稀土发光纤维在纺织领域的应用

钱丽婧，张技术

（常熟理工学院，江苏 苏州 215500）

稀土材料夜光功能纤维材料是利用天然稀土作为发光纤维材料加工制成的一种功能性环保新纤维材料。它是将夜光纺丝中的原料分子作为发光基体，运用长期有余辉性的稀土盐和铝酸盐作为发光纤维材料，经特种夜光纺丝制造工艺生产出来的夜光纺丝纤维。一方面，它仅仅需要连续吸收可见光十分钟，就可以将可见光直接存储在发光纤维材料里面，因此，可以在整个黑夜连续发光十个小时以上；另一方面，当室内有大量太阳光间接照射时，新型彩色夜光玻璃纤维材料将有机会使其显现不同样的色彩，如有粉红色、黄色、绿色、蓝色等。当在一个黑夜中，这种发光材料自动地激发出各色彩的亮光，如红光、黄光、蓝光和绿光等。夜光玻璃纤维漆的色彩多种多样，人们不必再需要额外使用任何染色剂或化学合成颜料，是理想的环保高效的绿色高科技产品[1]。基于此种性能，稀土夜光纤维可以在纺织、交通、夜间作业、建筑、防伪和休闲娱乐等多方面进行应用。

1 稀土发光纤维的本质研究

1.1 稀土发光纤维的发光机理

在没有特殊光照刺激的情况下，大多数荧光材料分子处于较为稳定的基态。当外部能量（由光源照射）刺激到稀土材料时，其分子内部会充满电子壳，这些电子会自动选择一定频率的光吸收并从中获取光。电子吸收了能量离子化，从而将其从基态转变为激发态。当去除外部能量时，它将以非辐射形式衰减至亚稳态，最后转变为较低能量状态，它将以辐射形式产生荧光[2]。

从基态单发双重态转变到连续激发单发双重态的连续激发转变是完全允许的激发转变，从基态单发双重态转变到连续激发三重态的连续激发转变是完全禁止的激发转变。激发三重态的辐射能量远远低于同时激发单个二重态的辐射能量。在正常工作状态下，大多数氢的分子核在处于基态的低密度振动时其能量的级数为s0。在激光吸收与其激光特征频率一致的激光辐射之后，它可以吸收光的能量并且可以在第一或第二个光激发单元的重态下跃移升迁到每个光的能级，产生光的连续吸收。当散射电子从第一吸收激发单向多重态的最低强度振动通过能量次级跃迁而达到基态时，会直接产生散射波长远远小于第一吸收散射波长（λ3<λ2<λ1）的散射光，该光是荧光。

1.2 稀土发光纤维的分类

发光纤维材料是一种特殊的纤维，它通过阳光直射或紫外线辐射吸收能量，并在下一步将其转换为光辐射。发光纤维一般以聚丙烯、聚酰胺及聚酯等为基质。光纤在可见光照射下可以显示各种颜色，而当没有可见光时，它将自动发出各种颜色的光。以掺入的发光添加剂为标准区分发光纤维和荧光纤维。

发光纤维是一种无毒、无害、非放射性和可回收的功能性纤维，其主要特征是其良好的余辉能力。目前开发的发光纤维的余辉能力远未能够达到夜间照明的标准，因为没有激发光源的刺激，发光纤维亮度会急剧下降。尽管长余辉材料的颜色是彩色的，但用于纤维的材料确实很少见。目前可以制造的发光纤维只能发出黄绿色，并且颜色仍然相对单调[3]。

根据激发光源的不同，荧光生物纤维分子可以细分为红外射线荧光分子纤维和紫外射线荧光分子纤维。红外光或荧光电子纤维发射是一种在高级红外光的直接激发下能散发出不同程度颜色的荧光（但其波长通常在0.7～1.6μm 之间），依靠上述光转换后的磷光体，然后通过使用低级红外光源进行积累并经过转换后作为高级光源释放的荧光[4]。由于激发光源的发射波长通常是不可见光，因此红外线和荧光激发纤维被广泛地应用于电子防伪打印技术中。最重要的是，当紫外线不再存在时，该材料将恢复其原始颜色。

2 稀土发光纤维的基本性能研究

通过对稀土发光纤维的重要功能进行研究和分析，便能对纤维的结构和性能有了更全面的了解。可以肯定的是，这种材料在力学、电学和化学上具有重要的优势，并具有很好的光质。稀土发光纤维利用了稀土发光材料的特性，它不仅可以确保出色的性能，而且还可以通过环保、高效和多彩的光来发光。该材料具有广阔的应用前景，可以广泛地应用于工业防御、建筑设计等各个领域，越来越受到人们的关注。在目前的技术下，稀土发光纤维可以被混纺和加工，也可以通过纯纺技术来制造。希望纯纺短纤纱工艺和纯纺短纤纱的各种性能在未来的实际制造过程中能发挥理论指导作用。

稀土夜光短纤纱的基本性能主要有以下5 点[5]。

2.1 拉伸性能

单纱的拉伸性能试验是选择合适的纺成的稀土发光纺纱，测试单纱的强度和伸长性能，并测量稀土发光纺纱的拉伸性能指标。所述纺纱具有均匀性、高断裂强度和高断裂伸长率，属于中高强度和拉伸型纱线，正是它具有的这一特性，使它可以满足编织和织造工艺的生产要求。

2.2 毛羽测试

测试稀土发光纺纱的表面毛羽，测试的毛羽长度（mm）分别为1、2、3、4、5、6、7、8、10、12。稀土发光纺纱的毛羽一般较小，1～3mm的毛羽很多，而长于10mm的毛羽很少，可以说几乎没有毛羽。这表明发光短纤纱的质量确实更好，并且对随后的制备过程也是有利且无害的。

2.3 耐湿耐热性能

稀土发光短纤纱经喷水加热后，无论什么条件，短纤纱的断裂强度均呈下降趋势，断裂伸长率也相应降低。在相同温度下，水浴处理时间越长，细纱的强度和伸长率的降低就越严重。同时进行水浴处理时的温度越高，则细纱的强度和伸长率的降低越大。

2.4 耐酸性能

酸碱化处理后，稀土中的发光剂和细纱的稀土断裂强度和稀土断裂缝的伸长率也同样呈现了指数性的变化趋势，并且随着酸处理溶液含水浓度的不断增加，两个指标的下降幅度也增大。

2.5 捻度对夜光短纤纱强度的影响

通过设定细纱的工艺，可以调整纱线的捻度。将捻度系数分别设置为290、310、330、350、370、390、410、430 和450，并通过仪器测试不同捻度的纱线的单纱强度。如果捻度继续上升，则随着滑移长度变小，纱线内部的纤维之间的侧向压力也将增加，因此，纤维对纱线的强力贡献的损失将被减弱。但是，加捻使纤维在纱线中倾斜，在这种情况下，扭曲度越高，材料的下降越大。因此，细纱的捻度和纱线强度是先增加然后降低。

3 稀土发光纤维在纺织领域的应用

3.1 纺织领域的应用

稀土金属发光色彩材料在各类纺织色彩领域应用可以丰富各类纺织品的色彩样式，还能够增加其艺术性。稀土金属发光复合材料在现代纺织品加工装备制造方面也具有重要的技术应用，例如不同服装的面料、不同颜色的毛绒玩具和绚丽多彩的装饰画等，除此之外，还可以应用到其他建筑、交通等功能纺织衣物上。

在居家纺织品的应用方面，可以制作具有发光功能的窗帘、拖鞋等，不仅能够满足日常生活使用，还能在夜晚方便夜间的行动[6]。在特种作业防护方面，远洋航行的工作人员需穿着具有发光标记的工作服装；在矿井工作的人员也需要在穿着发光服装的同时，使用由稀土发光纤维制作的绳索，从而方便抓取和救援。在军事方面，士兵在夜间进行任务使用的降落伞也要使用夜光标记所在的位置，确认人员的安全。在消防设备使用以及制作工程中，也需要应用发光纺织材料，其主要目的是为了在火灾发生时，消防队员或人员能够在第一时间发现所需要的消防设备，能够快速进行火灾救助或者自救。同时，在消防员进行火灾救助的过程中，装备的发光设备由于出现线路缠绕等问题，可能会出现无法发光的情况，因而得到警示。目前，对于稀土发光材料在安全防护方面的研究，在制备夜光水带方面有了新突破[7]，这种新型夜光水带能够改善导向功能，从而减少消防员发生死亡的情况。

3.2 发光材料的应用

3.2.1 对纺织物进行荧光涂层处理

涂覆使用方法一般使用棉、聚酯/棉或其他聚酯纤维织物材料作为基本涂覆材料，将这种发光粘合材料和其他粘合剂进行混合以后会形成发光涂层，并且在这些涂层经过处理之后可以获得新型的多功能发光材料。常用的超长荧光余辉就是荧光粉SrO2Al2O3（msio2）：Eu2+的荧光激发反射波长和荧光发射出的波长在510nm 左右，各种可见光对其波长具有强烈触发反射作用，其荧光发射出的波长在整个可见光纳米范围内。稀土特殊发光处理材料经过特殊发光处理，将多种功能性主剂和推进的助剂成分掺杂加入稀土染色浴和染料印花浆中，可以大幅提高稀土染色和染料印花浆中织物的色深和色彩鲜艳度。在最新研究中，尹桂波等用Eu3+有机物覆盖从厚到薄的织物，并测试了对涂层织物的抗紫外线作用。最终的实验结果表明，在梳理后，薄织物的抗紫外线保护系数提高了近10 倍[8]。

3.2.2 对织物进行荧光印染

在各种发光化学材料着色染料的开发制造中，主要将各种荧光着色染料溶剂混入荧光染料液中用以进行荧光着色。该染色过程不但可以直接使经过印花和其他染色的弹性织物逐渐增亮，而且它们可以在蓝色紫外光下同时发出蓝色荧光。但是，由于不同荧光纤维和纺织物的原料染色荧光机理不同，所得的染色荧光纤维染料也多种多样。例如，尼龙主要用分散或凝聚酸性炭的荧光颜色染料进行染色，而棉和其他聚酯/棉混纺后的织物则用活性炭的荧光颜色染料进行染色。陆舟等使用脂族聚氨酯作为聚合助剂，并使用无水印刷方法将光致变色浆料施加到棉织物表面以获得光致变色效果。研究并分析粘合剂的类型和用量，烘烤过程和糊剂的量对长余辉发光织物的发光效果的影响[9]。

国外对这种香豆素类药物荧光活性染料的染色合成技术研究比较多，实验室的数据和应用数据非常广泛，可以应用于羊毛织物的染色。试验研究结果表明，染成的粉红色的条纹羊毛面料纤维褪色损失少，固色氧化效果好，耐光性能好，可达4～5 级。用这种纤维材料加工制成的针织衣服不仅仅局限于合成纤维制造原料，甚至还可以直接应用于其他金属纤维合成原料，因此对整件衣服的舒适性能影响很小。如果选择科学有效的方法，还可以确保衣物具有良好的舒适性。另外，充分发挥了发光材料的优点，并且在漆黑的夜晚条件下可以大大提高织物的亮度[10]。

3.2.3 对纺织品进行综合的开发

服装是纺织技术的最终产品，在现代服装设计开发过程中，使用服装发光复合材料技术可以适当综合考虑不同服装材料颜色、舒适性、清洁和日常保养等诸多因素，进一步探索服装发光复合材料的潜在实际应用，并不断开拓新的服装设计创新空间。发光塑料纤维的流动机械力学性能几乎与普通有机化学发光纤维相同，完全能够满足目前工业织造生产工艺的各种要求。它可以广泛地应用于各种运动服装，例如运动T 恤、休闲服、舞台表演服装、室内装饰建筑材料和其他民用装饰领域。

然而，在将各种发光织物纤维复合织物技术应用于光纤织物产品设计时，应特别注意各种纤维参数测量标准，例如发光织物纤维密度、厚度、组织纤维结构和单位分布面积纤维质量等。这些重要参数将深刻影响到纺织物的整体发光处理效果，必须加以注意，否则夜光织物的特殊效果将大大减弱[11]。为了保持其独特的柔软性和舒适性，可以将发光纤维织物与其他原纱交织以形成不同的图案效果。最大的特点是小夜灯带给人的视觉冲击，对促进服装效果的展示具有很好的作用。

4 结语

近些年来，发光装饰材料在我国服装行业中的广泛应用已开始受到服装业界的高度关注，具有这种发光作用的材料已经开始在许多领域当中发挥重要作用。目前，彩色发光玻璃纤维产品受到了国内外众多生产厂商的密切关注，它不但可以大大提高国内化纤生产企业的社会经济效益和对国际市场风险的抗承受能力，还可以充分利用国产高端化纤企业产品积极参与国际化纤市场的竞争，通过出口赚取外汇的能力为新产品的后续开发、经济增长以及纺织、针织和服装公司的业务扩展提供更广泛的选择。此外，它在不断优化我国纺织业产品结构，促进我国纺织业产品技术创新方面也将起到推动作用，最终可以产生良好的社会效益和经济效益。稀土发光材料在纺织品中的应用将越来越广泛，挖掘稀土发光材料的颜色种类并延长发光时间将是该领域未来研究的重点。