光照與紡織材料色差的關(guān)系研究

張榮

（航宇救生裝備有限公司，湖北襄陽441003）

0 引言

對(duì)技術(shù)性能要求較高的特紡材料常被應(yīng)用于特殊的、惡劣的工作環(huán)境中。航空救生領(lǐng)域裝備產(chǎn)品的主體是柔性紡織材料，而復(fù)雜的使用條件和工作環(huán)境對(duì)其所用的紡織材料性能和品質(zhì)必然有著特殊的要求。因此，這種對(duì)材料的依賴性使得高性能救生裝備對(duì)特種紡織材料提出了更高的要求，也意味著每次航空救生裝備技術(shù)的重大突破都與新材料的應(yīng)用密不可分。

耐光照性能是航空救生領(lǐng)域裝備產(chǎn)品戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)中必不可少的一項(xiàng)內(nèi)容。個(gè)體防護(hù)救生裝備、軍用傘及空投空降裝備產(chǎn)品采用的特紡材料的品種和類別較多，但大部分材料對(duì)日光的照射非常敏感，因?yàn)槿展饽軌虼偈估w維的活化能增加，使得材料的氧化速度加快，最終導(dǎo)致材料老化加劇。通常特紡材料在日光直接照射后會(huì)出現(xiàn)色澤泛黃、手感變硬、斷裂強(qiáng)力減小和彈性下降的現(xiàn)象。

本文以飛行員個(gè)體防護(hù)救生裝備、軍用傘和空降空投降落傘等裝備對(duì)于主體所用的特紡材料的可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為研究方向，結(jié)合航空救生裝備在光照環(huán)境下的使用工況，對(duì)主體特紡材料的耐光照性能進(jìn)行研究。為了建立太陽輻射總量與材料色差（外觀色澤變化）兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，研究人員主要對(duì)試驗(yàn)原理和試驗(yàn)步驟的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)驗(yàn)證、數(shù)據(jù)整理和結(jié)果分析等方面進(jìn)行研究，希望研究結(jié)果可為設(shè)計(jì)人員在今后的選材、產(chǎn)品故障分析、產(chǎn)品定壽和延壽等方面提供數(shù)據(jù)支持和參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原理

在規(guī)定的光照環(huán)境條件下，對(duì)特紡材料試樣進(jìn)行暴露試驗(yàn)，讓其經(jīng)受陽光的照射作用。然后按照預(yù)先設(shè)定的暴露期限定期檢測(cè)特紡材料試樣外觀的色差變化，通過灰色樣卡和色差儀定量測(cè)定相結(jié)合的方法評(píng)價(jià)材料的耐光老化性能，并對(duì)光照因素的影響及其作用機(jī)制進(jìn)行分析。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)時(shí)在室外大氣下直接進(jìn)行暴露試驗(yàn)，并使暴露面朝正南方向，與地平面成45°傾角，試驗(yàn)架下端離地高度高于500 mm。試樣擺放形式見圖1。

圖1 自然曝曬試驗(yàn)狀態(tài)

1.3 色差評(píng)價(jià)

試樣放置在試驗(yàn)箱中接受自然曝曬試驗(yàn)，每月各取樣一次，先用灰色樣卡評(píng)級(jí)，做出初步判斷，再采用色差儀定量測(cè)定試樣色差，對(duì)其外觀變化情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.4 試驗(yàn)材料

特紡材料作為航空飛行員個(gè)體防護(hù)救生裝備和空降空投產(chǎn)品的主要材料，使用范圍十分廣泛。不同產(chǎn)品的使用壽命與其所用特紡材料的耐光照性能密切相關(guān)。對(duì)產(chǎn)品的具體使用部位和環(huán)境條件進(jìn)行分析，選出15種具有代表性的材料，并確定了相應(yīng)表征耐光性能的試驗(yàn)項(xiàng)目。參與自然曝曬試驗(yàn)的這些材料，基本涵蓋了公司產(chǎn)品所用特紡材料的主要材料類別，涉及面廣，代表性強(qiáng)，體現(xiàn)了以點(diǎn)帶面的特點(diǎn)。參試材料詳見表1。

表1 參試材料

1.5 氣象條件監(jiān)測(cè)與記錄

試驗(yàn)場(chǎng)氣象條件較穩(wěn)定，年間的氣象因素變化很相似，有季節(jié)性的暴風(fēng)雨、高溫、高濕、充足的降雨量等氣候特點(diǎn)。其中：年均氣溫約為24℃，每年最熱月份的最高氣溫平均約為34℃，最低氣溫平均約為25℃，年降雨量一般超過2 000 mm，年均相對(duì)濕度為85%，年日照時(shí)間為2 055 h，年太陽輻射量約為5 400 MJ/m2，是典型的東南亞濕熱帶環(huán)境氣候。

按照預(yù)先設(shè)定的試驗(yàn)方案，對(duì)15種材料進(jìn)行了全天候自然曝曬試驗(yàn)，室外自然曝曬時(shí)間為4～12個(gè)月。在試驗(yàn)期間需要按月份記錄當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件數(shù)據(jù)，包括溫度（最高值、最低值和平均值）、相對(duì)濕度（最低值和平均值）、平均氣壓、降雨量、太陽紫外輻射總能量、太陽輻射總能量等。

2 結(jié)果與討論

2.1 外觀總體評(píng)價(jià)

參與試驗(yàn)的15種材料樣品經(jīng)過室外自然耐光曝曬，試驗(yàn)周期由材料的耐光照性能進(jìn)行確定。一般在4～12個(gè)月后，通過灰色樣卡和色差測(cè)試儀相結(jié)合的方法，可以獲得各種試樣的外觀耐光性能評(píng)定結(jié)果，詳見表2。

表2 參試材料外觀總體評(píng)價(jià)

2.2 色差評(píng)定

在試驗(yàn)前利用色差測(cè)試儀器獲得各樣品的L*、a*和b*值，作為原始樣品的色澤數(shù)據(jù)，并將原始樣品密封避光保存。在定期取樣后，將原始樣品與來樣進(jìn)行色差判定，獲得ΔE*ab值。

本試驗(yàn)以“輕質(zhì)高強(qiáng)抗燃織物”（簡(jiǎn)稱“1號(hào)試樣”）為例，對(duì)試驗(yàn)前和試驗(yàn)后樣品的外觀變化情況進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在試驗(yàn)終止后，試樣的外觀顏色變化非常明顯，且嚴(yán)重變淺，詳見圖2。

圖2 輕質(zhì)高強(qiáng)抗燃織物試驗(yàn)前后對(duì)比

2.3 太陽輻照總量對(duì)樣品色差值的影響

本次參試材料的原料成分基本涵蓋了公司航空救生裝備產(chǎn)品用特紡材料的主要品種。光照是導(dǎo)致特紡材料老化的主要因素之一，特紡材料在日光直接照射后外觀一般會(huì)出現(xiàn)色澤泛黃、手感變硬等現(xiàn)象。

在試驗(yàn)過程中，不僅獲取了各參試材料不同周期的外觀色澤變化的色差ΔE*ab值，同時(shí)對(duì)試驗(yàn)期間的氣象情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，主要?dú)庀髷?shù)據(jù)包括太陽總輻射量、紫外光輻射量和降雨量等，其中太陽總輻射量、紫外光輻射量是面向正南方與地面成5°傾角接收的直接曝曬輻射值。

仍以輕質(zhì)高強(qiáng)抗燃織物為研究對(duì)象，對(duì)太陽輻照量與樣品色差之間的關(guān)系進(jìn)行研究，試驗(yàn)所得的具體數(shù)據(jù)詳見表3。由表3可知：隨著試驗(yàn)周期的延長(zhǎng)，紫外光輻射量和太陽輻射量都逐漸增加，對(duì)試樣外觀顏色的影響也逐漸增大（可通過色差ΔE*ab值來表現(xiàn)）。

2.4 數(shù)據(jù)分析

本試驗(yàn)研究時(shí)是將試樣放置于玻璃箱內(nèi)，全天候室外曝曬，且試驗(yàn)的結(jié)束是以試樣拉伸斷裂強(qiáng)力下降到曝曬前試樣拉伸斷裂強(qiáng)力的50%為準(zhǔn)。研究發(fā)現(xiàn)，在試驗(yàn)過程中，氣溫、相對(duì)濕度、平均氣壓、降雨量等對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響程度較小，太陽輻射總能量，包括紫外光輻射量是引起試樣外觀和內(nèi)在性能變化的主要因素。整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，做出散點(diǎn)圖，詳見圖3和圖4。

圖3 太陽輻射總能量對(duì)1號(hào)試樣色差的影響

圖4 紫外光輻射量與對(duì)1號(hào)試樣色差的影響

由圖3和圖4可以看出，隨著太陽輻照量的增加，紫外光的輻射量也在逐漸增加，輕質(zhì)高強(qiáng)抗燃試樣的外觀顏色的變化程度也在進(jìn)一步加深，且在1～6個(gè)月時(shí)間段試樣的外觀顏色變化與太陽輻射量近似呈現(xiàn)線性關(guān)系，后續(xù)可進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，推算出回歸方程。

2.5 結(jié)果應(yīng)用

根據(jù)試驗(yàn)所得試樣的外觀色差ΔE*ab值隨太陽輻照量增加而不斷增加的數(shù)據(jù)及變化曲線圖，可建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。

作為飛行員個(gè)體防護(hù)裝備、軍用傘和空降空投降落傘的功能主體，特紡材料在產(chǎn)品使用期間應(yīng)能經(jīng)受高空太陽輻照、地面全天候等環(huán)境的考核。飛行時(shí)間（小時(shí)）是飛行員個(gè)體防護(hù)裝備使用壽命的技術(shù)指標(biāo)，可根據(jù)當(dāng)?shù)貐^(qū)間氣象資料顯示的太陽輻照量推算出特紡材料色差的變化程度及可接受度。因此，本項(xiàng)目的研究成果可為產(chǎn)品壽命的制定、故障分析等提供數(shù)據(jù)參考。

3 結(jié)論

（1）耐光性能是飛行員個(gè)體防護(hù)裝備、軍用傘和空降（或空投）降落傘的功能主體特紡材料的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，對(duì)產(chǎn)品的耐環(huán)境性和使用壽命影響較大。

（2）通過對(duì)特紡材料采用室外全天候自然曝曬試驗(yàn)，并按規(guī)定時(shí)間采集所需的試樣數(shù)據(jù)，可得到特紡材料外觀顏色（色差）隨太陽輻照量增加而變化的趨勢(shì)情況，即：隨著曝曬周期的延長(zhǎng)，太陽輻射量逐漸增加，特紡材料的外觀顏色逐漸變淺，直至嚴(yán)重褪色。

（3）本次研究結(jié)果可為設(shè)計(jì)、工藝和試驗(yàn)人員提供技術(shù)支持，也可為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和故障分析提供數(shù)據(jù)參考。