聚合物光纤织物的特性及其应用

吕 晨，钟智丽，匡丽赟，吴剑青

(天津工业大学纺织学院，天津 300387)

聚合物光纤(POF)是指采用聚合物材料或有机材料制备而成的细丝状可传导光功率的传输线。1967年由美国杜邦公司研发的首种聚合物光纤进入市场，经过40多年的发展，聚合物光纤已经成为光纤的一个重要分支［1］。由于聚合物光纤与传统的玻璃光纤相比，具有良好的柔韧性和弯曲性，并且端面易加工，目前已广泛应用于短距离通信，灯饰照明，传感器等领域［2］。随着各种功能型聚合物光纤的出现，近年来，将聚合物光纤织制成织物为聚合物光纤开辟了新的应用前景，通过将不同的光源与织物中的光纤进行连接耦合［3］，可开发诸多产品，使其应用在发光纺织品［4］、柔性显示器［5-7］、医用光疗产品［8-9］以及光纤传感器［10-12］多个领域。

1 聚合物光纤的结构及特性

1.1 聚合物光纤的结构

聚合物光纤通常由3部分组成：芯层、皮层和保护层，其中芯层的折射率较高，用来传递光;皮层的折射率略低于芯层，通常皮层与芯层的折射率相差约1%，与纤芯一起形成全反射条件，从而使光线在光纤中无损失地传输;保护层强度高，能承受较大冲击，起到保护光纤的作用［13］。通常应用在光通信领域外的聚合物光纤，一般不包含保护层，具体结构见如图1。

图1 聚合物光纤的结构示意图Fig.1 Cross-sectional view of polymer optical fiber

1.2 聚合物光纤的特性

光导纤维按所使用的材质分类，可分为石英玻璃系光纤和聚合物光纤(POF)2个大类。前者主要应用在较长距离的光通信领域，按其具体材质，又可分为石英光纤、氟化玻璃光纤和硫化玻璃光纤等，而后者按所使用的聚合物种类可分为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、含氟透明树脂和氘化PMMA等［14］。聚合物光纤与传统的石英系、玻璃系相比具有以下特性，具体如表1所示。

表1 聚合物光纤与石英系、玻璃系的性能比较Tab.1 Properties of polymer optical fiber and quartz and glass fiber

由表1可以看出，与石英、玻璃系光纤相比，聚合物光纤具有优异的弯曲性能，并且由于其几何形状和力学性能与常规纤维相似，使其织入织物成为可能;聚合物光纤柔软而强韧，具有较大的直径范围，为0.15～3.00 mm;且聚合物光纤具有较大的数值孔径(光纤的数值孔径是指某一角度范围内入射到光纤端面的光能全部被光纤所传输，这个角度α的正弦值就称为光纤的数值孔径，数值孔径越大，光纤接收光的能力也越强)，使得聚合物光纤与光源的耦合率高;但是除了相对于石英、玻璃系光纤的以上优势外，其综合耐温性远低于玻璃光纤，PMMA芯的聚合物光纤的使用温度范围在-55～70℃之间，热处理温度为100～110℃，短时间内可以承受100℃左右的高温，长期使用时，温度应低于70℃，而石英、玻璃系光纤一般可在200℃以下使用。由于聚合物光纤具有以上特性，使得聚合物光纤在使用中具有以下优势：1)聚合物光纤在使用时可任意设定角度和形状，并可在有限和狭小的空间内使用;2)聚合物光纤光源的体积小，可获得高亮度、多变化的光，且可传输特定波长的光，设计自由度高;3)聚合物光纤本身无需维修，且由于光纤实际使用部分与其光源隔离，系统易维修且费用低。但是由于聚合物光纤的热稳定性较差，使得其不能在超过70℃的高温中使用，故不能对聚合物光纤织物进行熨烫，否则会造成织物的损坏，因此使聚合物光纤织物保持一定的悬垂性也成为聚合物光纤加工中的一个难题。另外，在聚合物光纤使用时要尽量避免对光纤表面的刮、划，否则会对光在聚合物光纤中的传输造成一定影响。除此之外，聚合物光纤与普通纱线、长丝相比，其刚度仍然较大，并且易断，因此，为了保持织物的手感与柔软度，应尽量选择直径小的聚合物光纤进行织造。目前常见的聚合物光纤直径为0.25 mm。通常使用PMMA芯材的多模突变聚合物光纤来织制织物［15］。

2 聚合物光纤织物的形式及特性

2.1 聚合物光纤织物的形式

聚合物光纤形成的织物通常有机织物、针织物、提花织物和非织造物等，如表2所示。聚合物光纤在不同结构的织物中呈现不同的状态，导致聚合物光纤不同程度的弯曲，因此在光纤的传播中损失程度不同［16］。在机织物中，光纤作为经纬纱，产生微弯曲，因此损耗较小;在针织物中，光纤的弯曲程度变大，因此损耗变大;在提花织物中，光纤产生宏弯曲，宏弯曲产生光损失较大，故在提花织物中，不需要其他处理，光就会通过宏弯曲散射出来，因此，织造提花织物可直接开发发光装饰纺织品［17］;在非织造结构中，聚合物光纤通常是在非织造布成型的过程中通过合适的黏合方式附着在织物表面或里层，光纤伸直程度较好，因而，此种结构不会造成光损失。

2.2 聚合物光纤织物的特性

聚合物光纤织物虽然使用的不是常规的纺织用纱，但是由于其本身的特性，其织物不仅具有纺织品的特性，而且与普通织物相比，还具有其他优异性能。

表2 聚合物光纤织物的类型Tab.2 Type of polymer optical fiber fabric

1)可保持优异的柔韧性：直径为0.25 mm的聚合物光纤的断裂应变为11.7%，略低于涤纶长丝的断裂应变17%，是玻璃光纤的30多倍［18］。

2)聚合物光纤织物与普通织物一样具有质量轻的优点：PMMA的体密度为1 150～1 190 kg/m3，低于涤纶的体密度1 380 kg/m3，是玻璃纤维密度2 400 ～2 800 kg/m3的一半［18］。

3)具有较优的服用舒适性能：聚合物光纤织物的保暖性和透气性优于同种组织规格的棉织物。

4)具有耐久性，并且具有传输光和发散光的能力。

5)使用安全：光纤传输过程中产生冷光并且无电磁辐射［19］。

6)易与光源连接：POF具有便利的端面加工特征，其端面只需用刀片或热刀片简单切割即可，其耦合损耗与端面精细研磨抛光的POF相同［20］。

虽然聚合物光纤织物具有很多优点，但是由于其使用温度较低，热稳定性较差，并且聚合物光纤在0℃以下力学性能会发生显著变化，使得聚合物光纤织物的应用环境受到一定限制［4］;另外，由于聚合物光纤表面光滑，造成织物中的光纤易滑脱，光纤织物易变形，因此，织造时应该特别注意经纬密和布边组织的设计。

2.3 聚合物光纤织物在加工过程中的问题

作为一种特殊的纺织用纱，聚合物光纤在织造过程中存在以下问题：

1)聚合物光纤由于自身力学性能较差，而在机织物的织造过程中，整经、穿综、穿筘等工序易对光纤表面造成刮、划，从而影响光在聚合物光纤中的传输与散射，因此聚合物光纤在机织物的织造时适宜做纬纱，避免聚合物光纤断裂及表面受到过多的损伤;

2)由于聚合物光纤的勾结强度较低，在织造过程中易断裂，因此在聚合物光纤针织物的织造中应选择合适的组织来避免光纤的过度弯曲;而在使用剑杆织机进行织造时，剑杆引纬时对聚合物光纤的勾结易引起断裂，可以通过改造剑杆织机的剑杆，降低引纬时剑杆对纱线勾结的力度，从而保持光纤持续长时间不断裂的织造，提高织造效率;

3)由于聚合物光纤织物必须要留出一定长度的光纤与光源连接形成最终织物，因此对于所留出的光纤进行整理成为一大问题。用聚合物光纤织造时，需合理设计布边，并且使用绞综，从而使织物中露出的光纤易于整理且不影响织造。

3 聚合物光纤织物的应用

3.1 发光纺织品

聚合物光纤发光织物的制备主要是利用光在光纤中传播并使光从光纤表面的裂缝中透出的原理。通常选用侧发光聚合物光纤或者通过对端发光聚合物光纤进行处理使光能从光纤表面散发出来［21］，如图2(a)所示。可采用以下方法：将光纤进行一定长度的拉伸、对光纤表面进行割刮或者采用化学试剂(适量的丙酮、正己烷、乙醇等)对光纤表面进行破坏［22］。此外，光纤在织物中的弯曲也会造成一定程度的光散射，如图2(b)所示。

图2 聚合物光纤侧发光原理Fig.2 Light extraction from optical fibers.(a)Surface corrugation in polymer optical fibers;(b)Microbending in optical fibers

利用聚合物光纤开发发光纺织品，是聚合物光纤织物的一个重要应用。目前制备发光织物主要有以下3种途径：利用光致发光材料形成夜光织物［23-24］，利用发光二极管(LED)在织物中形成发光织物［25-26］和利用光导纤维织制发光织物。利用光纤制备发光织物与其他2种方法相比，具有以下优势，如表3所示。

表3 不同发光织物的性能对比Tab.3 Properties of different light emitting fabrics

目前，聚合物光纤发光织物已经开发成多种产品，应用在服装、家纺、照明装饰、安全警示以及医用光疗等多个领域。法国的Lumitex公司在1985年就开始致力于这种发光产品的开发，目前已成功将这种发光织物应用在服装以及各类家纺用品上，如桌布、窗帘、床品等［4］。Rubans Gallant和 Dubar-Warneton这2家公司在1997年开发出用来装饰、照明的纬编针织发光织物，之后这种发光织物又被开发成安全服和一些时尚配件。

此外，由于聚合物光纤织物产生冷光，无热量，光源可灵活调换，并且光纤发光织物与传统的光源相比更柔韧，可以随意与人的体型相吻合，因此，越来越多的光纤发光织物应用在光能治疗方面［8，21］。国外研究人员将侧发光光纤编织成光纤毯，这种光纤毯发出的蓝光可以有效治疗婴儿的黄疸病。与单独将婴儿置于一个蓝灯光照环境下这种传统的治疗方式相比，婴儿裹在这个光纤毯中可以在父母的怀抱和喂养中得到治疗。瑞士的Markus Rothmaier利用聚合物光纤织物的光源活动性与光亮调节的灵活性，解决了对某种肿瘤的光能疗法中的光照剂量需要严格控制的问题［9］。

图3 聚合物光纤柔性显示器的发展过程Fig.3 Development of flexible optical fiber display

虽然这种聚合物光纤发光织物在目前已经得到了广泛利用，但是由于光在光纤中的传递过程是呈指数衰减的，使得这种发光织物容易出现亮度不匀的问题，因此在聚合物光纤织物的织造中，织物的长度会有一定限制，需保证织物的尺寸小于光纤出现明显衰减的长度，使得聚合物光纤织物的亮度尽可能均匀。

3.2 聚合物光纤柔性显示器

由于聚合物光纤织物具有良好的柔韧性，并且与LED相比，价格较低，更容易应用在纺织品中，因此利用聚合物光纤织物制备柔性显示器开始被人们考虑并且逐步成为现实。显示器通常由聚合物光纤和普通纱线交织而成。这种柔性显示器的屏幕表面由若干独立单元组成，通常在织造过程中确立屏幕的矩阵排列，通过一个电子接口将织物与多组LED灯整合成一体，控制不同组的光纤，并调控LED灯开关、颜色以及亮度的变化(由屏幕矩阵决定)来形成静态或动态的不同图案［5］。

这种聚合物光纤柔性显示器的发展经历3个阶段，如图3所示。法国France Telecom公司的研究人员开发出最初的聚合物光纤显示器，如图3(a)所示，它采用0.5 mm的聚合物光纤织制而成，经纬密均为70根/10cm，屏幕可显示3行3列60 mm×60 mm的数字或者英文字符串［6］。随后，在这种柔性显示器的基础上，通过提高织入光纤的经纬密，从而达到提高屏幕“像素点”的目的，使得屏幕上可以显示更具变化性的图案，如图3(b)所示。在第3代聚合物光纤柔性显示器中，将这种显示器结合远程通信服务技术，可通过使用个人计算机或者移动电话连接互联网，然后从相应的图案库中编辑设置具有个人风格的图案［7］。

虽然目前的聚合物光纤柔性显示器已发展到可显示变化图案及可与互联网连接的阶段，但是聚合物光纤柔性显示器可达到高像素化、高清晰度仍然需要很长的时间来实现。高像素化意味着在1块聚合物光纤织物上存在成千上万个像素点，从而保证这种柔性显示器的高清晰度，而过多像素点的存在使得制备工艺变的非常复杂，且成本过高。

3.3 聚合物光纤织物传感器

聚合物光纤具有可传输光、散射光以及可收集侧面散射光的特性，使得光信号可以很容易地传输至指定的光电检测器中，因此常常被用来制备成传感器。聚合物光纤织物传感器与普通传感器相比，具有不产生热量、对电磁干扰不敏感、质量轻以及柔韧性好的显著优点［27-29］。目前利用光纤制作传感器可测量多种参数的变化，例如温度、湿度、压力、风速、距离、位置、形状、颜色、亮度、透明度、粒子浓度、流量、半径、密度、浊度和折射率等［30］。

Rothmaier M等［10］在2008年研发出一种聚合物光纤织物压力传感器，如图4(a)所示。在这种传感器中，聚合物光纤伸直无弯曲地附着在织物中，当载荷去除后，光纤可迅速回复到其原本的状态。德国的Jens Schuster等［11］设计了一种在VARTM成型过程中监测内部应力、压力以及温度变化的聚合物光纤织物传感器，如图4(b)所示。

图4 2种不同的聚合物光纤织物传感器Fig.4 Examples of polymeric optical fiber fabric sensors.(a)Pressure-sensitive woven fabric with embedded POF;(b)VARTM process with'smart fabric'during injection

在医疗方面，利用侧面发光光纤的侧表面对外界压力的灵敏度较高这一特点，且侧面发光光纤的发光强度会随着所受压力的增大而呈线性下降，因此可以编织成光纤地毯［12］。这种光纤地毯具有柔软、尺寸小以及使用安全的特性，可用于对病人活动范围进行监测。

由于聚合物光纤织物传感器主要是利用聚合物光纤中光信号传输的改变进行信息传递，外界机械压力、光源的变化及光纤几何形状的改变等因素都会对光信号的传输产生影响，因此，聚合物光纤织物传感器不同于别的传感介质，信号易受周围环境影响，所以在聚合物光纤织物传感器的制作及使用中，要最大程度地保证传感器各个系统的稳定，否则，将在一定程度上影响光信号传递的准确性与稳定性。

4 结语

聚合物光纤的特性使聚合物光纤织物的织造成为可能，这种织物的特性使其可开发为多种产品应用于发光产品、柔性显示器、传感器等多个领域。随着新型聚合物光纤的出现，如光子晶体光纤、光子带隙光子晶体光纤［31-32］等，聚合物光纤织物将具有更广泛的应用领域，其产品将朝着更加多元化、功能化和智能化的方向发展。

虽然聚合物光纤织物具有十分广泛的应用前景，但是现阶段在光纤织物的织造以及相关产品的开发中，国内市场上缺乏适合织造用的光纤。目前的光纤多为通信用光纤，其力学性能较差，在机织、针织、提花过程中光纤易断裂，相信将来通过加大对光纤材料力学性能改善的研究或者通过对现有织机的改造来解决这个问题。此外，还应加大对聚合物光纤织物开发出的具有各种功能的服用产品的舒适性及其各项服用性能的研究力度，力求提供给消费者集功能性与舒适性为一体的产品。

［1］江源，马永红.聚合物光纤的特征：上［J］.玻璃纤维，2000(2)：30-32.JIANG Yuan，MA Yonghong.Features of polymer optical fibers：part Ⅰ［J］.Fiber Glass，2000(2)：30-32.

［2］江源，马辉，明海，等.聚合物光纤在中国的应用发展［J］.激光与光电子学进展，2004(5)：48-55.JIANG Yuan，MA Hui，MING Hai，et al.Application and development of polymer optical fiber in China［J］.Laser＆ Optronics Progress，2004(5)：48-55.

［3］杜旭日，林梅琼，庄其仁，等.聚合物光纤传光束用白光LED光源［J］.照明工程学报，2008(3)：53-56.DU Xuri，LIN Meiqiong，ZHUANG Qiren，et al.White LED for POF optic bundle［J］.China Illuminating Engineering Journal，2008(3)：53-56.

［4］HARLIN A， MAKINEN M， VUORIVITA A.Developmentofpolymeric opticalfibre fabrics as illumination elements and textile displays［J］.Autex Research Journal，2003.3(1)：67-72.

［5］COCHRANEA C，MEUNIER L，KELLY M，et al.Flexible displays for smart clothing： part Ⅰ：overview［J］.Indian JournalofFibre ＆ Textile Research，2011，36：422-428.

［6］DEFLIN E，RONCAR V，WEILL A，et al.Bright optical fiber fabric：a new flexible display［J］.Textile Asia，2002，33(5)：25-28.

［7］KONCAR V，DEFLIN E，WEILL A.Communication Apparel and OpticalFibre Fabric Display［M］//Wearable Electronics and Photonics.Woodhead Publishing Ltd，2005：155-176.

［8］MORDON S，COCHRANE C，LESAGE J C，et al.Innovative engineering design of a textile light diffuser for photodynamic therapy［C］//13thInternational Photodynamic Association World Congress(IPA).2011：147-151.

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

［10］ROTHMAIER M，LUONG MP，CLEMENS F.Textile pressure sensor made of flexible plastic optical fibers［J］.Sensors，2008，8(7)：4318-4329.

［11］SCHUSTER J， TRAHAN M， HEIDER D， et al.Influence of fabric ties on the performance of woven-in optical fibres［J］.Composites Part A：Applied Science and Manufacturing，2003，34(9)：855-861.

［12］SPIGULIS J，PFAFRODS D，STAFECKIS M，et al.Glowing optical fiber designs and parameters［J］.The International Society for Optical Engineering，1997，2967：231-236.

［13］HECHT J，LONG L.Understanding Fiber Optics［M］.4th ed.New York：H W Sams Ind，2002：15-16.

［14］耿文学.玻璃光纤与石英光纤［J］.电工技术杂志，2000(4)：29.GENG Wenxue.Glass optical fiber and silica fiber［J］.Electrotechnical Journal，2000(4)：29.

［15］DAUM W.POF：Polymer Optical Fibers for Data Communication［M］.New York：Springer Inc，2002：8.

［16］周情，冯国英，李小东，等.光纤弯曲损耗特性的理论与实验研究［J］.光学与光电技术，2008(4)：32-35.ZHOU Qing，FENG Guoying，LI Xiaodong，et al.Theoretical analysis and measurement on the character of bending loss in fiber［J］.Optics ＆ Optoelectronic Technology，2008(4)：32-35.

［17］俞玲玲，金子敏，杨斌，等.图案色彩可变化的光纤提花发光织物开发［J］.丝绸，2010(5)：38-40.YU Lingling， JIN Zimin， YANG Bin， etal.Development of optical fiber jacquard luminous fabric with changeable pattern and color［J］.Silk Monthly，2010(5)：38-40.

［18］于伟东.纺织材料学［M］.北京：中国纺织出版社，2006：398.YU Weidong.Textile Materials［M］.Beijing：China Textile Press，2006：398.

［19］WITT J，SCHUKAR M，KREBBER K.Medical textiles with integrated polymer optical fibers for respiration monitoring［J］.Technishes Messen Technical Measurement，2008，75(12)：670-677.

［20］王肇征，杨春.聚合物光纤端面处理与连接损耗的研究［J］.电子器件，2002(4)：327-331.WANG Zhaozheng，YANG Chun.The study of ending face treatment of of and connecting loss［J］.Journal of Electron Devices，2002(4)：327-331.

［21］江源，凌根华，殷志东.侧面发光光纤的制备原理及其应用［J］.光纤与电缆及其应用技术，2000(4)：10-16.JIANG Yuan，LING Genhua，YIN Zhidong.Preparing principle and applications ofside glowing optical fiber［J］.Optical Fiber ＆ Electric Cable and Their Applications，2000(4)：10-16.

［22］杨斌，陈园园，盖国平.PMMA芯光纤侧面发光的制备及表征［J］.材料工程，2007(S1)：36-41.YANG Bin， CHEN Yuanyuan， GAI Guoping.Preparation and characterization of pmma side-glowing optical fiber［J］.Journal of Materials Engineering，2007(S1)：36-41.

［23］秦传香，秦志忠，王筱梅，等.发光纤维的研究进展［J］.合成纤维工业，2005(6)：58-60.QIN Chuanxiang，QIN Zhizhong，WANG Xiaomei，et al.Research progress in luminescent fiber［J］.China Synthetic Fiber Industry，2005(6)：58-60.

［24］储德清，王立敏，尹航，等.纳米稀土发光纤维的研究与展望［J］.纺织科学研究，2006(3)：40-43.CHU Deqing，WANG Limin，YI Hang，et al.Study on the developmentof nano rare-earth luminescence fiber［J］.Textile Science Research，2006(3)：40-43.

［25］邢雪宁，张治辉，陈婷.光纤的弯曲损耗和微弯损耗及其利用［J］.中国有线电视，2004(23)：24-26.XING Xuening，ZHANG Zhihui，CHEN Ting.Optical fibers bend loss and microbend loss and its applications［J］.China Cable Television，2004(23)：24-26.

［26］冯春媛，金永兴，金尚忠，等.聚合物光纤光谱损耗特性的研究［J］.中国计量学院学报，2004(3)：34-37.FENG Chunyuan.JIN Yongxing，JIN Shangzhong，et al.Research of attenuation spectrum of polymer optical fiber［J］.Journal of China Institute of Metrology，2004(3)：34-37.

［27］KREBBER K， THIEL T， PIROTTE F， etal.Distributed fiber optic sensors embedded in technical textiles for structural health monitoring［C］//Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering.Portugal：American Society of Mechanical Engineers，2010：387-391.

［28］BANG H J，SHIN H K，JU Y C.Structural health monitoring of a composite wind turbine blade using fiber Bragg grating sensors［C］//Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering.San Diego：American Society of Mechanical Engineers，2010：456-461.

［29］MEASURES R M，LIU K，FERGUSON S，et al.Fiber optic sensors for smart structures［J］.Optics and Lasers in Engineering，1992，16(2/3)：127-152.

［30］ZUBIA J， ARRUE J.Plastic opticalfibers： an introduction to their technological processes and applications［J］.Optical Fiber Technology，2001，7(2)：101-140.

［31］GAUVREAU B，GUO N，SCHICKER K，et al.Colorchangingandcolor-tunable photonic bandgap fiber textiles［J］.Optics Express，2008，16(20)：15677-15693.

［32］王松红.光子晶体光纤的研究现状及其在光纤通信中的应用［J］.科技信息，2009(16)：723-724.WANG Songhong.Research status and application in optical fiber communication of Photonic crystal［J］.Science＆ Technology Information，2009(16)：723-724.