光致变色纺织品的检测方法

赵博研， 赵玉珠

(上海市质量监督检验技术研究院纤维检验所， 上海 200040)

随着科学技术的不断进步，高科技功能性纺织品应运而生并迅速发展[1-2]，其中光致变色纺织品因其无味无毒，具有新颖的视觉冲击和特定的指示功能而备受关注[3]。光致变色是指材料在适当波长的光照射下进行特定的化学反应或物理效应，由于结构变化导致吸收光谱发生明显变化而变色，当光线消失又恢复至原有颜色的现象[4-5]。这类材料具有色彩可逆、变色速度快、色彩鲜明以及激发易得等特性[6-7]，在纺织品领域应用广泛。

目前，在我国纺织品销售市场上，已商品化的光致变色纺织品包括变色T恤、变色袖套、变色皮肤衣、变色晴雨伞等数十种形式，拥有良好的发展前途和广阔的应用前景。文献[8-9]将微胶囊技术引入光致变色材料中，解决了变色材料在空气中易变质的问题，应用于纺织品中可获得耐久性更好的产品。文献[10-11]通过将光致变色材料和储能材料相结合，成功开展了对功能性复合材料的研究。

目前，关于光致变色纺织品的检测方法和评价指标的研究较少，以往研究中通常采用室外自然光照射、拍照成像的方式以评价不同光致变色产品的变色性能。自然光易受天气影响，难以标准化，因此，建立一个针对光致变色纺织品可靠的检测方法具有现实意义。本文以商品化的光致变色纺织品为研究对象，模拟光致变色的激发环境，确定条件参数测定变色性能，建立了光致变色纺织品的检测方法，以期为相关企业和研究人员开发和设计新产品提供参考。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

光致变色纺织品：选取6种商品化的光致变色纺织品作为实验样品，编号1#～6#如图1所示，样品均为市购。实验前在GB/T 6529—2008《纺织品 调湿和试验用标准大气》规定的标准大气下调湿至少12 h。

太阳光模拟系统：CEL-S500型氙灯光源系统，北京中教金源科技有限公司；YS3060型手持式分光测色仪，深圳市三恩时科技有限公司。

图1 光致变色纺织品样品Fig.1 Photochromic textile samples before (a)and after(b)discoloration

1.2 测试与表征

1.2.1 光源的选择

采用GB/T 6495.3—1996《光伏器件 第3部分：地面用光伏器件的测量原理及标准光谱辐照度数据》中规定的标准太阳光谱，相应于AM1.5光谱分布，辐照度为1 000 W/m2。

阴俊等[12]曾对上海地区2001～2003年地面紫外线辐射强度(290～400 nm)进行观测，辐射强度在夏季7月达到最高，为47.4 W/m2，与标准太阳光谱305～400 nm之间的辐照度(46.17 W/m2)基本一致，辐射强度在冬季12月降到最低，为20.7 W/m2，约为标准太阳光辐照度的一半，因此，本文实验分别使用1 000和500 W/m2标准太阳光模拟我国夏季和冬季的实际气象状况。

使用配备AM1.5滤光片的氙灯光源可稳定准确模拟太阳光谱，其光谱对比图如图2所示。分别调节氙灯光源的激发电流和工作距离获得实验所需的太阳光辐照度。本文实验使用20 A激发电流，13.5 cm的工作距离，得到稳定的1 000 W/m2辐照度； 使用15 A激发电流， 16.5 cm的工作距离，得到稳定的500 W/m2辐照度。

1.2.2 色差的测量

将具有光致变色性能的纺织品样品放置在作为激发光源的辐照度为500和1 000 W/m2标准太阳光下照射 5～300 s，在试样发生变色后，分别通过人眼和仪器测定照射后的实验样品与标准样品之间的变色色差，然后撤掉激发光源并遮光保存5～30 min，使其恢复至初始状态，测量其恢复色差。

仪器检测方法：使用手持式分光测色仪，在4 mm检测口径，D65标准光源、10°视场角、紫外光关闭(UV off)条件下，测定光致变色样品变色前后的CIE三刺激值，依据GB/T 32616—2016《纺织品 色牢度试验 试样变色的仪器评级方法》，计算样品颜色变化ΔEF及对应变色灰卡级数GSc。测量时间为1 s，测试3次，结果取平均值。

人眼评级方法：在TL84标准光源下，使用纺织品评定变色用灰色样卡，通过人眼判定光致变色样品变色级数。测量时间为1～2 s，测试3次，结果取平均值。

D65光源在紫外和近紫外区有一定能量辐射，会诱发样品轻微变色，因此，仪器测量需关闭UV光；人眼判定时使用TL84标准光源，虽然2种方法选用光源不一致，但色差测量仍具可比性。

1.2.3 颜色恢复速率的计算

颜色恢复速率的计算公式为

式中：ΔEF1为样品被照射300 s时的颜色变化；ΔEF2为样品被照射300 s后撤掉激发光源10 s时的颜色变化。

2 结果与讨论

2.1 照射时间对颜色变化的影响

将本文实验选取的1#～6#样品分别放置于已调至1 000 W/m2标准太阳光辐照度的氙灯光源下，使用手持式分光测色仪分别测定照射5、10、15、20、40、60、80、100、120、180、240和300 s时样品与未照射时的颜色变化ΔEF，结果如图3所示。

由图3可知，光致变色样品受到太阳光照射后，起始阶段颜色快速变深，达到最高峰后开始变浅并逐渐达到稳定。光致变色能级图如图4所示。基于该图和Stokes定律[13-14]，光致变色材料A逐渐吸收激发光源(紫外-可见光)的能量，发生结构方式或电子能级的变化，形成吸收光谱不同的材料B，从而完成显色反应，表观上即颜色的逐渐加深。由于材料B处于热力学不稳定状态，且光致变色过程为可逆过程，存在着平衡极限，A受照射后逐渐达到与B之间的平衡状态，ΔEF曲线趋于水平。由图3可以看出， 1#～6#样品均在照射180 s(3 min)后达到稳定，以此确定实验的照射时间为300 s(5 min)，该时间下样品既完成充分变色，又避免过度老化，同时实验可操作性强。

分析样品的变色过程，受到光源激发后，样品的初始变色速度极快：如果高峰值较早出现，无法捕捉到其最初发生变色到高峰值的完整过程，说明变色较快；相反，如果高峰值出现较晚，则说明变色相对较慢。通过上述ΔEF的动态测量可实时掌握变色过程，以此为依据，可相对得出1#～6#样品的变色快慢顺序为：4#>5#>1#>3#>2#>6#。

2.2 太阳光辐照度对颜色变化的影响

为进一步研究不同太阳光辐照度对光致变色纺织品的变色和恢复过程的影响，分别使用1 000和500 W/m2的辐照度激发样品5 min，之后撤掉激发光源遮光保存5 min，测定整个过程中光致变色纺织品的颜色变化ΔEF，结果如图5所示。

图5 不同光致变色纺织品1 000和500 W/m2辐照度下ΔEF趋势图Fig.5 ΔEF trend graph of different photochromic textiles under 1 000 and 500 W/m2

由图5可知，不同强度的太阳光不会影响光致变色纺织品的变色和恢复过程，其趋势基本保持一致，但较高辐照度下的ΔEF明显高于较低辐照度下的数值。原因在于较高辐照度下反应较为充分，样品的呈色体相对较多，颜色更深。市场上的光致变色纺织品绝大多数以轻薄T恤和遮阳伞为主，常于夏季穿着和使用，选择标准太阳光1 000 W/m2作为光致变色纺织品的标准光源具有现实意义。

撤掉激发光源后，光致变色样品即快速恢复原有颜色，在图5中表现为曲线最大转折处。将310 s时测得的ΔEF数值与300 s时的ΔEF数值的变化率作为样品恢复速率的相对表征函数，按照颜色恢复速率计算的结果如表1所示。可相对得出1#～6#样品的恢复快慢顺序为：4#>5#>1#>6#>2#>3#。与变色速率相比，变色快的样品其恢复速率也较快，变色与恢复的趋势基本一致。

表1 光致变色纺织品恢复速率测试结果Tab.1 Recovery rate of photochromic textiles

2.3 恢复时间对颜色变化的影响

为进一步研究样品的恢复能力，在照射5 min后遮光保存样品5、10和30 min，并分别通过人眼和仪器进行变色色差和恢复色差的测量，结果如表2所示，其对应的变色灰卡级数GSc如表3所示。

表2 不同保存时间下样品的人眼与仪器评级对比表Tab.2 Comparisons of eye and instrument ratings for samples at different storage time 级

表3 颜色变化ΔEF与变色灰卡级数GSc对应表Tab.3 Discoloration ΔEF and gray scale GSc

由表2可知：2#样品因花型不连续，染色和变色效果不均匀，导致2种评级方式的差异相对较大；其余样品的人眼评级与仪器评级差别均小于半级，5#样品的评级结果甚至完全一致。原因是仪器评级可对所选部位进行精准测定，但受口径大小限制，人眼评级视野较大，变色级数具有整体性和宏观性。

样品照射5 min与遮光保存30 min时，人眼与仪器评级的重合度较好，而遮光保存5、10 min时，人眼评级结果普遍大于仪器评级结果。原因是仪器测定的ΔEF数值与变色灰卡级数相对应时，中间区间变化最为灵敏(见表3)，而人眼此处的分辨能力较弱。

为匹配人眼与仪器评级，兼顾光致变色样品在日常使用时的状况，确定光照撤离后遮光保存30 min测定其恢复色差，作为其最终恢复能力的判定参数。

2.4 光致变色纺织品检测结果

根据上述实验结论，确定光致变色纺织品的检测方法条件参数为：标准太阳光源1 000 W/m2，照射时间5 min，恢复时间30 min，分别通过人眼和仪器评级确定光致变色纺织品的变色色差和恢复色差，其中仪器评级后可给出模拟色，结果如表4和图6所示。可以看出，6个被测样品中有5个样品的人眼和仪器检测结果完全一致，该方法可提供可靠的变色性能检测数据和直观的模拟色。

表4 光致变色纺织品人眼和仪器评级结果Tab.4 Human eye and instrument assessment of photochromic textiles 级

图6 模拟色对比图Fig.6 Comparison diagram of color simulation. (a)Before discoloration；(b)After discoloration；(c)Restoration color

3 结 论

1)采用手持式分光测色仪动态测量光致变色纺织品的颜色变化数值ΔEF，研究光致变色纺织品的变色和恢复机制。结果表明：样品受光照射后，颜色变化(ΔEF)先上升后下降，于3 min左右达到稳定；太阳光辐照度不会影响样品的变色与恢复过程。

2)结合实际应用，确定了光致变色纺织品检测方法的条件参数为：使用AM1.5滤光片，辐照度数值为1 000 W/m2，照射时间5 min，遮光恢复时间30 min。

3)分别采用人眼和仪器测量光致变色纺织品的变色色差和恢复色差，2种评级方法得出的数据结果基本一致，实验方案有效可靠，操作便捷。

FZXB