稀土铝酸盐发光材料在纺织领域的应用研究

赵 欢，潘 力

(大连工业大学 服装学院，辽宁 大连 116034)

随着功能性服装的快速发展，差异化的功能材料、纤维、染料、涂料等越来越受到业内人士的广泛关注。稀土铝酸盐是一种自发光型材料，可用于开发各种发光产品，近年来已经广泛运用于纺织服装、交通警示、消防应急等各个领域，深受广大消费者喜欢。发光材料不仅能提高服装的辨识度，而且还能极大提高服装产品的附加值。本文对近年来稀土铝酸盐发光材料在纺织服装领域的研究动态和应用现状进行了分析和概括，并对目前的发展难题进行了梳理。

1 稀土铝酸盐发光材料的特点

稀土长余辉发光材料是指在紫外线或太阳光短时间照射后能够连续发光的材料，也称为发光材料[1]。 目前，稀土长余辉发光材料主要包括硫化物、稀土铝酸盐和稀土硅酸盐。

硫化物长余辉发光材料是第一代稀土长余辉发光材料。1866年，法国人Sidot制备出的ZnS:Cu是世界上第一个具有实际应用意义的长余辉发光材料，目前常见的硫化物长余辉发光材料主要有ZnS:Eu2+、CaBaS:Cu+，Eu2+、CaSrS:Eu2+，Dy3+，主要发光颜色为红色；稀土激活的铝酸盐长余辉发光材料是第二代长余辉发光材料。1968年，Palilla F. C.等人[2]在研究SrAl2O4:Eu2+的发光过程中首次发现了铝酸盐的长余辉特性。目前的代表材料有SrAl204:Eu2 +，Dy3 +、Sr4Al14O25:Eu2+，Dy3+、BaAl204:Eu2+，Dy3+、CaAl2O4:Eu2+、Nd3+，主要发光颜色为黄绿色、蓝绿色等；1968年，Barry等人[3]报道了多种硅酸盐发光材料的光谱特性，但有关硅酸盐体系长余辉性能的研究一直没有突破性的进展，目前稀土硅酸盐长余辉发光材料主要有Ca2MgSi2O7:Eu2+，Dy3+，Nd3+和 CaMgSi2O6:Eu2+，Dy3+，Nd3+，主要发光颜色为蓝色。

稀土长余辉发光材料不同的物理化学性能决定了其不同的应用领域，表1为稀土长余发光材料的性能特点及应用领域比较。其中稀土铝酸盐发光亮度高、余辉时间长、无毒、无害、无辐射，应用前景较好。

2 稀土铝酸盐发光材料在纺织领域的研究现状

稀土铝酸盐长余辉发光材料在纺织领域的研究起步较晚，目前主要研究集中在两个方面：一是用于开发稀土长余辉发光纤维，二是通过制作发光涂料开发发光印花纺织品。

2.1 稀土铝酸盐发光纤维

发光纤维可分为自发光和蓄光两种类型，稀土铝酸盐发光纤维属于自发光纤维，它可以在短时间内吸收储存可见光能并以可见光的形式将能量缓慢释放，不消耗电能，发光颜色以黄绿色为主。

2.1.1研究现状

国内稀土铝酸盐发光纤维的研究还处于起步阶段，技术尚不成熟贵。稀土铝酸盐是无机材料，颗粒较大，在溶液中易沉淀，不易均匀分散，在发光纤维制备方面存在较多弊端。大多数稀土铝酸盐发光纤维的基体是高聚物如聚酯、聚丙烯或尼龙，通过将适量的稀土铝酸盐发光材料和纳米功能添加剂添加到纺丝原液中，通过特殊纺丝工艺制成。目前主要有熔融纺丝法、溶液纺丝法、高速气流冲击法、表面涂层法、粘合法[4]。近年来，研究人员也开始研究通过静电纺丝制备稀土铝酸盐发光纤维。但天然纤维只能通过表面涂层的方式将发光材料涂附于纤维表面，纤维强度、耐摩擦性、耐洗性等性能较差，因此市场上较为少见。

表1 稀土长余辉发光材料的性能特点及应用领域比较

1994年我国研究人员通过向纺丝粘合剂中加入5%～20%的非放射性发光剂成功制成发光纤维。2007年，我国在无机发光化合物—稀土铝酸盐发光纤维的应用方面取得了重大突破。国内对于稀土铝酸盐发光纤维的研究，主要集中在以江南大学和东华大学为主的高校，以及北京东方利源科技有限公司和无锡宏源化纤厂等企业。无锡宏源化纤实验厂与江南大学合作开发出可工业化生产的稀土铝酸盐发光纤维，具有自主知识产权，填补了国内空白，技术与成果水平处于国内领先地位[5]；陈超等人[6]采用湿法纺丝的方法制备出绿色稀土铝酸盐发光纤维；北京东方利源科技有限公司与清华大学通过特种熔融纺丝的方法，成功开发出稀土铝酸盐发光纤维[7]。Ebrahimzade A.等人[8]使用铝酸锶(SrAl2O4：Eu2+，Dy3+)颗粒作为发光剂，通过熔融纺丝制备发光聚丙烯纤维，并对纤维的形态、结构、性能等进行了研究。

2.1.2应用现状

目前国内发光纤维的生产厂家主要集中在杭州、无锡、绍兴、常熟、东莞、深圳等地，价格为80元/kg～150元/kg，主要为发光涤纶长丝及发光锦纶长丝，以其中发光涤纶长丝为主。市售发光纱线的发光颜色有黄绿色、蓝绿色、红色等18种颜色，以黄绿色为主，其发光效果也最好。图1发光纱线。

图1 发光纱线

由于发光纤维的成本较高，在进行发光纤维产品开发时，不仅需要考虑产品的美观性，更需要考虑市场及消费者的接受能力，在保证产品设计的同时，控制纤维用量，以适应市场需求。闫艳红[9]对稀土铝酸盐发光纤维的开发和应用进行了系统研究，通过机织、针织及刺绣小样试验，研究了发光纤维的可编织性能，并设计了服装样衣、开发了发光纤维刺绣毛绒玩具。

(1)机织物

机织物在纺织品中的应用最为广泛。由于发光纤维具有和涤纶丝相似的物理机械性能，故能上机进行机织物的织造，通过设计合理的组织结构，可以织造出发光性能良好的织物。但发光纤维在织造过程中易与机器上的棕丝、钢筘等零部件发生摩擦而变黑，导致发光性能减弱，故在织造时应尽量选用塑料零部件或将发光纤维用于纬纱，以减少摩擦，保证纤维的发光性能。虽然发光纤维可用于机织织造，但是由于纤维用量多，织造过程中摩擦的影响，造成产品发光性能低且成本较高，因此发光纤维机织物在市场上较为少见。

(2)针织物

发光纤维可用于经编或纬编针织产品的设计开发，在设计组织结构时要尽可能让发光纤维位于表面，避免被线圈遮挡，通常选用压纱组织。装饰效果的花边类织物，用少量的发光纤维就可以使产品达到较好的发光效果。但由于发光纤维的柔软度及弹性较差，所以影响了发光纤维针织物的柔软度、硬挺度及舒适性，限制了发光针织服饰的发展。

(3)其他特殊用品

用发光纤维加工的绳索、线、带等应用广泛，例如照明电缆、工业缝纫线、照明鞋带和渔网等。发光纤维还广泛用于家用纺织品等领域，如发光地毯、发光窗帘、毛绒玩具和发光拖鞋等。如图2为通过发光长丝编织的夜光鞋带，在白天与普通鞋带无差异，夜晚可发出明亮的光，在黑暗的环境中方便穿脱，也提高了鞋子的辨识度和夜间出行的安全性。由于发光纤维成本较高，机织物和针织物产品开发受到限制，所以发光刺绣在纺织服装领域应用较多。图3为发光刺绣毛绒玩具，发光纤维的加入，增加了玩具的独特性和趣味性。

图2 发光鞋带

图3 发光刺绣毛绒玩具

2.2 稀土铝酸盐发光印花织物

由于发光纤维生产工艺复杂、成本较高，应用局限性较大，市场上的发光织物多是经发光印花制得。将稀土铝酸盐以添加剂的形式加入到染色浴和印花浆料中形成发光印花浆，再经基布涂层整理即可得到发光印花织物。发光印花浆是一种新型的特殊印花浆，通常由光致发光体、保护剂、连接剂等组成，为了获得更好的丝网印刷渗透性，可以用水和油、水乳液等调节粘度[10]。该印花浆料不受纤维类型和织物结构的限制，适用于印刷各种类型的纺织品。发光印花的具体工艺流程为：坯布翻缝→前处理→漂白→定形→印花→保温焙烘→拉幅定型→检验出厂[11]。

2.2.1研究现状

由于稀土铝酸盐发光材料易水解生成Al(OH)3沉淀，导致晶体结构被破坏，严重影响其发光性能，限制了发光材料在水性浆料方面的使用，同时也会影响印花织物的耐洗性。因此为使发光材料在水性印花浆中能发挥作用，其表面处理便成为一个重要的研究课题，其中铝酸盐发光材料的包覆方法研究较多，主要有溶胶凝胶法、沉淀法、熔融包覆法、物理蒸气沉积法、混合干球磨法以及其他特殊方法，包覆材料多为无机材料二氧化硅和氧化铝，近年来有研究者为了改善发光材料与有机浆料的相容问题，开始研究有机包覆材料。吕兴栋等人[12]采用溶胶凝胶法在铝酸盐发光材料外包覆一层无机SiO2膜，改善了发光材料的耐水性能；侯志青等人[13]采用沉淀法在发光粉体表面包覆了SiO2和Al3O2复合膜；喻胜飞等人[14]采用有机包覆的方法，制备出表面包覆马来酸酐的发光材料，耐水性、有机相容性良好；Hom Nath Luitel等人[15]将发光粉添加到NH4F中，在高温烧结后得到氟化物包覆的发光粉；Jing Lin等人[16]在制备发光粉时同时通入N2和NH3混合物，制备出包覆的粉体。

发光印花浆的制备是发光印花织物的关键技术，印花浆料的配比、丝网或圆网网版的制作、印花条件等都是重要研究对象。发光印花通常采用低网目的丝网，优选80目～100目。为保证有良好的发光效果，光致发光体的粒径要尽可能小，夜光粉的目数一般为200目～800目，添加量通常为10%～30%，应尽可能地将发光浆叠印在浅色或白色底层上，同时需注意不被其他涂料浆遮盖[13]。印花的温度、时间等条件根据印花织物的种类调节。喻胜飞等人[17]介绍了发光材料的特性、改性研究、粘合树脂的选择，阐述了国内外发光涂料的应用研究现状；李许波等人[18]通过对稀土铝酸盐长余辉发光材料的应用现状调查发现，油性涂料中含有多种有机溶剂，会对环境造成污染；袁燕等人[19]采用丝网印花，以发光材料50%、紫外线吸收剂0.3%、光稳定剂0.4%的配方，制备出性能优良的发光油墨；朱瑞萍[20]研究了发光印花浆的配比及圆网印花的生产工艺；Tawfik A. Khattab等人[21]研究了铝酸盐发光涂料在棉织物上的丝网印花工艺，并对印花织物的洗涤、排汗等服用性能进行了评价。

2.2.2应用现状

由于发光印花工艺简单，成本较低，制作的产品发光性能良好，其在服装、家纺等领域应用广泛。

(1)服装

国际海事局规定，为了提高工作的安全性，远洋轮上的工作人员必须穿着发光服装[22]；舞台表演者穿着发光服饰，可以营造出特别的舞台效果，调节舞台气氛，给人留下深刻的印象；将发光条用于儿童校服上，不仅提高了儿童服装的趣味性，更增加了儿童夜间出行的安全性能。刘屹[23]、云中东等人[24]、余汉林等人[25]开发了学生交通安全警示校服，在下雨等恶劣天气及夜晚，无论有无车灯照射，都能发出安全提示，避免学生发生交通事故；在交警服上添加发光印花，可提高其夜间工作的安全性。随着消费者对时尚和潮流追求的提高，发光服装逐渐普及，如发光印花T恤、发光夜跑服等，如图4所示为目前市场上常见的发光印花服装，基本以黑色为打底色，发光图案以黄绿色或蓝绿色为主，单色印刷。

图4 发光服装

(2)家纺

在家纺方面，通过发光印花制成的装饰画、窗帘、被罩等家纺用品，可在夜晚黑暗的环境中提供光照，便于人们夜间活动。如图5为发光印花装饰画，夜晚可发出柔和光亮。图6为发光印花窗帘，不仅增加了家纺的趣味性，更营造出别样的环境氛围。

图5 发光印花装饰画

图6 发光印花窗帘

3 稀土铝酸盐发光材料在纺织领域存在的问题

稀土铝酸盐发光材料虽已在纺织等多个领域广泛应用，但仍存在诸多问题。

3.1 原材料制备

稀土铝酸盐发光材料制作工艺复杂，成本较高，制约了相关产品的开发；材料遇水易水解变质，严重影响其发光性能，虽可采用包覆的方法，但仍存在技术缺陷和应用不足等问题，需进一步研发；发光颜色单一，除黄绿色外，其余均为合成颜色，余辉明度低，故制作的稀土发光纤维及发光涂料色泽单调不明亮；稀土铝酸盐发光材料为无机颗粒，粒径在5 μm以上，在溶液中不易均匀分散、易沉淀，需进一步探究研磨技术，研发粒径更小的发光材料，同时寻找适合的分散剂，能使其均匀分散于所需溶剂中。

3.2 发光制品应用

3.2.1发光纤维

发光材料在纺丝溶液中难分散易沉淀，难以形成适合纺丝的纺丝原液，同时发光材料的颗粒大小会影响纤维表面的光滑度、拉伸、柔软度等性能，纤维制备难、造价高。纤维应用上，机织物织造时因摩擦外力，易对发光性能和纱线造成影响；针织物需对组织结构进行合理设计，否则会因纱线圈套影响发光性能。亟需开发价格低廉、发光效果好、耐穿的发光纤维，优化设计适合发光纤维的织物组织结构，以适应市场需求。

3.2.2发光印花

传统的丝网印花方式操作流程复杂、效率低，数码印花虽高效环保，但由于发光材料颗粒大、分散性差，易堵塞数码印花机喷头，限制了发光印花在数码印花机上的应用。发光印花浆是由发光材料、粘合剂及其他助剂混合制备，由于发光材料具有一定程度的颗粒感，因此通过粘合剂将其固定在织物后，导致发光织物的洗涤性能、耐摩性等较差，需进一步进行柔软、拒水防污、抗褶皱等后整理，以改善发光印花织物的服用性能。

4 结语

稀土铝酸盐发光材料无毒、无害、无辐射，发光亮度高，余辉时间长，在纺织领域有较多应用。随着社会进步和经济快速发展，功能性纺织品的需求量不断增加，发光纺织品的发展潜力巨大。目前亟需解决稀土铝酸盐在原材料制备、产品应用及发光织物制备等方面存在的问题，以提高其应用范围，满足市场需求。