聚合物光纤发光织物的制备及其亮度测试

吕 晨 ，钟智丽 ，匡丽赟 ，吴剑青

（1.天津工业大学 纺织学部，天津 300387；2.天津工业大学先进纺织复合材料教育部重点实验室，天津 300387）

聚合物光纤（polymeric optical fiber，简称 POF）是指采用聚合物材料或有机材料制备而成的细丝状可传导光功率的传输线，具有柔韧、密度低、价格低、导光不导电且不产生热量等特点.利用聚合物侧发光光纤传递光和表面发散光的原理，可将聚合物光纤与普通纱线交织，制成聚合物光纤发光织物.这种发光织物具有柔韧性好、重量轻、服用性能优良、使用持久安全、易与光源连接等优点.与利用光致发光材料形成夜光织物相比，聚合物光纤发光织物可以弥补夜光织物无变色效果、亮度暗、光强衰减速度快的缺点；与利用发光二极管（LED）在织物中形成发光的织物相比，光纤发光织物具有不带电、不发热、柔韧性好、抗冲击性好、无电磁辐射、耗电量小的优点[1-2].目前，这种聚合物光纤发光织物已广泛应用在服装、家纺、照明装饰、安全警示、医用光疗以及柔性显示等多个领域.本文将PMMA/氟树脂聚合物光纤与棉纱相交织，使用一定手段对织物中的聚合物光纤进行集束处理，并将集束后的聚合物光纤与光源进行耦合连接，形成聚合物光纤发光织物.对发光织物的亮度进行测试，探讨织物组织、经纬密及其它织物结构参数对聚合物光纤亮度的影响，为聚合物光纤发光产品进一步向智能化、多样化的发展提供一定参考.

1 试验部分

1.1 实验原料

选用由华孚色纺提供的线密度为14.58 tex/2的棉纱作为经纱，直径为0.25 mm的PMMA/氟树脂聚合物光纤作为纬纱，采用直径为5 mm的高亮度白光LED灯作为光源.

1.2 织造

采用数字化小样织机进行织造，并在织物两端留出一定长度的纬纱（聚合物光纤）以便进行集束处理，织物规格参数如表1所示.

表1 聚合物光纤织物的规格参数Tab.1 Structure parameters of polymer optical fiber fabric

1.3 光路、电路连接

将织物两端的聚合物光纤进行集束、切割处理，通过连接件将光纤与LED光源连接耦合，如图1所示.再通过一定电路设计，配以适当的电压，进而完成聚合物发光织物的光路、电路连接.

1.4 亮度测试

采用LumiCam 1300 color图像亮度色度计对聚合物光纤发光织物的亮度进行测试，使用XY轴自动运动平台调整聚合物光纤织物的高度与测试距离，使被测织物完整的呈现在测试区域内，如图2所示.

2 结果与讨论

2.1 聚合物光纤在织物中的亮度变化规律

8种不同组织的聚合物光纤织物中纬向单根光纤的发光亮度与距光源距离的关系如图3所示.

根据Janis Spigulis等人推算[3]，双光源的侧面发光光纤的发光强度与距离的关系可用如下公式计算:

式中:IS2（x）为距离光源x处的侧面发光亮度；A为常数；k为侧发光系数（m-1）；R为镜面反射率；x为距离光源的距离.通过对图3中8种不同组织的聚合物光纤织物中单根聚合物光纤的发光亮度与光源距离进行二阶指数衰减拟合，可得到如下函数:

可写成下式:

进而可将公式（10）转化为公式（1）的形式，由此表明光纤在聚合物光纤织物中依旧符合双光源侧面发光光纤的发光强度与距离的基本规律.从图3可以看出，所测得各点的亮度围绕着拟合曲线出现大小不一的波动.这主要是因为在织物中，光纤由于交织出现多次不同程度的弯曲，导致光在光纤的传递过程中产生额外的光损；除此之外，光纤在织入织物的过程中，由于受到钢筘打纬的冲击，光纤部分点表面可能会破裂，使得光在光纤的传输过程中从表面溢出，造成部分点亮度过高.图3（d）中所示2/2方平组织织物中，在单根聚合物光纤上，距离与亮度的变化规律与其它试样不同，这主要是因为聚合物光纤发光织物由两侧光源提供亮度，织物两侧的亮度会比其他部分略高，其他组织织物选取光纤均为一侧光源到织物中间位置，而在2/2方平组织织物中，选取了与其它织物相反的测试方向，即从光纤中间部位到另一侧的光源.

2.2 织物组织对织物发光亮度的影响

聚合物光纤发光织物是利用聚合物侧面发光光纤传递光和表面发散光的原理使织物表面呈现发光效果，其根本原理是聚合物光纤在传递光的过程中出现损耗使光从光纤表面发散出去.其亮度大小除了受光纤材料引起的吸收损耗和由光纤结构造成的散射损耗的影响外[4]，光纤在形成织物后的弯曲所形成的弯曲损耗[5]以及光纤表面被其它纱线覆盖的程度不同都会对聚合物光纤织物的亮度产生显著影响.在相同光源、相同根数的聚合物光纤集束的条件下，影响聚合物光纤亮度的主要有2个因素:①纬纱覆盖率；②弯曲半径.其中纬纱覆盖率可由下式计算:

式中:δ为织物的纬纱覆盖率；Sa为一个组织循环的纬纱面积；Sb为一个组织循环的织物面积.

不同织物组织弯曲半径的理论值可由下式[6]计算:

式中:dr为弯曲半径；n为游离的经纱数；lwarp为2个经纱之间的距离；γ为弯曲角（通常为36°～40°，计算时取平均角度38°）；dt为经纱直径.

纬纱覆盖率反映了单位面积的聚合物光纤织物表面上聚合物光纤所占的比例；弯曲半径反映了聚合物光纤在织物中的弯曲状况.本文中8种不同组织织物的以上2个参数如表2所示，不同织物组织聚合物光纤发光织物的亮度如图4所示.

表2 8种不同组织织物的纬纱覆盖率和弯曲半径Tab.2 Weft coverage and bending radius of different fabrics

从图4可以看出:8种织物组织结构中，1/4↗的亮度最高，结合表2可以看出，在8种织物中，1/4↗织物的纬纱覆盖率和弯曲半径均为最大，弯曲半径越大，光在光纤传递过程中的光损越大，由于弯曲造成的光散射就大，而纬纱覆盖率大表明在织物表面的聚合物光纤面积大，因而使得1/4↗的亮度最高；其次为2/2方平.结合表2可知，2/2方平组织的纬纱覆盖率较大，且弯曲半径在8种组织中居中，因此其亮度也较高；而1/2↗和3/2↗两者亮度接近，这是因为2种组织的纬纱覆盖率和弯曲半径均接近，但是由于其纬纱覆盖率低于2/2方平组织，因而其亮度也较低；最后为1/1、2/2↗、3/1↗和5/3经面缎，这4种组织结构的织物亮度接近，其中5/3经面缎的亮度略高于其他三者，由表2可以看出，1/1、2/2↗、3/1↗和5/3经面缎组织的纬纱覆盖率和弯曲半径较其他组织均偏小，因此这4种组织的亮度较其它组织而言明显偏低.由此可见，织物组织结构参数的设计，如织物组织、经纬密及经纬纱线直径均对聚合物光纤发光织物的亮度有着十分重要的影响，合理设计各项织物组织结构参数会在一定程度上提高聚合物光纤发光织物的亮度.

3 结论

（1）聚合物光纤在织物中的亮度与距光源距离之间的关系呈二阶指数衰减，其衰减曲线符合双光源光纤侧发光规律，但由于受到织造和聚合物光纤在织物中弯曲的影响，曲线波动较大；

（2）织物组织、经纬密及经纬纱线直径等织物组织结构参数均对聚合物光纤发光织物的亮度有着重要影响，合理设计各项织物组织结构参数会在一定程度上提高聚合物光纤发光织物的亮度；

（3）在本文8种不同组织的聚合物光纤织物中，由于受到不同纬纱覆盖率和弯曲半径的影响，8种织物的亮度各异，其中1/4↗织物的纬纱覆盖率和弯曲半径均高于其它组织，其亮度也明显高于其他织物.

[1]BROCHIER C，LYSENKO A.Optical fiber fabrics[J].Fiber Chemistry，2008，40（4）:303－304.

[2]SEIM B，GUREL E，ROTHMAIEB M，et al.Polymeric optical fiber fabrics for illumination and sensorial applications in textiles [J].Journal of Intelligent Material Systems and Structures，2010，21（11）:1061－1071.

[3]江源，凌根华，殷志东.侧面发光光纤的制备原理及其应用[J].光纤与电缆及其应用技术，2000（4）:10－16.

[4]冯春媛，金永兴，金尚忠.聚合物光纤光谱损耗特性的研究[J].中国计量学院学报，2004，15（3）:206－209.

[5]周情，冯国英，李小东，等.光纤弯曲损耗特性的理论与实验研究[J].光学与光电技术，2008，6（4）:32－35.

[6]SCH USTER J，TRAHAN M，HEIDER D，et al.Influence of fabric ties on the performance of woven－in optical fibres[J].Composites Part A:Applied Science and Manufacturing，2003，34（9）:855－861.