稀土發(fā)光材料在紡織領(lǐng)域的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

周 燕 吳惠英 劉采夢(mèng) 張玉嬌 徐露黎

(蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州，215009)

稀土是原子序數(shù)在57到71的鑭系元素及與其化學(xué)性質(zhì)相似的鈧和釔共17種元素的總稱(chēng)[1]，已被用于化工、纖維、冶金、照明、防偽等多領(lǐng)域，我國(guó)的稀土資源豐富，含量高且種類(lèi)全，為稀土研究提供了寶貴的資源。通過(guò)對(duì)這些元素的合理組合和利用，可以形成豐富的新材料，對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的升級(jí)和改造有著巨大的應(yīng)用價(jià)值，是目前世界最具核心競(jìng)爭(zhēng)力的材料之一。而我國(guó)的稀土基礎(chǔ)資源產(chǎn)量超過(guò)世界總量的85%，已是目前稀土的第一生產(chǎn)大國(guó)[2]，為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的升級(jí)和改造提供了堅(jiān)實(shí)的保障。作為傳統(tǒng)的紡織產(chǎn)業(yè)，面對(duì)急需轉(zhuǎn)型升級(jí)改造的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，如何科學(xué)運(yùn)用新型材料進(jìn)行產(chǎn)品升級(jí)是我們面臨的重要課題。在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用過(guò)程中，稀土在功能化纖維的制備、織物的前處理以及后整理等工序都有所應(yīng)用，通過(guò)稀土元素的加入，使紡織品具有了發(fā)光、抗菌、防臭等多種特殊功能，在稀土功能材料的研究中，稀土發(fā)光材料格外引人注目。純稀土離子的發(fā)光效率不高，通常將其與高吸光配體配位形成配合物后[3-4]，可以明顯增強(qiáng)材料的發(fā)光性能[5]。

1 稀土發(fā)光纖維的分類(lèi)及制備

1.1 稀土發(fā)光纖維的分類(lèi)

發(fā)光材料能夠發(fā)出多色彩的光[6]，從紫外到紅外光譜，熒光壽命能夠從納秒到毫秒[7]，其中磷光能夠持續(xù)超過(guò)10 h，理化性能穩(wěn)定，無(wú)放射性輻射，對(duì)人體健康不造成危害[8]，節(jié)約電能且可反復(fù)使用，可用于顯像、核物理探測(cè)。稀土發(fā)光纖維主要借助于光照、紫外線(xiàn)的照射來(lái)吸收能量，將能量轉(zhuǎn)化為光輻射的一類(lèi)纖維，由于合成纖維的紡絲過(guò)程可以人為進(jìn)行控制，因此稀土發(fā)光纖維多以滌綸、丙綸及再生纖維為基材，在紡絲過(guò)程中加入發(fā)光材料及功能助劑，經(jīng)特殊紡絲工藝來(lái)制備具有吸光-蓄光-發(fā)光的功能纖維[9]。這類(lèi)纖維可以根據(jù)可見(jiàn)光的有無(wú)來(lái)呈現(xiàn)出色彩。在可見(jiàn)光照射時(shí)能夠呈現(xiàn)出各種色彩，可見(jiàn)光消失時(shí)，稀土發(fā)光纖維因添加物質(zhì)的差異可以分成夜光和熒光纖維兩大類(lèi)。

1.1.1夜光纖維

夜光纖維無(wú)毒害、無(wú)放射性且可循環(huán)使用，余輝性能良好。但目前夜光纖維的余輝性能仍然無(wú)法滿(mǎn)足夜晚照明的亮度要求，在遠(yuǎn)離激發(fā)光源后其發(fā)光效果迅速衰減。蓄光型夜光纖維不含放射性物質(zhì)[10]，在吸收外部足夠光能后可以發(fā)光，在安全防護(hù)、裝潢、道路安全、消防等場(chǎng)合都有應(yīng)用[11]，但發(fā)光時(shí)間太短。學(xué)者們?cè)噲D用一類(lèi)吸收能量并在激發(fā)停止后仍可繼續(xù)發(fā)出光的長(zhǎng)余輝發(fā)光材料來(lái)改善夜光纖維的光亮度。長(zhǎng)余輝發(fā)光材料備受關(guān)注，其中鋁酸鹽系列的材料性能優(yōu)異[12-13]，發(fā)光效率高、余輝時(shí)間長(zhǎng)。

國(guó)家稀土夜光纖維的創(chuàng)始人葛明橋教授在夜光纖維的理論和應(yīng)用方面都有深入研究[14]，以滌綸等化學(xué)纖維為基材，通過(guò)加入長(zhǎng)余輝稀土鋁酸鹽來(lái)提升纖維的發(fā)光度，通過(guò)高溫固相法來(lái)制備纖維，其中的稀土離子Eu2+、Dy3+是基質(zhì)材料SrAl2O4的激活劑，促使晶體產(chǎn)生缺陷，具備發(fā)光性能，發(fā)射波長(zhǎng)是520 nm。在日光照條件下能夠發(fā)出紅、藍(lán)、黃等色，無(wú)光照時(shí)可發(fā)出黃綠色系的光，持續(xù)時(shí)間可達(dá)10 h以上[15]，可以通過(guò)調(diào)整激活劑的種類(lèi)來(lái)獲得不同顏色。雖然長(zhǎng)余輝材料的顏色較為多樣，光譜范圍較寬，但在纖維中的應(yīng)用主要以黃綠色為主。發(fā)光材料鋁酸鹽添加到纖維中時(shí)要充分考慮其粒徑大小、含量以及相容性等因素，這樣才能保證發(fā)光纖維的正常工藝不受影響[16]。

1.1.2熒光纖維

熒光纖維以激發(fā)光源的差異可將熒光纖維分成紅外熒光纖維和紫外熒光纖維。紅外熒光纖維是指在波長(zhǎng)為700 nm～1 600 nm紅外光的激發(fā)下纖維能發(fā)出不同顏色的光；紫外熒光纖維在紫外光的激發(fā)下發(fā)出不同顏色光，且隨紫外光的消失后能恢復(fù)至原色。

徐園園等以丙綸為基體，將紫外、紅外熒光粉與聚丙烯原料物理混合，采用熔融紡絲制備紫外/紅外雙波長(zhǎng)熒光防偽纖維，改善了傳統(tǒng)熒光纖維在特定的波長(zhǎng)范圍才發(fā)光且易被偽造的不足，在不同波長(zhǎng)的光激發(fā)下可以顯示紅色和綠色熒光，雙波長(zhǎng)防偽的安全性能更高，并且可以呈現(xiàn)出多種顏色的組合，防偽性能優(yōu)異[17]。纖維素來(lái)源廣、降解性強(qiáng)，制備溫度較低，因此再生纖維素纖維可以用作發(fā)光纖維的基體材料[18-19]。陳超等討論了獲得再生纖維素纖維發(fā)光功能的方法，用干濕法制備Lyocell熒光纖維時(shí)，用鈦酸酯偶聯(lián)劑對(duì)長(zhǎng)余輝稀土熒光材料進(jìn)行表面改性，改善了發(fā)光粉末在紡絲溶液里分散的穩(wěn)定性，成功獲得長(zhǎng)余輝綠色Lyocell熒光纖維[20]。當(dāng)長(zhǎng)余輝粉末的含量增加時(shí)，纖維熱性能及結(jié)晶度下降，含量大于10%時(shí)，纖維的余輝性能有所改善，余輝時(shí)間增長(zhǎng)。

1.2 稀土發(fā)光纖維的制備

用來(lái)制備合成纖維的熔融紡絲、溶液紡絲都可以用來(lái)制備稀土發(fā)光纖維，此外還有表面涂層和鍵合法。

將聚合物切片與發(fā)光材料物理混合后可進(jìn)行熔融紡絲；將發(fā)光材料在合適的紡絲溶劑中溶解配制紡絲原液可進(jìn)行溶液紡絲，但由于溶液紡絲法需要選擇合適溶劑來(lái)溶解發(fā)光材料，因此發(fā)光材料的相容性是紡絲工藝考慮的關(guān)鍵。史晨等采用濕法紡絲法，將光致變色微膠囊與長(zhǎng)余輝發(fā)光材料共混加入到紡絲液中進(jìn)行纖維成形，實(shí)現(xiàn)了纖維具有易變色、且變化可逆等雙功能特征[21]，滿(mǎn)足了人們對(duì)科技產(chǎn)品的好奇，同時(shí)也滿(mǎn)足了人們對(duì)紡織品高檔、個(gè)性以及功能性的全方面需求[22]。表面涂層法指的是通過(guò)發(fā)光色漿來(lái)制備纖維涂層，從而獲得發(fā)光纖維的一種方法，工藝簡(jiǎn)單、可操作性強(qiáng)，發(fā)光材料與纖維表面的黏結(jié)強(qiáng)度會(huì)影響發(fā)光纖維的效果，耐酸堿性、耐摩擦性相對(duì)不好。鍵合法則是首先將發(fā)光材料通過(guò)分子形式與聚合物進(jìn)行聚合或縮合，或者其與聚合物的側(cè)鏈配位，再進(jìn)行紡絲來(lái)制備發(fā)光纖維。這種方法得到的纖維穩(wěn)定性好，但從聚合物設(shè)計(jì)到發(fā)光材料選擇等工藝難控制，紡絲難度較大。

2 稀土發(fā)光材料的應(yīng)用

2.1 發(fā)光纖維用于織物開(kāi)發(fā)

服裝是紡織品的成形產(chǎn)品，在服裝設(shè)計(jì)過(guò)程中巧妙地運(yùn)用發(fā)光材料，將色彩、舒適性以及服裝的清潔保養(yǎng)合理考量，能夠進(jìn)一步開(kāi)拓發(fā)光材料的應(yīng)用潛力并拓展服裝設(shè)計(jì)的空間。發(fā)光纖維與普通化學(xué)纖維的機(jī)械性能相似，可以達(dá)到目前織物織造工藝的要求，在時(shí)尚服飾如T-Shirt、休閑服、舞臺(tái)裝、室內(nèi)裝飾材料等民用領(lǐng)域有所應(yīng)用。但在使用發(fā)光纖維織物進(jìn)行織物設(shè)計(jì)過(guò)程中，要注意織物的參數(shù)如緊度、厚度、組織結(jié)構(gòu)、單位面積質(zhì)量等參數(shù)都會(huì)影響織物的發(fā)光效果，這是在應(yīng)用中要格外引起重視的一點(diǎn)，否則會(huì)使發(fā)光織物的功能性大大削弱。利用發(fā)光纖維所得到的織物保持了原有的柔軟性和舒適性，還可利用發(fā)光纖維與其他原料紗線(xiàn)交織形成不同花紋效果，而且最大的特點(diǎn)就是具有夜晚發(fā)光的裝飾效果，這對(duì)服裝效果展示具有很好的提升作用。

2.2 發(fā)光材料用于織物熒光涂層處理

涂層是織物后整理的一種常見(jiàn)方法，在熒光粉選擇過(guò)程中要充分考慮到用于織物涂層的熒光粉應(yīng)滿(mǎn)足無(wú)毒無(wú)害、理化性能穩(wěn)定、對(duì)人體安全。熒光涂層整理可以把發(fā)光材料和黏合劑充分混合成涂料，采用涂層工藝對(duì)基布進(jìn)行后整理來(lái)制備具有發(fā)光功能的面料。常用的超長(zhǎng)余輝熒光粉有SrO2Al2O3(MSiO2):Eu2+，日常光源就能對(duì)其激發(fā)作用，發(fā)射的波長(zhǎng)位于可見(jiàn)光范圍。由于發(fā)光材料有長(zhǎng)效的吸光和蓄光特性，因此將發(fā)光材料處理后添加到染色浴或漿料中，能夠顯著提高顏色深度和鮮艷度，尹桂波等采用Eu3+有機(jī)物在薄、厚型織物進(jìn)行涂層整理，測(cè)試織物的防紫外效果，試驗(yàn)結(jié)果表明，整理后的薄型織物的紫外線(xiàn)防護(hù)系數(shù)明顯改善，提高了將近10倍[23]。

2.3 發(fā)光材料用于熒光染料

織物用熒光染料是指在織物染色過(guò)程中，將熒光染料與染液混合后再對(duì)織物進(jìn)行染色，這樣處理對(duì)織物的增亮增艷效果大有提升，同時(shí)在紫外光的照射下能夠散發(fā)出熒光效果。根據(jù)纖維及織物的原料差異所對(duì)應(yīng)的染色機(jī)理差異，熒光染料也分為分散、酸性、活性熒光染料，國(guó)內(nèi)研究?jī)A向于染色工藝的完善，所用熒光染料多為國(guó)外進(jìn)口，熒光染料的性能也相對(duì)穩(wěn)定。呂洲等通過(guò)脂肪族的聚氨酯作為黏合劑、將光致變色的色漿以無(wú)水印花的方法處理到棉織物表面，得到了光致變色的效果，并討論黏合劑的種類(lèi)和用量以及焙烘工藝、色漿用量等因素對(duì)長(zhǎng)余輝發(fā)光織物效果的影響[24]。國(guó)外還有研究是基于香豆素合成熒光染料，應(yīng)用于羊毛染色，試驗(yàn)結(jié)果表明，羊毛纖維用紅色染料染色時(shí)損耗較少，固色效果好，耐光牢度可達(dá)4級(jí)～5級(jí)。這類(lèi)服裝在原料上不僅僅受限于合成纖維，還可拓展到其他纖維原料，因此服裝的舒適度不會(huì)受到太大影響，應(yīng)用方式的合理選擇也會(huì)保證服裝具有很好的舒適性，從而更好地發(fā)揮發(fā)光材料在無(wú)光照條件下能發(fā)光的優(yōu)勢(shì)，提升面料的鮮艷度。

3 稀土發(fā)光材料的使用領(lǐng)域

稀土發(fā)光材料的引入，不僅可以提升紡織品的藝術(shù)性、裝飾性，更能體現(xiàn)其不可替代的功能性[25-26]，目前采用發(fā)光材料制備的紡織品涉及到服裝面料、發(fā)光毛絨玩具、觀賞畫(huà)等，還可用于國(guó)防、建筑、交通等場(chǎng)合發(fā)揮其特殊功能。在家用紡織品的應(yīng)用上，以蓄光纖維為原料制作發(fā)光的窗簾、拖鞋，除了保證傳統(tǒng)的使用功能外，還可以在無(wú)光時(shí)方便夜間活動(dòng)。根據(jù)國(guó)際海事局相關(guān)規(guī)定，遠(yuǎn)洋輪上面的工作人員必須穿著具有夜光標(biāo)志的服裝；夜間的軍事訓(xùn)練所用降落傘上，需要采用夜間的發(fā)光織物來(lái)保證人員的安全；礦井工作的礦工需要穿著發(fā)光服裝以及佩戴發(fā)光繩索，便于逃生及救援；消防設(shè)施或器材的制備過(guò)程需要用到發(fā)光材料的織物，方便在火災(zāi)發(fā)生時(shí)消防員或設(shè)施能夠立刻被發(fā)現(xiàn)，便于自救或被救，消防員在實(shí)際火場(chǎng)救援時(shí)所用發(fā)光裝備經(jīng)常出現(xiàn)纏繞、電路中斷而無(wú)法發(fā)光的現(xiàn)象，目前研究了利用長(zhǎng)余輝發(fā)光材料來(lái)制備夜光水帶的方法[27]，改善導(dǎo)向功能，降低傷亡率；公共場(chǎng)所中要加入用發(fā)光材料制成的引導(dǎo)標(biāo)記，便于指引人們有序撤離。

4 結(jié)束語(yǔ)

人們對(duì)紡織品的性能要求已經(jīng)發(fā)生轉(zhuǎn)變，個(gè)性化、功能化已經(jīng)成為紡織品高附加值的體現(xiàn)，稀土發(fā)光材料是近年來(lái)逐步進(jìn)入消費(fèi)者視野的功能材料，將其巧妙地運(yùn)用到紡織品設(shè)計(jì)中可以充分發(fā)揮其發(fā)光特色，不僅能夠從設(shè)計(jì)角度豐富服裝的視覺(jué)效果，同時(shí)在消防、交通、海事等方面發(fā)揮其不可替代的作用。盡管目前的研究還在初始階段，但稀土發(fā)光材料在紡織上的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛，拓展稀土發(fā)光材料的色彩、延長(zhǎng)發(fā)光時(shí)間將是今后亟待解決的問(wèn)題。