颜料对彩色夜光纤维光谱性能的影响

闫彦红，葛明桥

(生态纺织教育部重点实验室(江南大学)，江苏 无锡 214122)

夜光纤维是含有夜间发光材料的新型纤维。稀土发光材料是具有夜间发光功能的材料，具有优异的长余辉发光性能［1-3］。将稀土发光材料添加到纤维中，使纤维不但具有普通纤维的性能，而且在黑暗状态下不需要激发光源便可以放射光，满足人们生活中的多重需要。夜光纤维不但余辉时间长，且不含放射性元素，对人体不会产生伤害［4］，是功能性纺织品的高端产品。对夜光纤维用发光材料、夜光纤维的发光原理和基础应用领域的研究［5-7］较多，但由于染色会大大降低夜光纤维的发光亮度，所以，一直以来夜光纤维的颜色以及黑暗状态下的光色都比较单一，为其产品开发和应用带来很多不便。

目前研制的彩色夜光纤维是将无机颜料和发光材料加入纺丝基材纺丝而成［8］，该制备方法避免了染整工序对夜光纤维发光亮度的影响。颜料的添加不单赋予夜光纤维在有光状态下绚丽色彩的颜色，同时，对夜光纤维的发光光谱产生一定的影响，使夜光纤维在黑暗状态下发射出不同颜色的光。彩色夜光纤维的颜色性能和光谱性能之间存在一定的联系，目前未见有相关理论性的分析。本文以聚酰胺6为纺丝基材，将4种颜色的颜料和发光材料添加到纺丝基材中，使颜料、发光材料、和纺丝基材均匀混合，经熔融纺丝成彩色夜光纤维。通过对彩色夜光纤维微观形貌和光谱性能的测试，研究了颜料添加对彩色夜光纤维发光性能的影响，通过彩色夜光纤维的颜色性能和光谱性能的相互联系进行了分析，以期为彩色夜光纤维的加工和开发提供理论依据。

1 实验部分

1.1 彩色夜光纤维的制备

将红色、黄色、蓝色和绿色无机透明颜料分别与自制的稀土发光材SrAl2O4：Eu2+，Dy3+按质量比3∶1混合均匀，在1 000℃条件下灼烧1 h，经粉碎筛选为红色、黄色、蓝色和绿色彩色光蓄光型发光基料。将彩色光蓄光型发光基料按1∶10均匀稳定地分散于聚酰胺 6纺丝原料(熔点220℃，玻璃化温度70℃，半透明)中，混合搅拌、熔融为纺丝注带，经切粒制成彩色夜光纺丝母粒。然后，将彩色夜光纺丝母粒与聚酰胺6纺丝原料混合，彩色夜光纺丝母粒的含量为5%(按质量计)，在300℃温度下经20 h烘干后，在螺杆中以280℃的熔融温度、3 000 m/min的卷绕速度进行纺丝卷绕，制成彩色夜光纤维，包括白色夜光纤维(不添加无机颜料)、红色夜光纤维、黄色夜光纤维、蓝色夜光纤维和绿色夜光纤维，分别记作 LF-W、LF-R、LF-Y、LF-B和 LF-G。

1.2 性能测定

采用荷兰Fei公司的Quanta200型扫描电子显微镜观察彩色夜光纤维的横截面和表面形貌，测试前对样品进行镀金处理。

采用日本HITACHI公司的F-4600型荧光分光光度计测试彩色夜光纤维的激发光谱和发射光谱，检测波长间隔为5 nm，电压为380 V。

采用浙大三色的PR-305型长余辉荧光粉测试仪测试彩色夜光纤维的余辉衰减亮度，照度设置为1 000 lx，光照时间为15 min，光照结束10 s开始测量，测试时间间隔为1 s。

2 结果与讨论

2.1 彩色夜光纤维的微观形貌

图1 示出不同放大倍数下彩色夜光纤维的外观形貌和截面形态。从图 1(a)、(b)中可以看到，彩色夜光纤维的细度均匀，成丝性能良好，说明颜料和发光材料的加入并没有影响纤维的纺丝性能。结合图1(c)可以看到夜光纤维的表面并不光滑，这是因为少量预逃离的发光粉体颗粒分散在纤维表面，造成纤维表面凸凹不平，但颜料的添加并没有加剧发光粉在纤维内部的团聚现象。图1(d)为彩色夜光纤维的截面形态，可以看到，彩色夜光纤维的横截面有波浪式横条线分布，有几个直径微小的空洞和一片鳞状物镶嵌在截面切面。经样品制备过程和测试过程分析，波浪式横条线应为样品测试前剪切时留下的痕迹，不影响纤维的测试性能。微小的空洞可能为纤维测试剪切时，纤维内部的夜光粉颗粒被剪切滑落纤维截面留下的痕迹，镶嵌在纤维截面的鳞状物即为没有滑落的夜光粉颗粒。从空洞的大小和数量以及鳞状物的大小和数量来看，夜光纤维的截面并无明显发光粉颗粒存在。空洞和鳞状物的几何尺寸很小，表明发光粉体的粒径较小，有利于发光粉体在纤维中的分散。由以上分析可知，彩色夜光纤维在纺丝过程中，颜料和发光粉体与纺丝基材均匀混合，颜料并不影响发光粉体的分散性能，发光粉体在彩色夜光纤维表面无明显团聚现象。

图1 彩色夜光纤维的SEM照片Fig.1 SEM images of colored luminous fibers

2.2 颜料对彩色夜光纤维激发光谱的影响

图2 为彩色夜光纤维的激发光谱图，检测波长为520 nm。可以看出，白色、红色和蓝色夜光纤维的激发峰位于360 nm附近，与发光粉相似，主要是稀土离子Eu2+的5d电子能级发生能级分裂，形成多个亚稳能态存在着多种能级造成的［9］。说明红色和蓝色颜料的添加并没有改变发光粉和纤维基体的晶体结构，不影响纤维激发光谱峰值的位置。黄色和绿色夜光纤维的激发光谱明显不同于其他颜色，其光谱图有3个明显峰值，2个强峰分别位于450 nm和470 nm附近，而360 nm处的峰值并不明显，使黄色夜光纤维的激发光谱明显区别于其他颜色夜光纤维的激发光谱。这可能是因为黄色颜料和绿色颜料的添加对发光材料的发光中心稀土离子Eu2+的5d电子能级产生了一定影响，使其形成的主要亚稳能态发生变化，激发波段的主波长向长波方向移动，从而使黄色和绿色夜光纤维的激发波长移向可见光波长区域。

图2 检测波长为520 nm时彩色夜光纤维的激发光谱Fig.2 Excitation spectra of colored luminous fibers with excitation wavelength of 520 nm

2.3 颜料对彩色夜光纤维发射光谱的影响

图3 为彩色夜光纤维的发射光谱图，检测波长为360 nm。可以看到，白色、黄色、蓝色和绿色夜光纤维发射光谱是以520 nm为发射峰向两侧展开的宽带谱，发射波长基本为人眼所敏感的黄绿色可见光波长范围。蓝色夜光纤维发射光谱发生微弱的蓝移现象，但其发射谱线整体上仍与白色夜光纤维发射光谱谱线相一致。以上分析说明黄色、蓝色和绿色颜料并没有改变发光粉的电子能级跃迁，从而没有影响夜光纤维的发射光谱谱线，黄色、蓝色和绿色夜光纤维发射光谱的发射峰仍保持在520 nm左右，但颜料的添加对夜光纤维的发光强度产生一定的影响。在峰值位置，绿色纤维的发光强度相对最大，然后依次为黄色、蓝色和白色。红色夜光纤维的发射光谱严重偏向红光波段，产生红移现象，其发射峰值位于575 nm，相对亮度高于白色夜光纤维。产生红移的原因可能是红色颜料对发光材料的发射光谱产生较大牵引作用，迫使红色锦纶6夜光纤维的主发射峰向红光波段靠近。红色夜光纤维在520 nm也存在微弱的发射峰，但其相对亮度低于白色夜光纤维。

图3 检测波长为360 nm时彩色夜光纤维的发射光谱Fig.3 Emission spectra of colored luminous fibers with excitation wavelength of 360 nm

图4 为彩色夜光纤维检测波长为450 nm时的发射光谱。由图可知，黄色和绿色夜光纤维产生明显的发射谱线，其发射峰位于500～530 nm波段。红色夜光纤维也产生了相应的发射光谱，其峰值保持在575 nm附近，峰值处的相对亮度要远远低于黄色和蓝色夜光纤维。而白色和蓝色夜光纤维几乎没有发射光谱出现。

图4 检测波长为450 nm时彩色夜光纤维的发射光谱Fig.4 Emission spectra of colored luminous fibers with excitation wavelength of 450 nm

以上现象说明450 nm的光能够容易激发黄色和绿色夜光纤维，能够微弱激发红色夜光纤维，而对白色和蓝色夜光纤维不产生激发作用。这一结论与彩色夜光纤维的激发光谱性质相吻合。激发光谱向可见光区域移动很大程度上改变了夜光纤维只能紫外光激发的条件，为夜光纤维在不同环境应用时寻找适当的激发光源提供了便利，拓宽了夜光纤维的应用领域，可以使夜光纤维广泛应用于装饰品领域和防伪产品［10］。

2.4 颜料对彩色夜光纤维余辉性能的影响

图5 示出彩色夜光纤维亮度随时间的变化曲线。可以看出，彩色夜光纤维的余辉亮度随时间呈指数函数递减的规律，与唐明道等［11］对 SrAl2O4：Eu2+，Dy3+的长余辉发光特性研究相似。彩色夜光纤维初始亮度和衰减速度是不同的，在前150 s，各色纤维的亮度损失最为严重，之后，各色纤维的余辉亮度趋于平稳。

图5 彩色夜光纤维的余辉曲线Fig.5 Decay curves of colored luminous fibers

图6 为彩色夜光纤维的初始亮度，图7为样品在P点的亮度。可看出，彩色夜光纤维在初始阶段和亮度平稳阶段，其亮度值表现出相同的规律性：LF-W ＞LF-Y ＞LF-G ＞LF-B ＞LF-R。其中，LF-W和LF-Y亮度较高，而LF-G、LF-B和LF-R亮度差别微弱，由图5知，3个样品的余辉曲线几乎合并为一体。设定150 s时间点为纤维亮度衰减的转折点，该时刻点称为P点。

图8 示出彩色夜光纤维前140 s亮度平均衰减速率。可以看出，彩色夜光纤维的亮度在达到平稳值P点前，其平均衰减速率也呈现出相同的规律性，说明在相同的时间点，白色和黄色夜光纤维虽然亮度损失最大，但在亮度达到平稳态时，其亮度值仍然最高，与之相反，绿色、蓝色和红色夜光纤维亮度损失最小，其P点亮度值也较低。因此，黄色颜料对夜光纤维的亮度损失影响不大，而绿色、蓝色和红色颜料降低了夜光纤维亮度衰减速度的同时也削弱了夜光纤维的亮度值，对夜光纤维的亮度产生较大影响。

图6 彩色夜光纤维的初始亮度Fig.6 Initial brightness of colored luminous fibers

图7 彩色夜光纤维的P点亮度Fig.7 Point P brightness of colored luminous fibers

图8 彩色夜光纤维前150 s亮度平均衰减速率Fig.8 Average deterioration rate of colored luminous fibers brightness with 150 s beginning

3 结论

1)颜料的添加没有加剧发光粉在纤维内部的团聚现象以及在纤维表面的分散性能，彩色夜光纤维的成丝性能良好，少量逃逸的发光粉粒分散在纤维表面，使纤维表面凸凹不平。

2)红色和蓝色颜料的添加对彩色夜光纤维的激发光谱没有产生明显影响，红色和蓝色夜光纤维的激发峰仍位于360 nm附近，与白色夜光纤维的激发光谱相似。黄色和绿色颜料对夜光纤维激发光谱影响较大，黄色和绿色夜光纤维的激发波长移向可见光波区域，峰值移向470 nm附近。

3)黄色、蓝色和绿色颜料对彩色夜光纤维的发射光谱没有明显影响，但红色颜料的添加使得红色夜光纤维的发射光谱出现明显的红移现象，发射峰位于575 nm。

4)彩色夜光纤维的发光亮度在前150 s损耗最为严重，之后各色纤维亮度趋于平稳，白色和黄色夜光纤维在达到亮度平稳状态时的平均衰减速率最大。黄色颜料对夜光纤维的余辉衰减无明显影响，但红色、蓝色和绿色颜料的添加增大了夜光纤维亮度的损耗。彩色夜光纤维的初始亮度和平稳态亮度表现出相同的规律性，即白色和黄色夜光纤维亮度较高，红色、蓝色和绿色夜光纤维亮度值较低，且趋于相等。

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