绿色为主。发光材料铝酸盐添加到纤维中时要充分考虑其粒径大小、含量以及相容性等因素,这样才能保证发光纤维的正常工艺不受影响[16]。
 
1.1.2荧光纤维
 
荧光纤维以激发光源的差异可将荧光纤维分成红外荧光纤维和紫外荧光纤维。红外荧光纤维是指在波长为700nm~1600nm红外光的激发下纤维能发出不同颜色的光;紫外荧光纤维在紫外光的激发下发出不同颜色光,且随紫外光的消失后能恢复至原色。徐园园等以丙纶为基体,将紫外、红外荧光粉与聚丙烯原料物理混合,采用熔融纺丝制备紫外/红外双波长荧光防伪纤维,改善了传统荧光纤维在特定的波长范围才发光且易被伪造的不足,在不同波长的光激发下可以显示红色和绿色荧光,双波长防伪的安全性能更高,并且可以呈现出多种颜色的组合,防伪性能优异[17]。纤维素来源广、降解性强,制备温度较低,因此再生纤维素纤维可以用作发光纤维的基体材料[18-19]。陈超等讨论了获得再生纤维素纤维发光功能的方法,用干湿法制备Lyocell荧光纤维时,用钛酸酯偶联剂对长余辉稀土荧光材料进行表面改性,改善了发光粉末在纺丝溶液里分散的稳定性,成功获得长余辉绿色Lyocell荧光纤维[20]。当长余辉粉末的含量增加时,纤维热性能及结晶度下降,含量大于10%时,纤维的余辉性能有所改善,余辉时间增长。
 
1.2稀土发光纤维的制备
 
用来制备合成纤维的熔融纺丝、溶液纺丝都可以用来制备稀土发光纤维,此外还有表面涂层和键合法。将聚合物切片与发光材料物理混合后可进行熔融纺丝;将发光材料在合适的纺丝溶剂中溶解配制纺丝原液可进行溶液纺丝,但由于溶液纺丝法需要选择合适溶剂来溶解发光材料,因此发光材料的相容性是纺丝工艺考虑的关键。史晨等采用湿法纺丝法,将光致变色微胶囊与长余辉发光材料共混加入到纺丝液中进行纤维成形,实现了纤维具有易变色、且变化可逆等双功能特征[21],满足了人们对科技产品的好奇,同时也满足了人们对纺织品高档、个性以及功能性的全方面需求[22]。表面涂层法指的是通过发光色浆来制备纤维涂层,从而获得发光纤维的一种方法,工艺简单、可操作性强,发光材料与纤维表面的黏结强度会影响发光纤维的效果,耐酸碱性、耐摩擦性相对不好。键合法则是首先将发光材料通过分子形式与聚合物进行聚合或缩合,或者其与聚合物的侧链配位,再进行纺丝来制备发光纤维。这种方法得到的纤维稳定性好,但从聚合物设计到发光材料选择等工艺难控制,纺丝难度较大。
 
2稀土发光材料的应用
 
2.1发光纤维用于织物开发
 
服装是纺织品的成形产品,在服装设计过程中巧妙地运用发光材料,将色彩、舒适性以及服装的清洁保养合理考量,能够进一步开拓发光材料的应用潜力并拓展服装设计的空间。发光纤维与普通化学纤维的机械性能相似,可以达到目前织物织造工艺的要求,在时尚服饰如T-Shirt、休闲服、舞台装、室内装饰材料等民用领域有所应用。但在使用发光纤维织物进行织物设计过程中,要注意织物的参数如紧度、厚度、组织结构、单位面积质量等参数都会影响织物的发光效果,这是在应用中要格外引起重视的一点,否则会使发光织物的功能性大大削弱。利用发光纤维所得到的织物保持了原有的柔软性和舒适性,还可利用发光纤维与其他原料纱线交织形成不同花纹效果,而且最大的特点就是具有夜晚发光的装饰效果,这对服装效果展示具有很好的提升作用。
 
2.2发光材料用于织物荧光涂层处理
 
涂层是织物后整理的一种常见方法,在荧光粉选择过程中要充分考虑到用于织物涂层的荧光粉应满足无毒无害、理化性能稳定、对人体安全。荧光涂层整理可以把发光材料和黏合剂充分混合成涂料,采用涂层工艺对基布进行后整理来制备具有发光功能的面料。常用的超长余辉荧光粉有SrO2Al2O3(MSiO2):Eu2+,日常光源就能对其激发作用,发射的波长位于可见光范围。由于发光材料有长效的吸光和蓄光特性,因此将发光材料处理后添加到染色浴或浆料中,能够显著提高颜色深度和鲜艳度,尹桂波等采用Eu3+有机物在薄、厚型织物进行涂层整理,测试织物的防紫外效果,试验结果表明,整理后的薄型织物的紫外线防护系数明显改善,提高了将近10倍[23]。
 
2.3发光材料用于荧光染料
 
织物用荧光染料是指在织物染色过程中,将荧光染料与染液混合后再对织物进行染色,这样处理对织物的增亮增艳效果大有提升,同时在紫外光的照射下能够散发出荧光效果。根据纤维及织物的原料差异所对应的染色机理差异,荧光染料也分为分散、酸性、活性荧光染料,国内研究倾向于染色工艺的完善,所用荧光染料多为国外进口,荧光染料的性能也相对稳定。吕洲等通过脂肪族的聚氨酯作为黏合剂、将光致变色的色浆以无水印花的方法处理到棉织物表面,得到了光致变色的效果,并讨论黏合剂的种类和用量以及焙烘工艺、色浆用量等因素对长余辉发光织物效果的影响[24]。国外还有研究是基于香豆素合成荧光染料,应用于羊毛染色,试验结果表明,羊毛纤维用红色染料染色时损耗较少,固色效果好,耐光牢度可达4级~5级。这类服装在原料上不仅仅受限于合成纤维,还可拓展到其他纤维原料,因此服装的舒适度不会受到太大影响,应用方式的合理选择也会保证服装具有很好的舒适性,从而更好地发挥发光材料在无光照条件下能发光的优势,提升面料的鲜艳度。
 
3稀土发光材料的使用领域
 
稀土发光材料的引入,不仅可以提升纺织品的艺术性、装饰性,更能体现其不可替代的功能性[25-26],目前采用发光材料制备的纺织品涉及到服装面料、发光毛绒玩具、观赏画等,还可用于国防、建筑、交通等场合发挥其特殊功能。在家用纺织品的应用上,以蓄光纤维为原料制作发光的窗帘、拖鞋,除了保证传统的使用功能外,还可以在无光时方便夜间活动。根据国际海事局相关规定,远洋轮上面的工作人员必须穿着具有夜光标志的服装;夜间的军事训练所用降落伞上,需要采用夜间的发光织物来保证人员的安全;矿井工作的矿工需要穿着发光服装以及佩戴发光绳索,便于逃生及救援;消防设施或器材的制备过程需要用到发光材料的织物,方便在火灾发生时消防员或设施能够立刻被发现,便于自救或被救,消防员在实际火场救援时所用发光装备经常出现缠绕、电路中断而无法发光的现象,目前研究了利用长余辉发光材料来制备夜光水带的方法[27],改善导向功能,降低伤亡率;公共场所中要加入用发光材料制成的引导标记,便于指引人们有序撤离。
 
4结束语
 
人们对纺织品的性能要求已经发生转变,个性化、功能化已经成为纺织品高附加值的体现,稀土发光材料是近年来逐步进入消费者视野的功能材料,将其巧妙地运用到纺织品设计中可以充分发挥其发光特色,不仅能够从设计角度丰富服装【77】的视觉效果,同时在消防、交通、海事等方面发挥其不可替代的作用。尽管目前的研究还在初始阶段,但稀土发光材料在纺织上的应用将会越来越广泛,拓展稀土发光材料的色彩、延长发光时间将是今后亟待解决的问题。
(责任编辑:mac)
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