聚合物光纖織物的特性及其應(yīng)用

呂 晨，鐘智麗，匡麗赟，吳劍青

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津 300387)

聚合物光纖(POF)是指采用聚合物材料或有機(jī)材料制備而成的細(xì)絲狀可傳導(dǎo)光功率的傳輸線。1967年由美國(guó)杜邦公司研發(fā)的首種聚合物光纖進(jìn)入市場(chǎng)，經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，聚合物光纖已經(jīng)成為光纖的一個(gè)重要分支［1］。由于聚合物光纖與傳統(tǒng)的玻璃光纖相比，具有良好的柔韌性和彎曲性，并且端面易加工，目前已廣泛應(yīng)用于短距離通信，燈飾照明，傳感器等領(lǐng)域［2］。隨著各種功能型聚合物光纖的出現(xiàn)，近年來(lái)，將聚合物光纖織制成織物為聚合物光纖開(kāi)辟了新的應(yīng)用前景，通過(guò)將不同的光源與織物中的光纖進(jìn)行連接耦合［3］，可開(kāi)發(fā)諸多產(chǎn)品，使其應(yīng)用在發(fā)光紡織品［4］、柔性顯示器［5-7］、醫(yī)用光療產(chǎn)品［8-9］以及光纖傳感器［10-12］多個(gè)領(lǐng)域。

1 聚合物光纖的結(jié)構(gòu)及特性

1.1 聚合物光纖的結(jié)構(gòu)

聚合物光纖通常由3部分組成：芯層、皮層和保護(hù)層，其中芯層的折射率較高，用來(lái)傳遞光;皮層的折射率略低于芯層，通常皮層與芯層的折射率相差約1%，與纖芯一起形成全反射條件，從而使光線在光纖中無(wú)損失地傳輸;保護(hù)層強(qiáng)度高，能承受較大沖擊，起到保護(hù)光纖的作用［13］。通常應(yīng)用在光通信領(lǐng)域外的聚合物光纖，一般不包含保護(hù)層，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)如圖1。

圖1 聚合物光纖的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Cross-sectional view of polymer optical fiber

1.2 聚合物光纖的特性

光導(dǎo)纖維按所使用的材質(zhì)分類，可分為石英玻璃系光纖和聚合物光纖(POF)2個(gè)大類。前者主要應(yīng)用在較長(zhǎng)距離的光通信領(lǐng)域，按其具體材質(zhì)，又可分為石英光纖、氟化玻璃光纖和硫化玻璃光纖等，而后者按所使用的聚合物種類可分為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、含氟透明樹(shù)脂和氘化PMMA等［14］。聚合物光纖與傳統(tǒng)的石英系、玻璃系相比具有以下特性，具體如表1所示。

表1 聚合物光纖與石英系、玻璃系的性能比較Tab.1 Properties of polymer optical fiber and quartz and glass fiber

由表1可以看出，與石英、玻璃系光纖相比，聚合物光纖具有優(yōu)異的彎曲性能，并且由于其幾何形狀和力學(xué)性能與常規(guī)纖維相似，使其織入織物成為可能;聚合物光纖柔軟而強(qiáng)韌，具有較大的直徑范圍，為0.15～3.00 mm;且聚合物光纖具有較大的數(shù)值孔徑(光纖的數(shù)值孔徑是指某一角度范圍內(nèi)入射到光纖端面的光能全部被光纖所傳輸，這個(gè)角度α的正弦值就稱為光纖的數(shù)值孔徑，數(shù)值孔徑越大，光纖接收光的能力也越強(qiáng))，使得聚合物光纖與光源的耦合率高;但是除了相對(duì)于石英、玻璃系光纖的以上優(yōu)勢(shì)外，其綜合耐溫性遠(yuǎn)低于玻璃光纖，PMMA芯的聚合物光纖的使用溫度范圍在-55～70℃之間，熱處理溫度為100～110℃，短時(shí)間內(nèi)可以承受100℃左右的高溫，長(zhǎng)期使用時(shí)，溫度應(yīng)低于70℃，而石英、玻璃系光纖一般可在200℃以下使用。由于聚合物光纖具有以上特性，使得聚合物光纖在使用中具有以下優(yōu)勢(shì)：1)聚合物光纖在使用時(shí)可任意設(shè)定角度和形狀，并可在有限和狹小的空間內(nèi)使用;2)聚合物光纖光源的體積小，可獲得高亮度、多變化的光，且可傳輸特定波長(zhǎng)的光，設(shè)計(jì)自由度高;3)聚合物光纖本身無(wú)需維修，且由于光纖實(shí)際使用部分與其光源隔離，系統(tǒng)易維修且費(fèi)用低。但是由于聚合物光纖的熱穩(wěn)定性較差，使得其不能在超過(guò)70℃的高溫中使用，故不能對(duì)聚合物光纖織物進(jìn)行熨燙，否則會(huì)造成織物的損壞，因此使聚合物光纖織物保持一定的懸垂性也成為聚合物光纖加工中的一個(gè)難題。另外，在聚合物光纖使用時(shí)要盡量避免對(duì)光纖表面的刮、劃，否則會(huì)對(duì)光在聚合物光纖中的傳輸造成一定影響。除此之外，聚合物光纖與普通紗線、長(zhǎng)絲相比，其剛度仍然較大，并且易斷，因此，為了保持織物的手感與柔軟度，應(yīng)盡量選擇直徑小的聚合物光纖進(jìn)行織造。目前常見(jiàn)的聚合物光纖直徑為0.25 mm。通常使用PMMA芯材的多模突變聚合物光纖來(lái)織制織物［15］。

2 聚合物光纖織物的形式及特性

2.1 聚合物光纖織物的形式

聚合物光纖形成的織物通常有機(jī)織物、針織物、提花織物和非織造物等，如表2所示。聚合物光纖在不同結(jié)構(gòu)的織物中呈現(xiàn)不同的狀態(tài)，導(dǎo)致聚合物光纖不同程度的彎曲，因此在光纖的傳播中損失程度不同［16］。在機(jī)織物中，光纖作為經(jīng)緯紗，產(chǎn)生微彎曲，因此損耗較小;在針織物中，光纖的彎曲程度變大，因此損耗變大;在提花織物中，光纖產(chǎn)生宏彎曲，宏彎曲產(chǎn)生光損失較大，故在提花織物中，不需要其他處理，光就會(huì)通過(guò)宏彎曲散射出來(lái)，因此，織造提花織物可直接開(kāi)發(fā)發(fā)光裝飾紡織品［17］;在非織造結(jié)構(gòu)中，聚合物光纖通常是在非織造布成型的過(guò)程中通過(guò)合適的黏合方式附著在織物表面或里層，光纖伸直程度較好，因而，此種結(jié)構(gòu)不會(huì)造成光損失。

2.2 聚合物光纖織物的特性

聚合物光纖織物雖然使用的不是常規(guī)的紡織用紗，但是由于其本身的特性，其織物不僅具有紡織品的特性，而且與普通織物相比，還具有其他優(yōu)異性能。

表2 聚合物光纖織物的類型Tab.2 Type of polymer optical fiber fabric

1)可保持優(yōu)異的柔韌性：直徑為0.25 mm的聚合物光纖的斷裂應(yīng)變?yōu)?1.7%，略低于滌綸長(zhǎng)絲的斷裂應(yīng)變17%，是玻璃光纖的30多倍［18］。

2)聚合物光纖織物與普通織物一樣具有質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)：PMMA的體密度為1 150～1 190 kg/m3，低于滌綸的體密度1 380 kg/m3，是玻璃纖維密度2 400 ～2 800 kg/m3的一半［18］。

3)具有較優(yōu)的服用舒適性能：聚合物光纖織物的保暖性和透氣性優(yōu)于同種組織規(guī)格的棉織物。

4)具有耐久性，并且具有傳輸光和發(fā)散光的能力。

5)使用安全：光纖傳輸過(guò)程中產(chǎn)生冷光并且無(wú)電磁輻射［19］。

6)易與光源連接：POF具有便利的端面加工特征，其端面只需用刀片或熱刀片簡(jiǎn)單切割即可，其耦合損耗與端面精細(xì)研磨拋光的POF相同［20］。

雖然聚合物光纖織物具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是由于其使用溫度較低，熱穩(wěn)定性較差，并且聚合物光纖在0℃以下力學(xué)性能會(huì)發(fā)生顯著變化，使得聚合物光纖織物的應(yīng)用環(huán)境受到一定限制［4］;另外，由于聚合物光纖表面光滑，造成織物中的光纖易滑脫，光纖織物易變形，因此，織造時(shí)應(yīng)該特別注意經(jīng)緯密和布邊組織的設(shè)計(jì)。

2.3 聚合物光纖織物在加工過(guò)程中的問(wèn)題

作為一種特殊的紡織用紗，聚合物光纖在織造過(guò)程中存在以下問(wèn)題：

1)聚合物光纖由于自身力學(xué)性能較差，而在機(jī)織物的織造過(guò)程中，整經(jīng)、穿綜、穿筘等工序易對(duì)光纖表面造成刮、劃，從而影響光在聚合物光纖中的傳輸與散射，因此聚合物光纖在機(jī)織物的織造時(shí)適宜做緯紗，避免聚合物光纖斷裂及表面受到過(guò)多的損傷;

2)由于聚合物光纖的勾結(jié)強(qiáng)度較低，在織造過(guò)程中易斷裂，因此在聚合物光纖針織物的織造中應(yīng)選擇合適的組織來(lái)避免光纖的過(guò)度彎曲;而在使用劍桿織機(jī)進(jìn)行織造時(shí)，劍桿引緯時(shí)對(duì)聚合物光纖的勾結(jié)易引起斷裂，可以通過(guò)改造劍桿織機(jī)的劍桿，降低引緯時(shí)劍桿對(duì)紗線勾結(jié)的力度，從而保持光纖持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間不斷裂的織造，提高織造效率;

3)由于聚合物光纖織物必須要留出一定長(zhǎng)度的光纖與光源連接形成最終織物，因此對(duì)于所留出的光纖進(jìn)行整理成為一大問(wèn)題。用聚合物光纖織造時(shí)，需合理設(shè)計(jì)布邊，并且使用絞綜，從而使織物中露出的光纖易于整理且不影響織造。

3 聚合物光纖織物的應(yīng)用

3.1 發(fā)光紡織品

聚合物光纖發(fā)光織物的制備主要是利用光在光纖中傳播并使光從光纖表面的裂縫中透出的原理。通常選用側(cè)發(fā)光聚合物光纖或者通過(guò)對(duì)端發(fā)光聚合物光纖進(jìn)行處理使光能從光纖表面散發(fā)出來(lái)［21］，如圖2(a)所示?？刹捎靡韵路椒ǎ簩⒐饫w進(jìn)行一定長(zhǎng)度的拉伸、對(duì)光纖表面進(jìn)行割刮或者采用化學(xué)試劑(適量的丙酮、正己烷、乙醇等)對(duì)光纖表面進(jìn)行破壞［22］。此外，光纖在織物中的彎曲也會(huì)造成一定程度的光散射，如圖2(b)所示。

圖2 聚合物光纖側(cè)發(fā)光原理Fig.2 Light extraction from optical fibers.(a)Surface corrugation in polymer optical fibers;(b)Microbending in optical fibers

利用聚合物光纖開(kāi)發(fā)發(fā)光紡織品，是聚合物光纖織物的一個(gè)重要應(yīng)用。目前制備發(fā)光織物主要有以下3種途徑：利用光致發(fā)光材料形成夜光織物［23-24］，利用發(fā)光二極管(LED)在織物中形成發(fā)光織物［25-26］和利用光導(dǎo)纖維織制發(fā)光織物。利用光纖制備發(fā)光織物與其他2種方法相比，具有以下優(yōu)勢(shì)，如表3所示。

表3 不同發(fā)光織物的性能對(duì)比Tab.3 Properties of different light emitting fabrics

目前，聚合物光纖發(fā)光織物已經(jīng)開(kāi)發(fā)成多種產(chǎn)品，應(yīng)用在服裝、家紡、照明裝飾、安全警示以及醫(yī)用光療等多個(gè)領(lǐng)域。法國(guó)的Lumitex公司在1985年就開(kāi)始致力于這種發(fā)光產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，目前已成功將這種發(fā)光織物應(yīng)用在服裝以及各類家紡用品上，如桌布、窗簾、床品等［4］。Rubans Gallant和 Dubar-Warneton這2家公司在1997年開(kāi)發(fā)出用來(lái)裝飾、照明的緯編針織發(fā)光織物，之后這種發(fā)光織物又被開(kāi)發(fā)成安全服和一些時(shí)尚配件。

此外，由于聚合物光纖織物產(chǎn)生冷光，無(wú)熱量，光源可靈活調(diào)換，并且光纖發(fā)光織物與傳統(tǒng)的光源相比更柔韌，可以隨意與人的體型相吻合，因此，越來(lái)越多的光纖發(fā)光織物應(yīng)用在光能治療方面［8，21］。國(guó)外研究人員將側(cè)發(fā)光光纖編織成光纖毯，這種光纖毯發(fā)出的藍(lán)光可以有效治療嬰兒的黃疸病。與單獨(dú)將嬰兒置于一個(gè)藍(lán)燈光照環(huán)境下這種傳統(tǒng)的治療方式相比，嬰兒裹在這個(gè)光纖毯中可以在父母的懷抱和喂養(yǎng)中得到治療。瑞士的Markus Rothmaier利用聚合物光纖織物的光源活動(dòng)性與光亮調(diào)節(jié)的靈活性，解決了對(duì)某種腫瘤的光能療法中的光照劑量需要嚴(yán)格控制的問(wèn)題［9］。

圖3 聚合物光纖柔性顯示器的發(fā)展過(guò)程Fig.3 Development of flexible optical fiber display

雖然這種聚合物光纖發(fā)光織物在目前已經(jīng)得到了廣泛利用，但是由于光在光纖中的傳遞過(guò)程是呈指數(shù)衰減的，使得這種發(fā)光織物容易出現(xiàn)亮度不勻的問(wèn)題，因此在聚合物光纖織物的織造中，織物的長(zhǎng)度會(huì)有一定限制，需保證織物的尺寸小于光纖出現(xiàn)明顯衰減的長(zhǎng)度，使得聚合物光纖織物的亮度盡可能均勻。

3.2 聚合物光纖柔性顯示器

由于聚合物光纖織物具有良好的柔韌性，并且與LED相比，價(jià)格較低，更容易應(yīng)用在紡織品中，因此利用聚合物光纖織物制備柔性顯示器開(kāi)始被人們考慮并且逐步成為現(xiàn)實(shí)。顯示器通常由聚合物光纖和普通紗線交織而成。這種柔性顯示器的屏幕表面由若干獨(dú)立單元組成，通常在織造過(guò)程中確立屏幕的矩陣排列，通過(guò)一個(gè)電子接口將織物與多組LED燈整合成一體，控制不同組的光纖，并調(diào)控LED燈開(kāi)關(guān)、顏色以及亮度的變化(由屏幕矩陣決定)來(lái)形成靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的不同圖案［5］。

這種聚合物光纖柔性顯示器的發(fā)展經(jīng)歷3個(gè)階段，如圖3所示。法國(guó)France Telecom公司的研究人員開(kāi)發(fā)出最初的聚合物光纖顯示器，如圖3(a)所示，它采用0.5 mm的聚合物光纖織制而成，經(jīng)緯密均為70根/10cm，屏幕可顯示3行3列60 mm×60 mm的數(shù)字或者英文字符串［6］。隨后，在這種柔性顯示器的基礎(chǔ)上，通過(guò)提高織入光纖的經(jīng)緯密，從而達(dá)到提高屏幕“像素點(diǎn)”的目的，使得屏幕上可以顯示更具變化性的圖案，如圖3(b)所示。在第3代聚合物光纖柔性顯示器中，將這種顯示器結(jié)合遠(yuǎn)程通信服務(wù)技術(shù)，可通過(guò)使用個(gè)人計(jì)算機(jī)或者移動(dòng)電話連接互聯(lián)網(wǎng)，然后從相應(yīng)的圖案庫(kù)中編輯設(shè)置具有個(gè)人風(fēng)格的圖案［7］。

雖然目前的聚合物光纖柔性顯示器已發(fā)展到可顯示變化圖案及可與互聯(lián)網(wǎng)連接的階段，但是聚合物光纖柔性顯示器可達(dá)到高像素化、高清晰度仍然需要很長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)。高像素化意味著在1塊聚合物光纖織物上存在成千上萬(wàn)個(gè)像素點(diǎn)，從而保證這種柔性顯示器的高清晰度，而過(guò)多像素點(diǎn)的存在使得制備工藝變的非常復(fù)雜，且成本過(guò)高。

3.3 聚合物光纖織物傳感器

聚合物光纖具有可傳輸光、散射光以及可收集側(cè)面散射光的特性，使得光信號(hào)可以很容易地傳輸至指定的光電檢測(cè)器中，因此常常被用來(lái)制備成傳感器。聚合物光纖織物傳感器與普通傳感器相比，具有不產(chǎn)生熱量、對(duì)電磁干擾不敏感、質(zhì)量輕以及柔韌性好的顯著優(yōu)點(diǎn)［27-29］。目前利用光纖制作傳感器可測(cè)量多種參數(shù)的變化，例如溫度、濕度、壓力、風(fēng)速、距離、位置、形狀、顏色、亮度、透明度、粒子濃度、流量、半徑、密度、濁度和折射率等［30］。

Rothmaier M等［10］在2008年研發(fā)出一種聚合物光纖織物壓力傳感器，如圖4(a)所示。在這種傳感器中，聚合物光纖伸直無(wú)彎曲地附著在織物中，當(dāng)載荷去除后，光纖可迅速回復(fù)到其原本的狀態(tài)。德國(guó)的Jens Schuster等［11］設(shè)計(jì)了一種在VARTM成型過(guò)程中監(jiān)測(cè)內(nèi)部應(yīng)力、壓力以及溫度變化的聚合物光纖織物傳感器，如圖4(b)所示。

圖4 2種不同的聚合物光纖織物傳感器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

在醫(yī)療方面，利用側(cè)面發(fā)光光纖的側(cè)表面對(duì)外界壓力的靈敏度較高這一特點(diǎn)，且側(cè)面發(fā)光光纖的發(fā)光強(qiáng)度會(huì)隨著所受壓力的增大而呈線性下降，因此可以編織成光纖地毯［12］。這種光纖地毯具有柔軟、尺寸小以及使用安全的特性，可用于對(duì)病人活動(dòng)范圍進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

由于聚合物光纖織物傳感器主要是利用聚合物光纖中光信號(hào)傳輸?shù)母淖冞M(jìn)行信息傳遞，外界機(jī)械壓力、光源的變化及光纖幾何形狀的改變等因素都會(huì)對(duì)光信號(hào)的傳輸產(chǎn)生影響，因此，聚合物光纖織物傳感器不同于別的傳感介質(zhì)，信號(hào)易受周圍環(huán)境影響，所以在聚合物光纖織物傳感器的制作及使用中，要最大程度地保證傳感器各個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定，否則，將在一定程度上影響光信號(hào)傳遞的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。

4 結(jié)語(yǔ)

聚合物光纖的特性使聚合物光纖織物的織造成為可能，這種織物的特性使其可開(kāi)發(fā)為多種產(chǎn)品應(yīng)用于發(fā)光產(chǎn)品、柔性顯示器、傳感器等多個(gè)領(lǐng)域。隨著新型聚合物光纖的出現(xiàn)，如光子晶體光纖、光子帶隙光子晶體光纖［31-32］等，聚合物光纖織物將具有更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，其產(chǎn)品將朝著更加多元化、功能化和智能化的方向發(fā)展。

雖然聚合物光纖織物具有十分廣泛的應(yīng)用前景，但是現(xiàn)階段在光纖織物的織造以及相關(guān)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)中，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上缺乏適合織造用的光纖。目前的光纖多為通信用光纖，其力學(xué)性能較差，在機(jī)織、針織、提花過(guò)程中光纖易斷裂，相信將來(lái)通過(guò)加大對(duì)光纖材料力學(xué)性能改善的研究或者通過(guò)對(duì)現(xiàn)有織機(jī)的改造來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。此外，還應(yīng)加大對(duì)聚合物光纖織物開(kāi)發(fā)出的具有各種功能的服用產(chǎn)品的舒適性及其各項(xiàng)服用性能的研究力度，力求提供給消費(fèi)者集功能性與舒適性為一體的產(chǎn)品。

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