光导纤维在发光织物上的应用研究进展

林文君， 缪旭红

(江南大学 针织技术教育部工程研究中心， 江苏 无锡 214122)

智能纺织品能够感知和反应环境的变化,具有不同的附加值[1-2]。发光织物作为智能纺织品的重要组成部分，由于其新颖性和实用性而引起许多研究者的关注[3]。发光织物根据发光材料可分为3类：将发光二极管集成到纺织结构中形成发光织物，利用夜光纤维形成发光织物以及将光导纤维织造成光纤发光织物。利用发光二极管形成的发光织物可应用在舞台服装、装饰用纺织品、安全警示等领域[4]。由稀土夜光纤维形成的夜光织物通过稀土夜光纤维吸收可见光而使织物发光[5]，但发光亮度较暗、无变色效果且光衰大[6]，夜光织物可应用在民族刺绣服装、安全警示、家居用品、玩具装饰品等领域[7]。相较于其他发光织物，利用光导纤维形成的光纤发光织物可在织物表面或者需要的地方发光，发光区域更为灵活，具有发光亮度亮、质量轻、不受电磁辐射、耗电量小、与光源连接方便、透气性好，穿着舒适等优势[3，6，8]。通过将光导纤维集成到合适的纺织结构中，在可穿戴设备的任何部分实现光的传输，因此可应用在儿童服装、舞台服装、晚礼服、夜晚运动服、安全服等可穿戴服装。光纤发光织物还可应用在室内装饰、安全警示和医疗等领域。光纤发光织物在医疗用途上主要是通过调制不同波长的光源得到不同的光波，从而获得不同的治疗效果[9]。

本文根据织造对光导纤维的要求，结合发光织物的必要属性，分析了光导纤维应用于发光织物的可能性，阐述了光导纤维在发光织物上的最新研究进展，以期为光纤发光织物的研发以及在智能服装中的应用推广提供思路。

1 光导纤维

光导纤维简称光纤，是一种由透明光学材料制成的可传导光功率的纤维[8]。光导纤维根据材料可分为石英光纤、玻璃光纤与聚合物光纤(又称塑料光纤，简写为POF)[10-11]。从织造角度看，与石英光纤和玻璃光纤相比，聚合物光纤具有良好的柔韧性和弯曲性，更加适合用来织造光纤发光织物。聚合物光纤是由高折射率的聚合物制作的芯层和低折射率聚合物制作的皮层组成，聚合物光纤皮层的折射率要比芯层的折射率略小才能使光通过[8]。芯层材料主要有聚乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)这3种材料；皮层材料主要有PMMA和氟树脂。目前市场上最常用的是PMMA聚合物光纤。聚合物光纤具有柔韧性好、细长、柔软、轻便、直径大、易耦合、不导电、可传导光源等特点[3-4,6]，主要应用在照明装饰、传感器及光学医疗器械中[12-14]。聚合物光纤按照其发光方式可分为端面发光光纤和侧面发光光纤。端面发光光纤是指在光传输过程中通过光的全反射将光从入射端面传输到出射端面；侧面发光光纤是指在光传输过程中不仅可将光从入射端面传输到出射端面，还有一部分光能从光纤的侧面漏出来，形成侧面发光的效果[15-16]。聚合物光纤是形成光纤发光织物的重要组成原料，聚合物光纤的基本参数见表1。表中MMA指的是甲基丙烯酸甲酯。目前常用的是PMMA芯聚合物光纤，力学强度好、透光率高。

表1 聚合物光纤的基本参数Tab.1 Basic parameters of polymer fiber

2 发光织物用光纤

2.1 发光织物对光纤的要求

光纤应用于发光织物必须考虑到发光织物的必要属性以及光纤的性能特点。发光织物的必要属性包括柔软，质轻，使用持久安全，发光亮度高且均匀，服用性能良好。发光织物最突出的特征就是在黑暗中的发光亮度及花型图案效果，发光亮度是指单位面积的发光表面所产生的发光强度[17]。织物的拉伸、组织结构、类型[18]、密度,光纤的数量、弯曲半径、弯曲损耗[19]，光在光纤中的传递呈指数衰减[20]等因素都会对发光织物的发光亮度产生影响,因此需要考虑光纤的力学性能、化学性能、热学性能以及光学性能对织造发光织物的影响。

2.1.1 光纤的力学性能

光纤的力学性能影响其编织性能[21]。光纤的钩接强度较低、弹性差、耐磨性差，因此光纤在织造过程中容易发生断裂。石英光纤和玻璃光纤的弯曲性能差，聚合物光纤的断裂拉伸率较大，韧性好，弯曲性能好[22]，弯曲半径大；但聚合物光纤的弯曲半径与针织过程中织针钩取纱线时所需要的纱线弯曲半径要求不一致[3]，且聚合物光纤的抗弯刚性大，不利于光纤弯曲成圈，因此，聚合物光纤的成圈编织比较困难，适合通过浮线的形式进行编织[21]。聚合物光纤的柔软性、挠曲性和延伸性好，便于加工和使用。

2.1.2 光纤的热学性能

光纤的热学性能影响光纤发光织物的染色与定形。石英光纤和玻璃光纤的耐热性好，而聚合物光纤的耐热性差[23]，且聚合物光纤的热稳定性较差，在急热或急冷的情况下容易对纤维产生损伤。PS芯和PMMA芯聚合物光纤的工作温度小于80 ℃；PC芯聚合物光纤的工作温度小于150 ℃;耐热型聚合物光纤可在100～200 ℃范围内使用[22,24]。因此，聚合物光纤织物难以正常进行熨烫、染色、定形等后处理。

2.1.3 光纤的化学性能

光纤的化学性能一般取决于其原材料，例如玻璃光纤的化学性能类似玻璃，聚合物光纤的化学性能类似塑料，但光纤本身的特殊结构也会影响其化学性能。光纤表面积相对较大，容易吸潮，这会使纤维受到侵蚀，产生散射光，导致光纤力学强度减弱、透过率下降。聚合物光纤的耐酸碱性好[10]，耐强酸、强碱，耐腐蚀性和耐老化性强。

2.1.4 光纤的光学性能

光纤具有可传导光和散射光的光学特性，影响光纤发光织物的发光亮度、发光效果以及所带来的花型图案效果。聚合物光纤的色散大、折射率高、光传输衰减大且在光的传输过程中损耗大，特别是在紫外光区和红外光区的损耗大，聚合物光纤在可见光区的透光率高[10]。

2.2 光纤发光织物

光纤发光织物是通过光纤侧面发光原理将聚合物光纤作为纱线与普通纱线一起织入织物形成的具有发光效果的织物[15-16]。由于聚合物光纤本身不发光，只能传导光，因而还需要将发光二极管(LED)作为光源与聚合物光纤连接，不仅可将光传输到指定的位置，还可将光传输到织物表面，再结合电路设计使织物发光[25-27]。由于聚合物光纤具有良好的柔韧性以及可编织性，在使用过程中可被设定成任意的形状和角度[28]，设计自由度高、可任意弯曲，因此，聚合物光纤适合作为纱线织造发光织物。目前聚合物光纤发光织物可根据编织工艺的不同分别利用端面发光光纤和侧面发光光纤制备发光织物。由于侧面发光光纤的发光效果比端面发光光纤好，可通过机械破坏、化学溶剂腐蚀、等离子体处理、激光等特殊方法破坏光纤的反射特性，从而使光从光纤的侧面漏出，形成侧面发光的效果，因此更适合采用侧面发光光纤来织造光纤发光织物[16]。

目前光纤发光织物的载体有机织物、针织物、非织造织物和刺绣织物[16]。由于机织物容易形成发光织物且对聚合物光纤造成的损伤较小，因此机织物适合作为发光织物的主要载体。由于经纱承受的张力较大，易产生摩擦，因此将聚合物光纤作为纬纱，普通纱线作为经纱相互交织形成织物[16]。聚合物光纤以伸直的状态分布在机织物中，减少摩擦，防止在织造过程中受到机械破坏造成损伤，减少光纤因弯曲而受到的损耗，但在机织结构中，聚合物光纤与经纱相互交织，在交织点处也可能产生微弯[29]。机织物一般选择平纹织物、斜纹织物以及缎纹织物，实验结果表明，缎纹织物的侧面发光亮度高于斜纹织物和平纹织物的侧面发光亮度，且16枚纬面缎纹织物的侧面发光亮度最高[30]。陈园园等[31]将端面发光光纤作为纬纱与普通纱线进行交织形成织物，用发光二极管提供光源，通过光纤侧面发光处理形成发光图案且对其发光亮度进行测试。计算机辅助设计系统可改变提花织物的设计方法，使光纤编织动态图案成为可能[29]。陈园园等[6，30,32-33]均利用提花CAD系统开发了图案和颜色可变换的动态提花发光织物，并且对发光织物的侧面发光性能进行了测试。Wang Jinchun等[29]在提花机上，以高分子光纤作为纬线与经线相互交织，在织物表面形成图案，所设计的POF提花织物能够在电路控制下显示高亮度、高分辨率的动态图案。目前，光纤发光织物在机织物研究基础上，可结合织物的组织结构设计以及电路、光路设计研发出颜色形状可变换的可控光纤提花发光织物。

在针织结构中，聚合物光纤要顺利形成线圈就需要比机织结构中弯曲更多，聚合物光纤的抗弯性应保持在较低水平，以保护弯曲区域[34]。聚合物光纤的最大问题在于其抗弯刚度大，在光纤成圈时容易产生弯曲形态，产生弯曲损耗，发生断裂，无法继续进行成圈编织[35]。但聚合物光纤延伸性和柔韧性好，可通过设置合理的纱线张力和组织参数以及选择适合编织的机号、针号与机速，使得聚合物光纤顺利编织成圈[36]。目前聚合物光纤在经编中是以衬纬的形式织入针织物中；在纬编中以衬纬和衬垫的形式衬入针织物中，衬纬纱线与衬垫纱线是不被针钩编织[37]，不参与成圈，不产生弯曲，对聚合物光纤的要求较低，能够以直线形态或有限弯曲的角度分布在织物中，这样既能成功将光纤顺利织入织物中，获得比较稳定的织物结构，又能保证聚合物光纤的覆盖率，不影响光纤的发光效果。目前，匡丽赟等[38]将聚合物光纤通过手摇横机手动地衬入针织物中织造成光纤发光织物，在织物表面形成不同花型图案效果。有研究者提出一种纬编的镶嵌技术，将聚合物光纤交织在线圈中而不是穿过编织的线圈，减少了对纤维的损伤，光纤不会发生断裂，从而成功地将聚合物光纤在横机上集成到针织结构中，实现光纤在服装上的局部发光[39]。Claire Guignier等[40]通过纬编的镶嵌技术直接生产三维针织物，通过精确控制镶嵌纱线在结构内部的位置来增强针织压力袜。有研究提出一种铺设式结构编织设计，这种铺设式结构同时适用于经编织物和纬编织物，聚合物光纤可水平或垂直整合进针织结构中[36]。而在经编织物中，杨昆等[41]在手动经编小样织机上采用直径为1 mm的聚合物光纤为衬纬纱线编织出经编衬纬复合织物。总而言之，光纤通常以不弯曲的状态或者有限的弯曲角度编织到织物中，从而保证其顺利织造以及光的传输。

从织造角度来说，机织物对聚合物光纤的力学性能要求更低一些，受到的损伤较小，更容易形成光纤发光织物。但是由于机织物中的纬纱是通纬的，而聚合物光纤在机织物中是作为纬纱进行织造的，因此不能在中间剪断光纤，且在织物中聚合物光纤经过的路径较长。机织物透气性和弹性差，不适合用在紧身衣、运动装等服装上来作为发光织物的研究载体，更适合用在警示服、舞台服装上作为光纤发光织物的载体。而针织结构具有良好的弹性、回复性、悬垂性以及柔软性，便于聚合物光纤衬入材料[27]，且针织物的舒适性与服用性能较好，更适合在紧身衣、运动装、儿童装等服装上作为光纤发光织物的载体。

3 存在的问题及发展趋势

利用光纤织造发光织物是必然趋势，聚合物光纤应用于制备轻便持久耐用发光织物。

3.1 光纤发光织物商业化的关键性问题

虽然目前光纤在制备商业化光纤发光织物方面存在一定的问题，但可以通过改善光纤的基本性能来解决。通过规范光纤的规格和提高光纤的柔韧性来使其更适合织造；提高光纤的化学性能和力学性能，例如克服聚合物光纤脆性大、抗弯刚度大以及钩接强度低的缺点，改善光纤发光织物的柔软性与弯曲性，让光纤能够达到类似于普通纤维的性能来满足光纤在常规纺织加工流程中的要求，提高织造效率；改善光纤的热学性能，使得光纤能够满足织物染整、定形等加工的条件，使得光纤发光织物产品的功能性和服用舒适性能够提高；由于光纤需要长时间持续暴露在光线中以恢复能量并释放能量[42]，因此要提高光纤的耐光性，从而提高光纤发光织物的使用寿命。

3.2 光纤在发光织物上的发展方向

光纤发光织物应具有类似于纺织品的服用性能。将聚合物光纤引入纺织结构中，不仅使得传统纺织品具有光学性能的附加值，还保留了传统纺织品的特征。在设计过程中，需要考虑光纤发光织物的透气性、舒适性与耐洗涤性能。

光纤发光织物应与电子元件无缝连接，将可穿戴技术无缝地融入日常生活中，提高舒适度和安全性，从而得到兼具功能性、实用性和美观性的光纤发光织物。

光纤发光织物的理想状态是耗电量低，发光亮度高，发光均匀。光纤发光织物的耗电量较低，消耗功率低，可满足织物长时间发光的要求，可形成多色混合或变色的带有花型图案的发光织物。

4 结束语

聚合物光纤承担了光纤发光织物的重要角色，其在智能纺织品、智能服装中的广泛应用是目前高端纺织业发展的趋势，应以改善光纤的基本性能为基础，同时提高光纤发光织物的耐用性，把握光纤发光织物市场发展的总体趋势。把光纤与纺织、电子相结合，开发新的工艺和表现手法，通过图案设计和电路设计编织出可发光且图案色彩可变换可控制的光纤发光织物，开发兼具功能性和舒适性的产品。