稀土鋁酸鹽發(fā)光材料在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用研究

趙 歡，潘 力

(大連工業(yè)大學(xué) 服裝學(xué)院，遼寧 大連 116034)

隨著功能性服裝的快速發(fā)展，差異化的功能材料、纖維、染料、涂料等越來越受到業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注。稀土鋁酸鹽是一種自發(fā)光型材料，可用于開發(fā)各種發(fā)光產(chǎn)品，近年來已經(jīng)廣泛運用于紡織服裝、交通警示、消防應(yīng)急等各個領(lǐng)域，深受廣大消費者喜歡。發(fā)光材料不僅能提高服裝的辨識度，而且還能極大提高服裝產(chǎn)品的附加值。本文對近年來稀土鋁酸鹽發(fā)光材料在紡織服裝領(lǐng)域的研究動態(tài)和應(yīng)用現(xiàn)狀進行了分析和概括，并對目前的發(fā)展難題進行了梳理。

1 稀土鋁酸鹽發(fā)光材料的特點

稀土長余輝發(fā)光材料是指在紫外線或太陽光短時間照射后能夠連續(xù)發(fā)光的材料，也稱為發(fā)光材料[1]。 目前，稀土長余輝發(fā)光材料主要包括硫化物、稀土鋁酸鹽和稀土硅酸鹽。

硫化物長余輝發(fā)光材料是第一代稀土長余輝發(fā)光材料。1866年，法國人Sidot制備出的ZnS:Cu是世界上第一個具有實際應(yīng)用意義的長余輝發(fā)光材料，目前常見的硫化物長余輝發(fā)光材料主要有ZnS:Eu2+、CaBaS:Cu+，Eu2+、CaSrS:Eu2+，Dy3+，主要發(fā)光顏色為紅色；稀土激活的鋁酸鹽長余輝發(fā)光材料是第二代長余輝發(fā)光材料。1968年，Palilla F. C.等人[2]在研究SrAl2O4:Eu2+的發(fā)光過程中首次發(fā)現(xiàn)了鋁酸鹽的長余輝特性。目前的代表材料有SrAl204:Eu2 +，Dy3 +、Sr4Al14O25:Eu2+，Dy3+、BaAl204:Eu2+，Dy3+、CaAl2O4:Eu2+、Nd3+，主要發(fā)光顏色為黃綠色、藍綠色等；1968年，Barry等人[3]報道了多種硅酸鹽發(fā)光材料的光譜特性，但有關(guān)硅酸鹽體系長余輝性能的研究一直沒有突破性的進展，目前稀土硅酸鹽長余輝發(fā)光材料主要有Ca2MgSi2O7:Eu2+，Dy3+，Nd3+和 CaMgSi2O6:Eu2+，Dy3+，Nd3+，主要發(fā)光顏色為藍色。

稀土長余輝發(fā)光材料不同的物理化學(xué)性能決定了其不同的應(yīng)用領(lǐng)域，表1為稀土長余發(fā)光材料的性能特點及應(yīng)用領(lǐng)域比較。其中稀土鋁酸鹽發(fā)光亮度高、余輝時間長、無毒、無害、無輻射，應(yīng)用前景較好。

2 稀土鋁酸鹽發(fā)光材料在紡織領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀

稀土鋁酸鹽長余輝發(fā)光材料在紡織領(lǐng)域的研究起步較晚，目前主要研究集中在兩個方面：一是用于開發(fā)稀土長余輝發(fā)光纖維，二是通過制作發(fā)光涂料開發(fā)發(fā)光印花紡織品。

2.1 稀土鋁酸鹽發(fā)光纖維

發(fā)光纖維可分為自發(fā)光和蓄光兩種類型，稀土鋁酸鹽發(fā)光纖維屬于自發(fā)光纖維，它可以在短時間內(nèi)吸收儲存可見光能并以可見光的形式將能量緩慢釋放，不消耗電能，發(fā)光顏色以黃綠色為主。

2.1.1研究現(xiàn)狀

國內(nèi)稀土鋁酸鹽發(fā)光纖維的研究還處于起步階段，技術(shù)尚不成熟貴。稀土鋁酸鹽是無機材料，顆粒較大，在溶液中易沉淀，不易均勻分散，在發(fā)光纖維制備方面存在較多弊端。大多數(shù)稀土鋁酸鹽發(fā)光纖維的基體是高聚物如聚酯、聚丙烯或尼龍，通過將適量的稀土鋁酸鹽發(fā)光材料和納米功能添加劑添加到紡絲原液中，通過特殊紡絲工藝制成。目前主要有熔融紡絲法、溶液紡絲法、高速氣流沖擊法、表面涂層法、粘合法[4]。近年來，研究人員也開始研究通過靜電紡絲制備稀土鋁酸鹽發(fā)光纖維。但天然纖維只能通過表面涂層的方式將發(fā)光材料涂附于纖維表面，纖維強度、耐摩擦性、耐洗性等性能較差，因此市場上較為少見。

表1 稀土長余輝發(fā)光材料的性能特點及應(yīng)用領(lǐng)域比較

1994年我國研究人員通過向紡絲粘合劑中加入5%～20%的非放射性發(fā)光劑成功制成發(fā)光纖維。2007年，我國在無機發(fā)光化合物—稀土鋁酸鹽發(fā)光纖維的應(yīng)用方面取得了重大突破。國內(nèi)對于稀土鋁酸鹽發(fā)光纖維的研究，主要集中在以江南大學(xué)和東華大學(xué)為主的高校，以及北京東方利源科技有限公司和無錫宏源化纖廠等企業(yè)。無錫宏源化纖實驗廠與江南大學(xué)合作開發(fā)出可工業(yè)化生產(chǎn)的稀土鋁酸鹽發(fā)光纖維，具有自主知識產(chǎn)權(quán)，填補了國內(nèi)空白，技術(shù)與成果水平處于國內(nèi)領(lǐng)先地位[5]；陳超等人[6]采用濕法紡絲的方法制備出綠色稀土鋁酸鹽發(fā)光纖維；北京東方利源科技有限公司與清華大學(xué)通過特種熔融紡絲的方法，成功開發(fā)出稀土鋁酸鹽發(fā)光纖維[7]。Ebrahimzade A.等人[8]使用鋁酸鍶(SrAl2O4：Eu2+，Dy3+)顆粒作為發(fā)光劑，通過熔融紡絲制備發(fā)光聚丙烯纖維，并對纖維的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、性能等進行了研究。

2.1.2應(yīng)用現(xiàn)狀

目前國內(nèi)發(fā)光纖維的生產(chǎn)廠家主要集中在杭州、無錫、紹興、常熟、東莞、深圳等地，價格為80元/kg～150元/kg，主要為發(fā)光滌綸長絲及發(fā)光錦綸長絲，以其中發(fā)光滌綸長絲為主。市售發(fā)光紗線的發(fā)光顏色有黃綠色、藍綠色、紅色等18種顏色，以黃綠色為主，其發(fā)光效果也最好。圖1發(fā)光紗線。

圖1 發(fā)光紗線

由于發(fā)光纖維的成本較高，在進行發(fā)光纖維產(chǎn)品開發(fā)時，不僅需要考慮產(chǎn)品的美觀性，更需要考慮市場及消費者的接受能力，在保證產(chǎn)品設(shè)計的同時，控制纖維用量，以適應(yīng)市場需求。閆艷紅[9]對稀土鋁酸鹽發(fā)光纖維的開發(fā)和應(yīng)用進行了系統(tǒng)研究，通過機織、針織及刺繡小樣試驗，研究了發(fā)光纖維的可編織性能，并設(shè)計了服裝樣衣、開發(fā)了發(fā)光纖維刺繡毛絨玩具。

(1)機織物

機織物在紡織品中的應(yīng)用最為廣泛。由于發(fā)光纖維具有和滌綸絲相似的物理機械性能，故能上機進行機織物的織造，通過設(shè)計合理的組織結(jié)構(gòu)，可以織造出發(fā)光性能良好的織物。但發(fā)光纖維在織造過程中易與機器上的棕絲、鋼筘等零部件發(fā)生摩擦而變黑，導(dǎo)致發(fā)光性能減弱，故在織造時應(yīng)盡量選用塑料零部件或?qū)l(fā)光纖維用于緯紗，以減少摩擦，保證纖維的發(fā)光性能。雖然發(fā)光纖維可用于機織織造，但是由于纖維用量多，織造過程中摩擦的影響，造成產(chǎn)品發(fā)光性能低且成本較高，因此發(fā)光纖維機織物在市場上較為少見。

(2)針織物

發(fā)光纖維可用于經(jīng)編或緯編針織產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)，在設(shè)計組織結(jié)構(gòu)時要盡可能讓發(fā)光纖維位于表面，避免被線圈遮擋，通常選用壓紗組織。裝飾效果的花邊類織物，用少量的發(fā)光纖維就可以使產(chǎn)品達到較好的發(fā)光效果。但由于發(fā)光纖維的柔軟度及彈性較差，所以影響了發(fā)光纖維針織物的柔軟度、硬挺度及舒適性，限制了發(fā)光針織服飾的發(fā)展。

(3)其他特殊用品

用發(fā)光纖維加工的繩索、線、帶等應(yīng)用廣泛，例如照明電纜、工業(yè)縫紉線、照明鞋帶和漁網(wǎng)等。發(fā)光纖維還廣泛用于家用紡織品等領(lǐng)域，如發(fā)光地毯、發(fā)光窗簾、毛絨玩具和發(fā)光拖鞋等。如圖2為通過發(fā)光長絲編織的夜光鞋帶，在白天與普通鞋帶無差異，夜晚可發(fā)出明亮的光，在黑暗的環(huán)境中方便穿脫，也提高了鞋子的辨識度和夜間出行的安全性。由于發(fā)光纖維成本較高，機織物和針織物產(chǎn)品開發(fā)受到限制，所以發(fā)光刺繡在紡織服裝領(lǐng)域應(yīng)用較多。圖3為發(fā)光刺繡毛絨玩具，發(fā)光纖維的加入，增加了玩具的獨特性和趣味性。

圖2 發(fā)光鞋帶

圖3 發(fā)光刺繡毛絨玩具

2.2 稀土鋁酸鹽發(fā)光印花織物

由于發(fā)光纖維生產(chǎn)工藝復(fù)雜、成本較高，應(yīng)用局限性較大，市場上的發(fā)光織物多是經(jīng)發(fā)光印花制得。將稀土鋁酸鹽以添加劑的形式加入到染色浴和印花漿料中形成發(fā)光印花漿，再經(jīng)基布涂層整理即可得到發(fā)光印花織物。發(fā)光印花漿是一種新型的特殊印花漿，通常由光致發(fā)光體、保護劑、連接劑等組成，為了獲得更好的絲網(wǎng)印刷滲透性，可以用水和油、水乳液等調(diào)節(jié)粘度[10]。該印花漿料不受纖維類型和織物結(jié)構(gòu)的限制，適用于印刷各種類型的紡織品。發(fā)光印花的具體工藝流程為：坯布翻縫→前處理→漂白→定形→印花→保溫焙烘→拉幅定型→檢驗出廠[11]。

2.2.1研究現(xiàn)狀

由于稀土鋁酸鹽發(fā)光材料易水解生成Al(OH)3沉淀，導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)被破壞，嚴重影響其發(fā)光性能，限制了發(fā)光材料在水性漿料方面的使用，同時也會影響印花織物的耐洗性。因此為使發(fā)光材料在水性印花漿中能發(fā)揮作用，其表面處理便成為一個重要的研究課題，其中鋁酸鹽發(fā)光材料的包覆方法研究較多，主要有溶膠凝膠法、沉淀法、熔融包覆法、物理蒸氣沉積法、混合干球磨法以及其他特殊方法，包覆材料多為無機材料二氧化硅和氧化鋁，近年來有研究者為了改善發(fā)光材料與有機漿料的相容問題，開始研究有機包覆材料。呂興棟等人[12]采用溶膠凝膠法在鋁酸鹽發(fā)光材料外包覆一層無機SiO2膜，改善了發(fā)光材料的耐水性能；侯志青等人[13]采用沉淀法在發(fā)光粉體表面包覆了SiO2和Al3O2復(fù)合膜；喻勝飛等人[14]采用有機包覆的方法，制備出表面包覆馬來酸酐的發(fā)光材料，耐水性、有機相容性良好；Hom Nath Luitel等人[15]將發(fā)光粉添加到NH4F中，在高溫?zé)Y(jié)后得到氟化物包覆的發(fā)光粉；Jing Lin等人[16]在制備發(fā)光粉時同時通入N2和NH3混合物，制備出包覆的粉體。

發(fā)光印花漿的制備是發(fā)光印花織物的關(guān)鍵技術(shù)，印花漿料的配比、絲網(wǎng)或圓網(wǎng)網(wǎng)版的制作、印花條件等都是重要研究對象。發(fā)光印花通常采用低網(wǎng)目的絲網(wǎng)，優(yōu)選80目～100目。為保證有良好的發(fā)光效果，光致發(fā)光體的粒徑要盡可能小，夜光粉的目數(shù)一般為200目～800目，添加量通常為10%～30%，應(yīng)盡可能地將發(fā)光漿疊印在淺色或白色底層上，同時需注意不被其他涂料漿遮蓋[13]。印花的溫度、時間等條件根據(jù)印花織物的種類調(diào)節(jié)。喻勝飛等人[17]介紹了發(fā)光材料的特性、改性研究、粘合樹脂的選擇，闡述了國內(nèi)外發(fā)光涂料的應(yīng)用研究現(xiàn)狀；李許波等人[18]通過對稀土鋁酸鹽長余輝發(fā)光材料的應(yīng)用現(xiàn)狀調(diào)查發(fā)現(xiàn)，油性涂料中含有多種有機溶劑，會對環(huán)境造成污染；袁燕等人[19]采用絲網(wǎng)印花，以發(fā)光材料50%、紫外線吸收劑0.3%、光穩(wěn)定劑0.4%的配方，制備出性能優(yōu)良的發(fā)光油墨；朱瑞萍[20]研究了發(fā)光印花漿的配比及圓網(wǎng)印花的生產(chǎn)工藝；Tawfik A. Khattab等人[21]研究了鋁酸鹽發(fā)光涂料在棉織物上的絲網(wǎng)印花工藝，并對印花織物的洗滌、排汗等服用性能進行了評價。

2.2.2應(yīng)用現(xiàn)狀

由于發(fā)光印花工藝簡單，成本較低，制作的產(chǎn)品發(fā)光性能良好，其在服裝、家紡等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

(1)服裝

國際海事局規(guī)定，為了提高工作的安全性，遠洋輪上的工作人員必須穿著發(fā)光服裝[22]；舞臺表演者穿著發(fā)光服飾，可以營造出特別的舞臺效果，調(diào)節(jié)舞臺氣氛，給人留下深刻的印象；將發(fā)光條用于兒童校服上，不僅提高了兒童服裝的趣味性，更增加了兒童夜間出行的安全性能。劉屹[23]、云中東等人[24]、余漢林等人[25]開發(fā)了學(xué)生交通安全警示校服，在下雨等惡劣天氣及夜晚，無論有無車燈照射，都能發(fā)出安全提示，避免學(xué)生發(fā)生交通事故；在交警服上添加發(fā)光印花，可提高其夜間工作的安全性。隨著消費者對時尚和潮流追求的提高，發(fā)光服裝逐漸普及，如發(fā)光印花T恤、發(fā)光夜跑服等，如圖4所示為目前市場上常見的發(fā)光印花服裝，基本以黑色為打底色，發(fā)光圖案以黃綠色或藍綠色為主，單色印刷。

圖4 發(fā)光服裝

(2)家紡

在家紡方面，通過發(fā)光印花制成的裝飾畫、窗簾、被罩等家紡用品，可在夜晚黑暗的環(huán)境中提供光照，便于人們夜間活動。如圖5為發(fā)光印花裝飾畫，夜晚可發(fā)出柔和光亮。圖6為發(fā)光印花窗簾，不僅增加了家紡的趣味性，更營造出別樣的環(huán)境氛圍。

圖5 發(fā)光印花裝飾畫

圖6 發(fā)光印花窗簾

3 稀土鋁酸鹽發(fā)光材料在紡織領(lǐng)域存在的問題

稀土鋁酸鹽發(fā)光材料雖已在紡織等多個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但仍存在諸多問題。

3.1 原材料制備

稀土鋁酸鹽發(fā)光材料制作工藝復(fù)雜，成本較高，制約了相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)；材料遇水易水解變質(zhì)，嚴重影響其發(fā)光性能，雖可采用包覆的方法，但仍存在技術(shù)缺陷和應(yīng)用不足等問題，需進一步研發(fā)；發(fā)光顏色單一，除黃綠色外，其余均為合成顏色，余輝明度低，故制作的稀土發(fā)光纖維及發(fā)光涂料色澤單調(diào)不明亮；稀土鋁酸鹽發(fā)光材料為無機顆粒，粒徑在5 μm以上，在溶液中不易均勻分散、易沉淀，需進一步探究研磨技術(shù)，研發(fā)粒徑更小的發(fā)光材料，同時尋找適合的分散劑，能使其均勻分散于所需溶劑中。

3.2 發(fā)光制品應(yīng)用

3.2.1發(fā)光纖維

發(fā)光材料在紡絲溶液中難分散易沉淀，難以形成適合紡絲的紡絲原液，同時發(fā)光材料的顆粒大小會影響纖維表面的光滑度、拉伸、柔軟度等性能，纖維制備難、造價高。纖維應(yīng)用上，機織物織造時因摩擦外力，易對發(fā)光性能和紗線造成影響；針織物需對組織結(jié)構(gòu)進行合理設(shè)計，否則會因紗線圈套影響發(fā)光性能。亟需開發(fā)價格低廉、發(fā)光效果好、耐穿的發(fā)光纖維，優(yōu)化設(shè)計適合發(fā)光纖維的織物組織結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)市場需求。

3.2.2發(fā)光印花

傳統(tǒng)的絲網(wǎng)印花方式操作流程復(fù)雜、效率低，數(shù)碼印花雖高效環(huán)保，但由于發(fā)光材料顆粒大、分散性差，易堵塞數(shù)碼印花機噴頭，限制了發(fā)光印花在數(shù)碼印花機上的應(yīng)用。發(fā)光印花漿是由發(fā)光材料、粘合劑及其他助劑混合制備，由于發(fā)光材料具有一定程度的顆粒感，因此通過粘合劑將其固定在織物后，導(dǎo)致發(fā)光織物的洗滌性能、耐摩性等較差，需進一步進行柔軟、拒水防污、抗褶皺等后整理，以改善發(fā)光印花織物的服用性能。

4 結(jié)語

稀土鋁酸鹽發(fā)光材料無毒、無害、無輻射，發(fā)光亮度高，余輝時間長，在紡織領(lǐng)域有較多應(yīng)用。隨著社會進步和經(jīng)濟快速發(fā)展，功能性紡織品的需求量不斷增加，發(fā)光紡織品的發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｄ壳柏叫杞鉀Q稀土鋁酸鹽在原材料制備、產(chǎn)品應(yīng)用及發(fā)光織物制備等方面存在的問題，以提高其應(yīng)用范圍，滿足市場需求。