石化廠區(qū)示警和救援用發(fā)光智能服裝研究*

張 坤,李港華,田明偉

(青島大學紡織服裝學院,山東青島 266071)

0 前言

勞保服裝是勞動防護用品(簡稱護品)的重要一項,起到保護勞動者安全衛(wèi)生健康的作用。早在1995年,全國石油化工職工就按工種穿上了各類勞保服裝[1],如抗油拒水服、防靜電服、易去污服和安全皮鞋[2,3]。這在形成工人新群體形象的基礎(chǔ)上,極大地提高了工人的防護水平,為推動生產(chǎn)高速發(fā)展做出了積極貢獻。為滿足安全識別要求,石油化工工人的勞保服多采用紅、桔紅等大色差、高飽和度的顏色。夜晚環(huán)境中,石化廠區(qū)能見度受光線影響嚴重下降,鮮明的顏色并不足以為服裝提供高可視性,這為突發(fā)情況下的示警和救援帶來不便。因此,在保持勞保服原有功能性的基礎(chǔ)上,提高服裝可視性是進一步提高工人防護水平的重要措施。

按照發(fā)光原理,用于安全警示的高可視性服裝可大致分為4類,包括反光型、熒光型、夜光型和電致發(fā)光型[4,5]。其中,反光型服裝借助一定面積的回歸反射材料,具有較強的光源依賴性和觀察角度局限性;熒光型服裝可在紅外光或紫外光的激發(fā)下發(fā)射不同顏色的明亮光線,但熒光強度較低、持久性差,且易受外界環(huán)境影響;夜光型服裝借助儲光材料將太陽光或燈光能量儲存起來,轉(zhuǎn)換成可見光持續(xù)釋放一段時間,但其發(fā)光亮度和持續(xù)性并不理想。近年來,隨著柔性電致發(fā)光材料的快速發(fā)展,電致發(fā)光型服裝開始進入人們的視野。

針對夜晚環(huán)境中廠區(qū)示警和救援需求,采用層層自組裝技術(shù)制備了發(fā)光性能優(yōu)異的電致發(fā)光織物,將其環(huán)狀縫紉復合于服裝相應(yīng)部位,解決了上述警示服裝的光源依賴、亮度受限及環(huán)境局限問題,顯著提高服裝可視性,進一步提高了工人夜晚作業(yè)的防護水平。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

超薄鍍鎳銅機織導電織物(53 g/m2,青島志遠翔宇功能性面料有限公司),超薄鍍銀針織導電織物(40 g/m2,青島志遠翔宇功能性面料有限公司),ZnS系電致發(fā)光粉(D512T,上海科炎光電技術(shù)有限公司),中軟聚氨酯(600,廣州市紅白藍新材料有限公司)。

1.2 電致發(fā)光織物的制備

a) 底層導電織物預處理:將導電織物平整固定于涂布試驗機(CV-TB-B4,西瓦卡精密量儀(東莞)有限公司)的操作平臺,涂覆適量聚氨酯,填充織物孔隙,并放置于電熱鼓風干燥箱(GZX-9240MBE,上海博迅實業(yè)有限公司)干燥40 min,創(chuàng)造相對規(guī)整的平面,為后續(xù)電致發(fā)光層的均勻涂覆奠定基礎(chǔ)。其中,電熱鼓風干燥箱溫度設(shè)置為80 ℃,涂布試驗機距離設(shè)置為200 mm,涂覆速度設(shè)置為10 mm/s。

b) 電致發(fā)光層分散液的配制:將ZnS系電致發(fā)光粉以1∶1的重量比分散在上述聚氨酯中,用磁力攪拌器(D-7401,天津華興科學儀器廠)攪拌30 min后,制得發(fā)光粉質(zhì)量分數(shù)為50%的均勻分散液。將分散液密封后,放入超聲波清洗機(BC-100S,深圳市柏宸超聲波設(shè)備有限公司)震蕩5 min消除分散液中的氣泡。

c) 電致發(fā)光織物的組裝:將上述底層導電織物平整固定于涂布試驗機操作臺,涂覆適量上述電致發(fā)光層分散液,并放置于電熱鼓風干燥箱干燥60 min。待電致發(fā)光層固化后,重復2次涂覆工藝,并在最后一次涂層干燥固化前將頂層導電織物平整組裝在未固化電致發(fā)光涂層上方,經(jīng)電熱鼓風干燥箱干燥60 min后,得到三明治結(jié)構(gòu)的電致發(fā)光織物。

1.3 測試與表征

1.3.1 形貌觀察

采用JEOL JSM-840掃描電子顯微鏡(日本電子株式會社)對電致發(fā)光織物表面形貌進行觀察,并表征其表面元素組成。測試前采用MC1000離子濺射儀(日立高新技術(shù)公司)對電致發(fā)光織物試樣噴金處理1 min,測試電壓為10 kV。掃描電子顯微鏡設(shè)置EHT為5.00 kV,WD為8.3 mm。

1.3.2 發(fā)光亮度測試

采用函數(shù)信號發(fā)生器(GA1651A,深圳市安泰信科技有限公司)和高壓放大器(ATA-7025,西安安泰電子科技有限公司)對電致發(fā)光織物進行交流電場驅(qū)動。采用成像亮度計(CX1000,杭州虹譜光色科技有限公司)對不同電場下電致發(fā)光織物的亮度進行測試表征。成像亮度計固定時間設(shè)置為10 ms。

1.3.3 發(fā)光色度測試

采用函數(shù)信號發(fā)生器(GA1651A,深圳市安泰信科技有限公司)和高壓放大器(ATA-7025,西安安泰電子科技有限公司)對電致發(fā)光織物進行驅(qū)動。采用光譜亮度計(OHSP-350L,杭州虹譜光色科技有限公司)對不同電場下的電致發(fā)光織物的色坐標進行測試表征。光譜亮度計積分時間設(shè)置為5 000 ms。

2 結(jié)果與討論

2.1 電致發(fā)光織物制備工藝分析

以超薄鍍鎳銅機織導電織物為上下層織物電極,電致發(fā)光織物的表面和橫截面形貌如圖1所示。在圖1(a)～(c)中,可以觀測到導電織物表面保持明顯的平紋結(jié)構(gòu),鍍鎳銅導電纖維直徑約為60 μm,織物孔隙約為120 μm×120 μm的矩形。由電致發(fā)光織物的表面化學元素分布圖可知,導電織物表面均勻牢固地鍍有鎳元素,可為導電織物提供均勻穩(wěn)定的電場。同時,Zn元素分布均勻,表明電致發(fā)光涂層涂覆均勻性良好,為電致發(fā)光織物的均勻發(fā)光提供了堅實的基礎(chǔ)。在圖1(d)中,可以觀測到導電織物截面形貌,電致發(fā)光織物由導電織物-電致發(fā)光層-導電織物構(gòu)成典型 “三明治”結(jié)構(gòu)[6],上下電極連接交流電,為電致發(fā)光織物提供交流電場,在驅(qū)動電致發(fā)光顆粒發(fā)光的同時避免電荷積累導致的電荷擊穿現(xiàn)象,有效延長器件使用壽命。其中,電致發(fā)光層約為100 μm。但由圖1(d)可知,電致發(fā)光織物的一側(cè)電致發(fā)光層漫過導電織物,向下延伸,這將使部分電致發(fā)光顆粒的發(fā)光效率下降。造成這一現(xiàn)象的主要原因是頂層電致發(fā)光織物在組裝陷入未凝固電致發(fā)光層。

圖1 超薄鍍鎳銅機織導電織物基、超薄鍍銀針織導電織物基電致發(fā)光織物的掃描電鏡

以超薄鍍銀針織導電織物為上下層織物電極,電致發(fā)光織物的表面和橫截面形貌如圖1所示。在圖1(e)～(g)中,可以觀測到導電織物表面保持明顯的針織羅紋結(jié)構(gòu),鍍銀導電纖維直徑約為50 μm,織物孔隙約為150 μm×320 μm的不規(guī)則圖形。由電致發(fā)光織物的表面化學元素分布圖可知,導電織物表面均勻牢固地鍍有銀元素,可為導電織物提供均勻穩(wěn)定的電場。同時,Zn元素分布均勻,表明電致發(fā)光涂層涂覆均勻性良好。在圖1(h)中,可以觀測到電致發(fā)光織物截面形貌,電致發(fā)光層約為225 μm。

2.2 電致發(fā)光織物發(fā)光性能分析

2.2.1 發(fā)光亮度分析

2.2.1.1 電壓對亮度的影響

無機交流電致發(fā)光器件亮度(L)與電壓(v)之間的關(guān)系可用公式(1)[7]表示,

(1)

式中:L0、v0--器件自身條件決定的常量。

當激發(fā)頻率一定時,電致發(fā)光織物的發(fā)光亮度隨電壓的升高而升高,如圖2所示。這一結(jié)果驗證了公式(1)中亮度與電壓的數(shù)學模型。而當電壓超過700 V,電壓的繼續(xù)增加會使電致發(fā)光織物亮度降低或淬滅。這可能是由于過高的電壓使激發(fā)電子急劇增多,電荷積累繼而產(chǎn)生電致發(fā)光層損害或擊穿現(xiàn)象,導致電致發(fā)光織物亮度降低或淬滅。由圖2可知,隨著電壓增長至700 V,超薄鍍鎳銅機織導電織物基電致發(fā)光織物的亮度增至144.190 cd/m2,約為超薄鍍銀針織導電織物基電致發(fā)光織物亮度(109.580 cd/m2)的1.316倍。這主要是由電致發(fā)光層的厚度引起的電場強度差異造成的?？蓪㈦娭掳l(fā)光織物近似看做串聯(lián)在一起的兩個電容器,由公式(2)和(3)所示[8]。

圖2 在6 kHz下,電致發(fā)光織物隨電壓升高的亮度變化曲線

εDED=εPEP

(2)

Vt0t=EDdD+EPdP

(3)

式中:εD--介電層介電系數(shù);

ED--電場強度;

εP--電致發(fā)光層介電系數(shù);

EP--電致發(fā)光層電場強度;

Vt0t--驅(qū)動電壓;

dD--介電層厚度;

dP--發(fā)光層厚度。

可知,當其他參數(shù)一定時,電致發(fā)光層厚度越小,加載在發(fā)光層上的電壓越高,電致發(fā)光織物的發(fā)光效率越高。圖3、圖4直觀地展現(xiàn)了電致發(fā)光織物隨電壓升高的亮度變化。

圖3 在6 kHz下,超薄鍍鎳銅機織導電織物基電致發(fā)光織物隨電壓升高的亮度變化

圖4 在6 kHz下,超薄鍍銀針織導電織物基電致發(fā)光織物隨電壓升高的亮度變化

2.2.1.2 頻率對亮度的影響

當電壓一定時,電致發(fā)光織物的亮度會隨頻率的增加呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢,如圖5所示。以超薄鍍鎳銅機織導電織物基電致發(fā)光織物為例,在350 V的定電壓下,在激發(fā)頻率為6 kHz時的亮度(81.040 cd/m2)是其在1 kHz時亮度(56.695 cd/m2)的1.429倍。但當頻率進一步增加至9 kHz,其亮度(30.198 cd/m2)下跌至6 kHz時亮度的0.533倍。這是由于頻率會直接影響紗線發(fā)光層激發(fā)發(fā)光頻率,進而在一定程度上對發(fā)光亮度產(chǎn)生了影響。

圖5 在350 V下,電致發(fā)光織物隨頻率升高的亮度變化曲線

2.2.2 發(fā)光顏色分析

2.2.2.1 電壓對發(fā)光顏色的影響

圖6為超薄鍍鎳銅機織導電織物基、超薄鍍銀針織導電織物基電致發(fā)光織物隨電壓升高的CIE 1931色坐標圖,可知,當頻率一定時,電壓的變化幾乎無法對發(fā)光顏色產(chǎn)生影響。

圖6 在6 kHz下,電致發(fā)光織物隨電壓升高的CIE 1931色坐標圖

2.2.2.2 頻率對發(fā)光顏色的影響

超薄鍍鎳銅機織導電織物基、超薄鍍銀針織導電織物基電致發(fā)光織物在不同頻率下的CIE 1931色坐標圖,見圖7。

圖7 在350 V下,電致發(fā)光織物隨頻率升高的CIE 1931色坐標圖

由圖7可知,當電壓一定時,電致發(fā)光織物隨著頻率增加由綠光區(qū)向藍光區(qū)變化,產(chǎn)生明顯的藍移現(xiàn)象。在定電壓條件下,隨著頻率由500 Hz升至10 000 Hz,超薄鍍鎳銅機織導電織物基電致發(fā)光織物的色坐標由(0.168 16,0.461 32)遷移至(0.149 55,0.223 01),圖8直觀地呈現(xiàn)這一顏色變化過程。相比之下,超薄鍍銀針織導電織物基電致發(fā)光織物可以經(jīng)受更高頻率的電場刺激,隨著頻率由500 Hz升至15 000 Hz,其色坐標實現(xiàn)由(0.169 46,0.462 38)至(0.150 88,0.201 40)的遷移。圖9清晰地呈現(xiàn)了這一顏色變化。值得注意的是,在相同的電場條件下,由于兩種電致發(fā)光織物的發(fā)光亮度差異,超薄鍍銀針織導電織物基電致發(fā)光織物的藍移現(xiàn)象在視覺上要稍遜于超薄鍍鎳銅機織導電織物基電致發(fā)光織物。

圖8 在350 V下,超薄鍍鎳銅機織導電織物基電致發(fā)光織物隨頻率升高的顏色變化

圖9 在350 V下,超薄鍍銀針織導電織物基電致發(fā)光織物隨頻率升高的顏色變化

ZnS:Cu發(fā)光材料中同時存在綠色和藍色發(fā)射帶[9],這一結(jié)論已得到研究者的廣泛認可,但隨頻率升高而產(chǎn)生的藍移現(xiàn)象的具體機制仍存在爭議。有研究者推測,發(fā)光器件的金屬摻雜取代是這種現(xiàn)象背后的內(nèi)部驅(qū)動力[10]。其中,綠色發(fā)射歸因于硫空位產(chǎn)生的淺供體態(tài)與取代Cu離子的t2態(tài)之間的電子轉(zhuǎn)移[11,12];而對于藍色發(fā)射有許多不同的解釋,觀點沖突主要集中在電子的轉(zhuǎn)移行為[13],仍待進一步研究驗證。

將經(jīng)抗靜電及封裝處理后的電致發(fā)光織物環(huán)狀縫紉于石油工人上衣制服,可顯著提高服裝可視性,在石油工人夜晚工作示警和救援方面具有較大的應(yīng)用價值。

3 結(jié)論

本文提出一種電致發(fā)光型高可視性勞保服制備策略。應(yīng)用于石油工人勞保服的電致發(fā)光織物,分別以超薄鍍鎳銅機織導電織物、超薄鍍銀針織導電織物為織物電極,結(jié)合ZnS系電致發(fā)光粉/聚氨酯分散液為電致發(fā)光層,形成典型“三明治”結(jié)構(gòu)。在交流電場驅(qū)動下,超薄鍍鎳銅機織導電織物基電致發(fā)光織物亮度高達144.190 cd/m2,顏色坐標可實現(xiàn)從(0.168 16,0.461 32)到(0.149 55,0.223 01)的遷移;超薄鍍銀針織導電織物基電致發(fā)光織物亮度可達109.580 cd/m2,顏色坐標可實現(xiàn)由(0.169 46,0.462 38)至(0.150 88,0.201 40)的遷移。這類發(fā)光性能優(yōu)異的電致發(fā)光織物可被用作勞保服高可視性材料,解決常規(guī)警示服裝的亮度低、持久性差、受限于環(huán)境等固有弊端,顯著提高服裝可視性,進一步提高石油工人作業(yè)的防護水平。