稀土發光材料在紡織的研究與現狀
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摘要：探討稀土發光材料在紡織領域的研究進展和應用現狀。介紹了稀土發光纖維的分類，簡述了稀土發光材料的制備方法及其進展，概述了稀土發光材料在制備發光纖維、織物涂層及熒光染料等在紡織領域的應用情況，展望了稀土發光材料在防護、道路安全、消防等場合的重要性。認為：拓展稀土發光材料的色彩、延長稀土發光材料發光時間是今后的研究熱點。
關鍵詞：稀土；發光材料；熒光染料；夜光纖維；熒光涂層
1稀土發光纖維的分類及制備
1．1稀土發光纖維的分類
發光材料能夠發出多色彩的光［6］，從紫外到紅外光譜，熒光壽命能夠從納秒到毫秒［7］，其中磷光能夠持續超過10h，理化性能穩定，無放射性輻射，對人體健康不造成危害［8］，節約電能且可反復使用，可用于顯像、核物理探測。稀土發光纖維主要借助于光照、紫外線的照射來吸收能量，將能量轉化為光輻射的一類纖維，由于合成纖維的紡絲過程可以人為進行控制，因此稀土發光纖維多以滌綸、丙綸及再生纖維為基材，在紡絲過程中加入發光材料及功能助劑，經特殊紡絲工藝來制備具有吸光－蓄光－發光的功能纖維［9］。這類纖維可以根據可見光的有無來呈現出色彩。在可見光照射時能夠呈現出各種色彩，可見光消失時，稀土發光纖維因添加物質的差異可以分成夜光和熒光纖維兩大類。
1．1．1夜光纖維
夜光纖維無毒害、無放射性且可循環使用，余輝性能良好。但目前夜光纖維的余輝性能仍然無法滿足夜晚照明的亮度要求，在遠離激發光源后其發光效果迅速衰減。蓄光型夜光纖維不含放射性物質［10］，在吸收外部足夠光能后可以發光，在安全防護、裝潢、道路安全、消防等場合都有應用［11］，但發光時間太短。學者們試圖用一類吸收能量并在激發停止后仍可繼續發出光的長余輝發光材料來改善夜光纖維的光亮度。長余輝發光材料備受關注，其中鋁酸鹽系列的材料性能優異［12－13］，發光效率高、余輝時間長。國家稀土夜光纖維的創始人葛明橋教授在夜光纖維的理論和應用方面都有深入研究［14］，以滌綸等化學纖維為基材，通過加入長余輝稀土鋁酸鹽來提升纖維的發光度，通過高溫固相法來制備纖維，其中的稀土離子Eu2＋、Dy3＋是基質材料SrAl2O4的激活劑，促使晶體產生缺陷，具備發光性能，發射波長是520nm。在日光照條件下能夠發出紅、藍、黃等色，無光照時可發出黃綠色系的光，持續時間可達10h以上［15］，可以通過調整激活劑的種類來獲得不同顏色。雖然長余輝材料的顏色較為多樣，光譜范圍較寬，但在纖維中的應用主要以黃綠色為主。發光材料鋁酸鹽添加到纖維中時要充分考慮其粒徑大小、含量以及相容性等因素，這樣才能保證發光纖維的正常工藝不受影響［16］。
1．1．2熒光纖維
熒光纖維以激發光源的差異可將熒光纖維分成紅外熒光纖維和紫外熒光纖維。紅外熒光纖維是指在波長為700nm～1600nm紅外光的激發下纖維能發出不同顏色的光；紫外熒光纖維在紫外光的激發下發出不同顏色光，且隨紫外光的消失后能恢復至原色。徐園園等以丙綸為基體，將紫外、紅外熒光粉與聚丙烯原料物理混合，采用熔融紡絲制備紫外／紅外雙波長熒光防偽纖維，改善了傳統熒光纖維在特定的波長范圍才發光且易被偽造的不足，在不同波長的光激發下可以顯示紅色和綠色熒光，雙波長防偽的安全性能更高，并且可以呈現出多種顏色的組合，防偽性能優異［17］。纖維素來源廣、降解性強，制備溫度較低，因此再生纖維素纖維可以用作發光纖維的基體材料［18－19］。陳超等討論了獲得再生纖維素纖維發光功能的方法，用干濕法制備Lyocell熒光纖維時，用鈦酸酯偶聯劑對長余輝稀土熒光材料進行表面改性，改善了發光粉末在紡絲溶液里分散的穩定性，成功獲得長余輝綠色Lyocell熒光纖維［20］。當長余輝粉末的含量增加時，纖維熱性能及結晶度下降，含量大于10％時，纖維的余輝性能有所改善，余輝時間增長。
1．2稀土發光纖維的制備
用來制備合成纖維的熔融紡絲、溶液紡絲都可以用來制備稀土發光纖維，此外還有表面涂層和鍵合法。將聚合物切片與發光材料物理混合后可進行熔融紡絲；將發光材料在合適的紡絲溶劑中溶解配制紡絲原液可進行溶液紡絲，但由于溶液紡絲法需要選擇合適溶劑來溶解發光材料，因此發光材料的相容性是紡絲工藝考慮的關鍵。史晨等采用濕法紡絲法，將光致變色微膠囊與長余輝發光材料共混加入到紡絲液中進行纖維成形，實現了纖維具有易變色、且變化可逆等雙功能特征［21］，滿足了人們對科技產品的好奇，同時也滿足了人們對紡織品高檔、個性以及功能性的全方面需求［22］。表面涂層法指的是通過發光色漿來制備纖維涂層，從而獲得發光纖維的一種方法，工藝簡單、可操作性強，發光材料與纖維表面的黏結強度會影響發光纖維的效果，耐酸堿性、耐摩擦性相對不好。鍵合法則是首先將發光材料通過分子形式與聚合物進行聚合或縮合，或者其與聚合物的側鏈配位，再進行紡絲來制備發光纖維。這種方法得到的纖維穩定性好，但從聚合物設計到發光材料選擇等工藝難控制，紡絲難度較大。
2稀土發光材料的應用
2．1發光纖維用于織物開發
服裝是紡織品的成形產品，在服裝設計過程中巧妙地運用發光材料，將色彩、舒適性以及服裝的清潔保養合理考量，能夠進一步開拓發光材料的應用潛力并拓展服裝設計的空間。發光纖維與普通化學纖維的機械性能相似，可以達到目前織物織造工藝的要求，在時尚服飾如T－Shirt、休閑服、舞臺裝、室內裝飾材料等民用領域有所應用。但在使用發光纖維織物進行織物設計過程中，要注意織物的參數如緊度、厚度、組織結構、單位面積質量等參數都會影響織物的發光效果，這是在應用中要格外引起重視的一點，否則會使發光織物的功能性大大削弱。利用發光纖維所得到的織物保持了原有的柔軟性和舒適性，還可利用發光纖維與其他原料紗線交織形成不同花紋效果，而且最大的特點就是具有夜晚發光的裝飾效果，這對服裝效果展示具有很好的提升作用。
2．2發光材料用于織物熒光涂層處理
涂層是織物后整理的一種常見方法，在熒光粉選擇過程中要充分考慮到用于織物涂層的熒光粉應滿足無毒無害、理化性能穩定、對人體安全。熒光涂層整理可以把發光材料和黏合劑充分混合成涂料，采用涂層工藝對基布進行后整理來制備具有發光功能的面料。常用的超長余輝熒光粉有SrO2Al2O3（MSiO2）：Eu2＋，日常光源就能對其激發作用，發射的波長位于可見光范圍。由于發光材料有長效的吸光和蓄光特性，因此將發光材料處理后添加到染色浴或漿料中，能夠顯著提高顏色深度和鮮艷度，尹桂波等采用Eu3＋有機物在薄、厚型織物進行涂層整理，測試織物的防紫外效果，試驗結果表明，整理后的薄型織物的紫外線防護系數明顯改善，提高了將近10倍［23］。
2．3發光材料用于熒光染料
織物用熒光染料是指在織物染色過程中，將熒光染料與染液混合后再對織物進行染色，這樣處理對織物的增亮增艷效果大有提升，同時在紫外光的照射下能夠散發出熒光效果。根據纖維及織物的原料差異所對應的染色機理差異，熒光染料也分為分散、酸性、活性熒光染料，國內研究傾向于染色工藝的完善，所用熒光染料多為國外進口，熒光染料的性能也相對穩定。呂洲等通過脂肪族的聚氨酯作為黏合劑、將光致變色的色漿以無水印花的方法處理到棉織物表面，得到了光致變色的效果，并討論黏合劑的種類和用量以及焙烘工藝、色漿用量等因素對長余輝發光織物效果的影響［24］。國外還有研究是基于香豆素合成熒光染料，應用于羊毛染色，試驗結果表明，羊毛纖維用紅色染料染色時損耗較少，固色效果好，耐光牢度可達4級～5級。這類服裝在原料上不僅僅受限于合成纖維，還可拓展到其他纖維原料，因此服裝的舒適度不會受到太大影響，應用方式的合理選擇也會保證服裝具有很好的舒適性，從而更好地發揮發光材料在無光照條件下能發光的優勢，提升面料的鮮艷度。
3稀土發光材料的使用領域
稀土發光材料的引入，不僅可以提升紡織品的藝術性、裝飾性，更能體現其不可替代的功能性［25－26］，目前采用發光材料制備的紡織品涉及到服裝面料、發光毛絨玩具、觀賞畫等，還可用于國防、建筑、交通等場合發揮其特殊功能。在家用紡織品的應用上，以蓄光纖維為原料制作發光的窗簾、拖鞋，除了保證傳統的使用功能外，還可以在無光時方便夜間活動。根據國際海事局相關規定，遠洋輪上面的工作人員必須穿著具有夜光標志的服裝；夜間的軍事訓練所用降落傘上，需要采用夜間的發光織物來保證人員的安全；礦井工作的礦工需要穿著發光服裝以及佩戴發光繩索，便于逃生及救援；消防設施或器材的制備過程需要用到發光材料的織物，方便在火災發生時消防員或設施能夠立刻被發現，便于自救或被救，消防員在實際火場救援時所用發光裝備經常出現纏繞、電路中斷而無法發光的現象，目前研究了利用長余輝發光材料來制備夜光水帶的方法［27］，改善導向功能，降低傷亡率；公共場所中要加入用發光材料制成的引導標記，便于指引人們有序撤離。
4結束語
人們對紡織品的性能要求已經發生轉變，個性化、功能化已經成為紡織品高附加值的體現，稀土發光材料是近年來逐步進入消費者視野的功能材料，將其巧妙地運用到紡織品設計中可以充分發揮其發光特色，不僅能夠從設計角度豐富服裝【77】的視覺效果，同時在消防、交通、海事等方面發揮其不可替代的作用。盡管目前的研究還在初始階段，但稀土發光材料在紡織上的應用將會越來越廣泛，拓展稀土發光材料的色彩、延長發光時間將是今后亟待解決的問題。
作者：周燕 吳惠英 劉采夢 張玉嬌 徐露黎 單位：蘇州經貿職業技術學院
