光致變色紡織品的檢測(cè)方法

趙博研， 趙玉珠

(上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院纖維檢驗(yàn)所， 上海 200040)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，高科技功能性紡織品應(yīng)運(yùn)而生并迅速發(fā)展[1-2]，其中光致變色紡織品因其無(wú)味無(wú)毒，具有新穎的視覺(jué)沖擊和特定的指示功能而備受關(guān)注[3]。光致變色是指材料在適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射下進(jìn)行特定的化學(xué)反應(yīng)或物理效應(yīng)，由于結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致吸收光譜發(fā)生明顯變化而變色，當(dāng)光線(xiàn)消失又恢復(fù)至原有顏色的現(xiàn)象[4-5]。這類(lèi)材料具有色彩可逆、變色速度快、色彩鮮明以及激發(fā)易得等特性[6-7]，在紡織品領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

目前，在我國(guó)紡織品銷(xiāo)售市場(chǎng)上，已商品化的光致變色紡織品包括變色T恤、變色袖套、變色皮膚衣、變色晴雨傘等數(shù)十種形式，擁有良好的發(fā)展前途和廣闊的應(yīng)用前景。文獻(xiàn)[8-9]將微膠囊技術(shù)引入光致變色材料中，解決了變色材料在空氣中易變質(zhì)的問(wèn)題，應(yīng)用于紡織品中可獲得耐久性更好的產(chǎn)品。文獻(xiàn)[10-11]通過(guò)將光致變色材料和儲(chǔ)能材料相結(jié)合，成功開(kāi)展了對(duì)功能性復(fù)合材料的研究。

目前，關(guān)于光致變色紡織品的檢測(cè)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究較少，以往研究中通常采用室外自然光照射、拍照成像的方式以評(píng)價(jià)不同光致變色產(chǎn)品的變色性能。自然光易受天氣影響，難以標(biāo)準(zhǔn)化，因此，建立一個(gè)針對(duì)光致變色紡織品可靠的檢測(cè)方法具有現(xiàn)實(shí)意義。本文以商品化的光致變色紡織品為研究對(duì)象，模擬光致變色的激發(fā)環(huán)境，確定條件參數(shù)測(cè)定變色性能，建立了光致變色紡織品的檢測(cè)方法，以期為相關(guān)企業(yè)和研究人員開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)新產(chǎn)品提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

光致變色紡織品：選取6種商品化的光致變色紡織品作為實(shí)驗(yàn)樣品，編號(hào)1#～6#如圖1所示，樣品均為市購(gòu)。實(shí)驗(yàn)前在GB/T 6529—2008《紡織品 調(diào)濕和試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)大氣》規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)大氣下調(diào)濕至少12 h。

太陽(yáng)光模擬系統(tǒng)：CEL-S500型氙燈光源系統(tǒng)，北京中教金源科技有限公司；YS3060型手持式分光測(cè)色儀，深圳市三恩時(shí)科技有限公司。

圖1 光致變色紡織品樣品Fig.1 Photochromic textile samples before (a)and after(b)discoloration

1.2 測(cè)試與表征

1.2.1 光源的選擇

采用GB/T 6495.3—1996《光伏器件 第3部分：地面用光伏器件的測(cè)量原理及標(biāo)準(zhǔn)光譜輻照度數(shù)據(jù)》中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜，相應(yīng)于AM1.5光譜分布，輻照度為1 000 W/m2。

陰俊等[12]曾對(duì)上海地區(qū)2001～2003年地面紫外線(xiàn)輻射強(qiáng)度(290～400 nm)進(jìn)行觀測(cè)，輻射強(qiáng)度在夏季7月達(dá)到最高，為47.4 W/m2，與標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜305～400 nm之間的輻照度(46.17 W/m2)基本一致，輻射強(qiáng)度在冬季12月降到最低，為20.7 W/m2，約為標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光輻照度的一半，因此，本文實(shí)驗(yàn)分別使用1 000和500 W/m2標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光模擬我國(guó)夏季和冬季的實(shí)際氣象狀況。

使用配備AM1.5濾光片的氙燈光源可穩(wěn)定準(zhǔn)確模擬太陽(yáng)光譜，其光譜對(duì)比圖如圖2所示。分別調(diào)節(jié)氙燈光源的激發(fā)電流和工作距離獲得實(shí)驗(yàn)所需的太陽(yáng)光輻照度。本文實(shí)驗(yàn)使用20 A激發(fā)電流，13.5 cm的工作距離，得到穩(wěn)定的1 000 W/m2輻照度； 使用15 A激發(fā)電流， 16.5 cm的工作距離，得到穩(wěn)定的500 W/m2輻照度。

1.2.2 色差的測(cè)量

將具有光致變色性能的紡織品樣品放置在作為激發(fā)光源的輻照度為500和1 000 W/m2標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光下照射 5～300 s，在試樣發(fā)生變色后，分別通過(guò)人眼和儀器測(cè)定照射后的實(shí)驗(yàn)樣品與標(biāo)準(zhǔn)樣品之間的變色色差，然后撤掉激發(fā)光源并遮光保存5～30 min，使其恢復(fù)至初始狀態(tài)，測(cè)量其恢復(fù)色差。

儀器檢測(cè)方法：使用手持式分光測(cè)色儀，在4 mm檢測(cè)口徑，D65標(biāo)準(zhǔn)光源、10°視場(chǎng)角、紫外光關(guān)閉(UV off)條件下，測(cè)定光致變色樣品變色前后的CIE三刺激值，依據(jù)GB/T 32616—2016《紡織品 色牢度試驗(yàn) 試樣變色的儀器評(píng)級(jí)方法》，計(jì)算樣品顏色變化ΔEF及對(duì)應(yīng)變色灰卡級(jí)數(shù)GSc。測(cè)量時(shí)間為1 s，測(cè)試3次，結(jié)果取平均值。

人眼評(píng)級(jí)方法：在TL84標(biāo)準(zhǔn)光源下，使用紡織品評(píng)定變色用灰色樣卡，通過(guò)人眼判定光致變色樣品變色級(jí)數(shù)。測(cè)量時(shí)間為1～2 s，測(cè)試3次，結(jié)果取平均值。

D65光源在紫外和近紫外區(qū)有一定能量輻射，會(huì)誘發(fā)樣品輕微變色，因此，儀器測(cè)量需關(guān)閉UV光；人眼判定時(shí)使用TL84標(biāo)準(zhǔn)光源，雖然2種方法選用光源不一致，但色差測(cè)量仍具可比性。

1.2.3 顏色恢復(fù)速率的計(jì)算

顏色恢復(fù)速率的計(jì)算公式為

式中：ΔEF1為樣品被照射300 s時(shí)的顏色變化；ΔEF2為樣品被照射300 s后撤掉激發(fā)光源10 s時(shí)的顏色變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 照射時(shí)間對(duì)顏色變化的影響

將本文實(shí)驗(yàn)選取的1#～6#樣品分別放置于已調(diào)至1 000 W/m2標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光輻照度的氙燈光源下，使用手持式分光測(cè)色儀分別測(cè)定照射5、10、15、20、40、60、80、100、120、180、240和300 s時(shí)樣品與未照射時(shí)的顏色變化ΔEF，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，光致變色樣品受到太陽(yáng)光照射后，起始階段顏色快速變深，達(dá)到最高峰后開(kāi)始變淺并逐漸達(dá)到穩(wěn)定。光致變色能級(jí)圖如圖4所示?；谠搱D和Stokes定律[13-14]，光致變色材料A逐漸吸收激發(fā)光源(紫外-可見(jiàn)光)的能量，發(fā)生結(jié)構(gòu)方式或電子能級(jí)的變化，形成吸收光譜不同的材料B，從而完成顯色反應(yīng)，表觀上即顏色的逐漸加深。由于材料B處于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)，且光致變色過(guò)程為可逆過(guò)程，存在著平衡極限，A受照射后逐漸達(dá)到與B之間的平衡狀態(tài)，ΔEF曲線(xiàn)趨于水平。由圖3可以看出， 1#～6#樣品均在照射180 s(3 min)后達(dá)到穩(wěn)定，以此確定實(shí)驗(yàn)的照射時(shí)間為300 s(5 min)，該時(shí)間下樣品既完成充分變色，又避免過(guò)度老化，同時(shí)實(shí)驗(yàn)可操作性強(qiáng)。

分析樣品的變色過(guò)程，受到光源激發(fā)后，樣品的初始變色速度極快：如果高峰值較早出現(xiàn)，無(wú)法捕捉到其最初發(fā)生變色到高峰值的完整過(guò)程，說(shuō)明變色較快；相反，如果高峰值出現(xiàn)較晚，則說(shuō)明變色相對(duì)較慢。通過(guò)上述ΔEF的動(dòng)態(tài)測(cè)量可實(shí)時(shí)掌握變色過(guò)程，以此為依據(jù)，可相對(duì)得出1#～6#樣品的變色快慢順序?yàn)椋?#>5#>1#>3#>2#>6#。

2.2 太陽(yáng)光輻照度對(duì)顏色變化的影響

為進(jìn)一步研究不同太陽(yáng)光輻照度對(duì)光致變色紡織品的變色和恢復(fù)過(guò)程的影響，分別使用1 000和500 W/m2的輻照度激發(fā)樣品5 min，之后撤掉激發(fā)光源遮光保存5 min，測(cè)定整個(gè)過(guò)程中光致變色紡織品的顏色變化ΔEF，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同光致變色紡織品1 000和500 W/m2輻照度下ΔEF趨勢(shì)圖Fig.5 ΔEF trend graph of different photochromic textiles under 1 000 and 500 W/m2

由圖5可知，不同強(qiáng)度的太陽(yáng)光不會(huì)影響光致變色紡織品的變色和恢復(fù)過(guò)程，其趨勢(shì)基本保持一致，但較高輻照度下的ΔEF明顯高于較低輻照度下的數(shù)值。原因在于較高輻照度下反應(yīng)較為充分，樣品的呈色體相對(duì)較多，顏色更深。市場(chǎng)上的光致變色紡織品絕大多數(shù)以輕薄T恤和遮陽(yáng)傘為主，常于夏季穿著和使用，選擇標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光1 000 W/m2作為光致變色紡織品的標(biāo)準(zhǔn)光源具有現(xiàn)實(shí)意義。

撤掉激發(fā)光源后，光致變色樣品即快速恢復(fù)原有顏色，在圖5中表現(xiàn)為曲線(xiàn)最大轉(zhuǎn)折處。將310 s時(shí)測(cè)得的ΔEF數(shù)值與300 s時(shí)的ΔEF數(shù)值的變化率作為樣品恢復(fù)速率的相對(duì)表征函數(shù)，按照顏色恢復(fù)速率計(jì)算的結(jié)果如表1所示?？上鄬?duì)得出1#～6#樣品的恢復(fù)快慢順序?yàn)椋?#>5#>1#>6#>2#>3#。與變色速率相比，變色快的樣品其恢復(fù)速率也較快，變色與恢復(fù)的趨勢(shì)基本一致。

表1 光致變色紡織品恢復(fù)速率測(cè)試結(jié)果Tab.1 Recovery rate of photochromic textiles

2.3 恢復(fù)時(shí)間對(duì)顏色變化的影響

為進(jìn)一步研究樣品的恢復(fù)能力，在照射5 min后遮光保存樣品5、10和30 min，并分別通過(guò)人眼和儀器進(jìn)行變色色差和恢復(fù)色差的測(cè)量，結(jié)果如表2所示，其對(duì)應(yīng)的變色灰卡級(jí)數(shù)GSc如表3所示。

表2 不同保存時(shí)間下樣品的人眼與儀器評(píng)級(jí)對(duì)比表Tab.2 Comparisons of eye and instrument ratings for samples at different storage time 級(jí)

表3 顏色變化ΔEF與變色灰卡級(jí)數(shù)GSc對(duì)應(yīng)表Tab.3 Discoloration ΔEF and gray scale GSc

由表2可知：2#樣品因花型不連續(xù)，染色和變色效果不均勻，導(dǎo)致2種評(píng)級(jí)方式的差異相對(duì)較大；其余樣品的人眼評(píng)級(jí)與儀器評(píng)級(jí)差別均小于半級(jí)，5#樣品的評(píng)級(jí)結(jié)果甚至完全一致。原因是儀器評(píng)級(jí)可對(duì)所選部位進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)定，但受口徑大小限制，人眼評(píng)級(jí)視野較大，變色級(jí)數(shù)具有整體性和宏觀性。

樣品照射5 min與遮光保存30 min時(shí)，人眼與儀器評(píng)級(jí)的重合度較好，而遮光保存5、10 min時(shí)，人眼評(píng)級(jí)結(jié)果普遍大于儀器評(píng)級(jí)結(jié)果。原因是儀器測(cè)定的ΔEF數(shù)值與變色灰卡級(jí)數(shù)相對(duì)應(yīng)時(shí)，中間區(qū)間變化最為靈敏(見(jiàn)表3)，而人眼此處的分辨能力較弱。

為匹配人眼與儀器評(píng)級(jí)，兼顧光致變色樣品在日常使用時(shí)的狀況，確定光照撤離后遮光保存30 min測(cè)定其恢復(fù)色差，作為其最終恢復(fù)能力的判定參數(shù)。

2.4 光致變色紡織品檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)論，確定光致變色紡織品的檢測(cè)方法條件參數(shù)為：標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光源1 000 W/m2，照射時(shí)間5 min，恢復(fù)時(shí)間30 min，分別通過(guò)人眼和儀器評(píng)級(jí)確定光致變色紡織品的變色色差和恢復(fù)色差，其中儀器評(píng)級(jí)后可給出模擬色，結(jié)果如表4和圖6所示?？梢钥闯觯?個(gè)被測(cè)樣品中有5個(gè)樣品的人眼和儀器檢測(cè)結(jié)果完全一致，該方法可提供可靠的變色性能檢測(cè)數(shù)據(jù)和直觀的模擬色。

表4 光致變色紡織品人眼和儀器評(píng)級(jí)結(jié)果Tab.4 Human eye and instrument assessment of photochromic textiles 級(jí)

圖6 模擬色對(duì)比圖Fig.6 Comparison diagram of color simulation. (a)Before discoloration；(b)After discoloration；(c)Restoration color

3 結(jié) 論

1)采用手持式分光測(cè)色儀動(dòng)態(tài)測(cè)量光致變色紡織品的顏色變化數(shù)值ΔEF，研究光致變色紡織品的變色和恢復(fù)機(jī)制。結(jié)果表明：樣品受光照射后，顏色變化(ΔEF)先上升后下降，于3 min左右達(dá)到穩(wěn)定；太陽(yáng)光輻照度不會(huì)影響樣品的變色與恢復(fù)過(guò)程。

2)結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，確定了光致變色紡織品檢測(cè)方法的條件參數(shù)為：使用AM1.5濾光片，輻照度數(shù)值為1 000 W/m2，照射時(shí)間5 min，遮光恢復(fù)時(shí)間30 min。

3)分別采用人眼和儀器測(cè)量光致變色紡織品的變色色差和恢復(fù)色差，2種評(píng)級(jí)方法得出的數(shù)據(jù)結(jié)果基本一致，實(shí)驗(yàn)方案有效可靠，操作便捷。

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