织造对不同结构光纤织物侧发光性能的影响

黄葆荷，王金春，杨 斌

(浙江理工大学先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室，浙江杭州 310018)

塑料光纤具有导光、柔软、安全等特点，可以作为发光载体制备发光织物，已经成功应用在室内装饰［1-3］、舞台服饰［4］、柔性显示［5-6］、医疗［7-8］等领域。通常光纤的侧发光是利用化学溶剂腐蚀［9-10］、机械破坏和等离子［11］等后处理形成，本文的发光织物是利用织造过程本身对光纤的损伤获得均匀的侧发光效果，不需要再做进一步的加工处理，对织物整体损伤小。

本文课题组前期研究利用织物组织点的作用使光纤发生弯曲形成侧发光效果，开发了图案和颜色可变换的发光织物［12］。这种方法由于要形成发光图案，需通过组织设计，避免光纤在织造过程中受到损伤形成侧发光，采用纬面组织但反面织造。本文探讨的织造过程对光纤的损伤，一方面对上述利用弯曲形成一定图案的发光织物设计提供有益帮助;另一方面在不需要形成图案的情况下，可简单地通过织造损伤形成发光。本文研究织造过程中光纤的损伤机制，对比不同组织结构光纤织物的破坏情况和发光亮度，从而合理利用织造过程中的损伤，开发具有一定发光亮度的光纤发光织物。

1 织造过程光纤表面损伤分析

光纤在织造过程中会受到机械性的损伤。当光纤作为纬纱织入织物中，需要经过储纬器、引纬、打纬、卷取等装置和运动机构的作用，不仅空间形态发生变化，而且光纤表面也会受到各种力的作用产生损伤。图1示出织造前后塑料光纤强力-伸长率曲线。由图可见，织造前光纤的断裂强力为7.02 N，断裂伸长率为90.19%，织造后其断裂强力为3.63 N，断裂伸长率为30.96%，织造后光纤的断裂强力和断裂伸长率明显下降，其中断裂伸长率几乎是织造前的1/3。表明光纤表面产生缺陷，导致拉伸时应力集中加速断裂。

图1 塑料光纤强力与伸长率曲线Fig.1 Force-elongation curve of polymer optical fiber

观察织造过程发现，储纬器上光纤发生的弯曲以及引纬时光纤受到的拉伸对光纤的损伤都较小，还不足以形成侧面发光。打纬时，光纤和经纱产生滑动摩擦，光纤表面形成划痕，破坏程度较轻，如图2(a)所示。卷取时，光纤受到卷取轴的挤压并与已卷取的织物表面发生摩擦，使光纤发生了较大的破坏，导致光纤漏光，如图2(b)所示，正是这种卷取过程的损伤使织物表面形成了点状的发光效果。图3示出经过织造后光纤织物的侧发光效果。从图可看出，织物表面经向方向发光较为均匀，纬向随光源距离呈现有规律的衰减，因此，从上述实验分析可知，织造对光纤的损伤主要发生在卷取过程中的挤压作用，使织物表面的光纤形成散在分布的损伤点，从而使光纤中本应全反射的光泄漏达到侧发光效果。这对于制备不形成图案的发光织物是一种非常简便的有效方式。

图2 织造后光纤表面形貌(×200)Fig.2 Surface morphology of POF after weaving.(a)Rubbed by warp yarns;(b)Extruded and rubbed by take-up roll

图3 光纤织物侧发光效果Fig.3 Side illumination effect of POF fabric

2 织物测试及分析

实验所用的光纤为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)芯、氟树脂包层的端发光塑料光纤，用SMIT GS900剑杆提花机使织物正面朝上织造，有利于织物表面的光纤与卷取轴挤压接触。经纱为8.33 tex(纱线直径约为0.088 mm)涤纶网络丝，密度为670根/10cm，纬纱为直径0.25 mm塑料光纤，密度为200根/10cm，分别试织平纹、1上2下斜纹、4枚纬缎、5枚纬缎、8枚纬缎、16枚纬缎和32枚纬缎织物。

织物侧发光强度测试仪器为TOPCON BM-5A亮度色度计，测量方法如图4所示。采用5 mm直径绿色发光二极管(LED)作为光源，电压为3 V，BM-SA亮度色度计中心与试样的距离为80cm，测量角度为2°，测量圆形区域直径为19.7 mm，测量区域离光源分别为 10、18、26、34、42、58、74cm。

图4 侧发光强度测试示意图Fig.4 Schematic of side-glowing intensity measurement

2.1 三原组织织物侧发光强度的比较

图5 示出3种典型三原组织织物侧发光强度曲线。测量结果表明，5枚纬缎织物的侧发光强度最高，1上2下斜纹次之，平纹织物最低。这是因为三原组织在经纬纱原料、纱线细度、经纬向密度相同的情况下，对于不同组织，织物的紧度、屈曲波高、表面纱线浮长等参数存在差异，导致光纤织物的侧发光强度不同。平纹织物中，组织循环内经纬纱之间一上一下交错，光纤上下受力均匀，基本呈直线状态嵌在织物中，而且光纤表面几乎被经纱遮盖，使得卷取时光纤与卷轴表面隔离，保护光纤不被破坏，因此，平纹织物的侧发光强度最低，但由于光纤在织造过程中与经纱会产生较轻摩擦损伤，因此会有一些微弱的光透射出来，如图5和图6(a)所示。对于1上2下斜纹和5枚纬缎织物，光纤在织物正面呈现的浮长较长，卷取时与卷轴发生较强挤压，产生了破坏，使得织物的侧发光强度明显提高。如图5和图 6(b)、(c)所示。

图5 三原组织织物侧发光强度曲线Fig.5 Side-glowing intensity of three-elementary weaves fabrics

图6 三原组织织物的表面形貌(×25)Fig.6 Surface morphologies of three-elementary weaves fabrics.(a)Plain fabric;(b)Twill fabric;(c)5-thread satin fabric

图7 示出光纤织物相对侧发光强度的衰减情况。由图可见，曲线衰减越快，表明光纤表面破坏越严重，织物的侧发光强度就越高。平纹织物中光纤既没有弯曲，也极少被破坏，相对侧发光强度衰减曲线很平缓。5枚纬缎织物曲线衰减最大，说明光纤破坏严重，曲线衰减趋势和织物侧发光强度曲线相一致。

综上所述，平纹和斜纹这2种组织，光纤的弯曲程度小，且织物表面光纤浮长较短，侧发光强度低。而纬缎织物光纤浮长较长，从而与卷轴表面充分地接触挤压，产生破坏，因此选用缎纹组织，可以得到较好的发光效果。

图7 三原组织织物相对侧发光强度衰减曲线Fig.7 Relative intensity decay curves of three-elementary weaves fabrics

2.2 几种缎纹织物侧发光强度的比较

通过比较三原组织织物的侧发光强度表明，在相同条件下纬缎织物的侧发光强度最高。主要原因是光纤在织物表面的浮长越长，与卷取轴表面接触的面积越大，光纤表面受到挤压产生的破损就越多，织物的侧发光强度也就越高。为进一步说明浮长对发光效果的影响，采用几种纬缎组织进行分析。图8示出几种缎纹织物的侧发光强度曲线。由图可见，随着光纤浮长的增加，织物的侧发光强度也逐渐增大，其中16枚纬缎和32枚纬缎织物的侧发光强度明显高于8枚纬缎和4枚纬缎织物，32枚纬缎织物与16枚纬缎织物的侧发光强度没有显著地变化。说明此时光纤浮长的影响已不再是主导因素。

图8 缎纹组织织物侧发光强度曲线Fig.8 Side-glowing intensity of stain fabrics

图9 示出这几种缎纹织物相对侧发光强度的衰减曲线。由图可见，16枚纬缎的衰减程度要大于32枚纬缎，表明16枚纬缎织物中光纤的破坏程度要大于32枚纬缎。离光源距离较近时，16枚纬缎织物的侧发光强度大于32枚纬缎;随着距离的增大，16枚纬缎织物侧发光强度小于32枚纬缎，这是因为16枚纬缎织物中光纤的破坏程度高，靠光源处光纤逸出的光多，导致后续光能量下降。造成16枚纬缎织物发光强度反而大于32枚纬缎织物的原因是：当浮长增加到一定长度时，其对侧发光的增强作用不再明显，这时光纤的弯曲程度起主要作用，随着组织循环数的增大，弯曲程度减小，因此32枚纬缎织物虽然浮长较16枚纬缎的要长，但弯曲小，发光强度变化不大，如图10所示。通过上述实验分析可知：16枚纬缎织物可形成较高的侧发光强度，而且组织循环大小适中，是设计发光织物的较佳组织。

图9 缎纹织物相对侧发光强度衰减曲线Fig.9 Relative intensity decay curves of stain fabrics

图10 16枚纬缎和32枚纬缎织物的表面形貌(×25)Fig.10 Surface morphology of satin weaves fabric.(a)16-thread satin weaves fabric;(b)32-thread satin weaves fabric

3 结论

通过织造过程中光纤的损伤研究，以及对比不同组织光纤织物的破坏情况和发光亮度，得出如下结论。

1)织造对光纤的损伤主要发生在卷取过程中，由于光纤受到卷取轴的挤压破坏，使光纤表面损伤而产生光的泄漏。

2)比较了平纹、斜纹、缎纹织物的侧发光强度，平纹织物中光纤基本呈直线状态，表面浮长最短从而损伤最小;缎纹织物表面光纤浮长较长，与卷取轴接触产生较大挤压破坏，发光强度最高。

3)综合考虑光纤浮长和弯曲的影响，从发光效果来看，如果利用织造过程中的损伤开发具有一定发光亮度的光纤织物，16枚纬缎是较佳的选择。

［1］BROCHIER C， LYSENKO A A.Opticalfiber fabrics［J］.Fiber Chemistry，2008，40(4)：303-307.

［2］GRAHAM-ROWE D.Photonic fabrics take shape［J］.Nature Photonics，2007，1(1)：6-7.

［3］SPIGULIS J.Side-emitting fibers brighten our world［J］.Optics and Photonics News，2005，16(10)：34-39.

［4］SAI KRISHNAN A N， KUMAR L A，VENKATACHALAM A.Design and development of illuminated clothing with PMMA for versatile applications［J］.Indian Journal of Fibre and Textile Research，2006，31(4)：577-579.

［5］KONCAR V.Optical fiber fabric display［J］.Optics and Photonics News，2005，16(4)：40-44.

［6］DEFIN E，KONCAR V，WEIL A，et al.Bright optical fibre fabric：a new flexible display［J］.Textile Asia，2002，33(5)：25-28.

［7］WILSON J D，ADAMS A J，MURPHY P，et al.Design of a light stimulator for fetal and neonatal magnetoencephalography ［J］.PhysiologicalMeasure-ment，2009，30(1)：1-10.

［8］SPIGULIS J，PFAFRODS D.Clinical potential of the side-glowing optical fibers［C］//SPIE.Specialty Fiber Optics for Biomedical and Industrial Applications.San Jose，1997，2977：84-88.

［9］陈圆圆，杨斌，金子敏.可控发光织物的研制及其亮度表征［J］.纺织学报，2008，29(8)：38-41.CHEN Yuanyuan，YANG Bin，JIN Zimin.Manufacture of controllable luminous fabric and characterization of the luminance［J］.Journal of Textile Research，2008，29(8)：38-41.

［10］陈圆圆，俞玲玲，杨斌，等.一种新型织物：发光织物的研制［J］.丝绸，2007(5)：19-21.CHEN Yuanyuan，YU Lingling，YANG Bin，et al.Research on a new type of fabric：a luminous fabric［J］.Silk Monthly，2007(5)：19-21.

［11］CHOg.Smart Clothing： Technology and Applications［M］.London：CRC，2009：126-129.

［12］武睿，金子敏，陆浩杰，等.图案色彩可变换的光纤织物［J］.纺织学报，2010，31(12)：43-46，52.WU Rui，JIN Zimin，LU Haojie，et al.Development of optical fiber fabric with pattern color changeable［J］.Journal of Textile Research，2010，31(12)：43-46，52.