异形聚酯纤维及织物遮光性的研究进展

李 映，张文强，刘传生

(1.中国石化仪征化纤股份有限公司研究院，江苏仪征 211900;2.江苏省高性能纤维重点实验室，江苏仪征 211900)

20世纪80年代，人们从天然纤维材料中得到启发，研究的重点开始从单一的合成纤维向差别化的新合纤方向发生转变，其中之一就是利用纤维形态的不同来发掘新的功能。自然界中，三角截面蚕丝纤维的闪亮光泽和丝质手感让科研者爱不释手，其后，各种各样截面的仿天然纤维材料被制造出来［1］。

随着经济的飞速发展，人们对纺织品的功能个性化、复合化的要求不断提高，尤其在服用方面，织物的光学性能扮演着越来越重要的角色，这直接关系着日常衣物的美观和防护性等。在夏季，浅色轻薄的服装受到人们的追捧，但轻盈飘逸的时尚美往往存在暴露内衣和人体轮廓的缺点。另外，泳装是夏季必不可少的运动服装，但普通的面料在浸水和拉伸后透明度大大增加，即使面料的颜色设计再花哨，也无法避免不能遮光的尴尬。不仅在服用领域防透明问题日益突出，在装饰领域以及军用领域视觉遮蔽也存在巨大的需求。如舞台道具和服装的透光效果、汽车窗帘的单项透视性能、军事上屏蔽网的伪装能力等。随着生活需求的不断提高，纺织品的光学遮蔽性正逐渐成为人们日常基本需求之一。结合异形纤维和遮光技术，遮光织物的新产品应运而生。

1 异形聚酯纤维及织物的光学原理及影响因素

1.1 织物遮蔽性的光学原理

纺织品是一个具有纤维、纱线和织物3个不同层次结构的纤维集合体，其加工和结构的改变都会使其光学性能产生改变，并且异于其组成的纤维材料。从理论上讲，纺织纤维近似为光线的透明体，所以当光线穿透纤维时应服从朗伯－比尔定律［2］，但是不论是纱线织造而成针织物、机织物亦或是由纤维直接形成的非织造布，其内部都不同程度地存在着空隙。当光线照射织物时，一部分发生反射，一部分被织物吸收，还有一部分发生透射，其透射光分为两种形式:a)从纤维和纱线中透射而出;b)直接从孔洞或空隙中透射而出。由于织物结构的复杂性，织物的透射光量和入射光量之间并不完全符合朗伯－ 比尔定律［3－4］。

1.2 影响因素

影响织物遮蔽效果的因素主要有:a)内在因素，包括纤维结构、纤维内部添加粉体的消光性能、织物的结构、厚度等;b)外在因素，包括环境照明条件、面料湿润程度等。

1.2.1 内在因素

在纤维结构方面，纤维内部的均匀性、细度、截面形状是影响反射率的重要因素。在纤维具有大量微孔或异收缩结构时，增加了纤维对光线的反射界面;当单纤维为超细丝时，捻合的细纤维之间同样增加了光线的反射机会［5－6］，这些结构都会使纤维的遮光性提高。将圆形截面纤维和典型的三叶形、四叶形等截面纤维作对比，测试其对平行光线透射率的影响，可以发现截面异形度越高，折射光方向变化的频率越高，入射光线的透射率越低，遮光性越好［7－8］。

此外，从Mie散射理论可知，添加粉体的折射率与纤维基材折射率相差较大时，有较好的消光效果。而且不同粒径的粉体，对不同入射波长有特定的散射作用［9］。另外，在纤维中混合高吸收率的粉体，如炭黑，也会增强纤维的遮光性能。

在织物结构方面，首先织物要有较高的紧度和覆盖系数，纱线之间缝隙和孔洞越小，织物层与层之间的孔洞越不直通，越能减少对光线的直接透过率［10］。其次，如果在织物表面涂覆具有高反射率的金属涂层，对光线实施有效的反射，也可以获得很好的遮蔽效果［11］。

织物的颜色和厚度也是影响遮蔽性的重要因素，颜色越深，对入射和出射光线吸收比例会越高，防透效果越好。增加厚度，即增加光线在织物组织之间的反射层次，也有利于防透。

1.2.2 外在因素

纺织材料在浸湿时的透明度是很高的，由于水分覆盖了纤维的表面，使原来空气与纤维的折射关系变成了水与纤维的折射关系，导致了透射率的变化，从而使织物的遮蔽效果下降。

当环境照明的布置方式偏重于对观察者施加强光照射，而对织物部位则照射光线较弱时，有较好的遮蔽效果。除此之外，影响织物遮光性的因素还有人眼的视觉规律等方面，例如，观察者需拥有正常视力和判断能力等［12－14］。

2 遮光性织物的生产方法和研发进展

目前，国外一些发达国家在防透明纤维和纺织品开发上已获得较大的发展，尤其是日本，在开发遮光纤维产品方面发展最快，无论是从数量还是质量上都已发展到相当的成熟度，其中日本的东丽、三菱人造丝等著名纺织品公司申请了大量的研发产品专利，部分遮光性能优良的产品已经实现了工业化生产。实现织物防透视效果可以从纤维、纱线和织物3个层次进行加工，其方法主要包括纤维特殊截面的设计合成、相关助剂粒子的选择添加，以及织物结构参数设置和涂层、涂料印花的改进［15］。

2.1 纤维层面

纤维的结构均匀性和粗细程度是改变光线反射界面的一个主要因素，而横截面又会影响光线的出射方向，导致光线携带信息畸变的增加［16］。早期的不透明纤维的主要生产技术有微纤维、异形纤维截面、纤维表面多孔化和粗糙化等。后期，研发了具有多界面的异形纤维或复合纤维，添加了高折射率的粉体，使照射在纤维表面的光线实现较多的反射和散射或吸收，减少了对可见光的透射，增加了遮光效果。

目前不透明纤维研究中添加的无机微粒主要有二氧化钛、氧化铝、碳酸钙、氧化锌或其混合物等，而在生产中最常采用的为二氧化钛粒子［17］。Minato Shuji［18］采用特殊截面(见图1)并添加质量百分比0.2%的二氧化钛来达到纤维良好的不透明性，通过在纤维内部添加无机微粒，可以增加光线在纤维内部的反射界面，弱化光线携带信息，增强信号干扰，能更好地提高织物的遮蔽性能。Terao Hideyasu［19］则介绍了另一种防透光皮芯复合聚酯纤维，该皮芯纤维采用三角形截面，其芯层中添加质量分数为10% ～25%的平均直径小于等于1.0 μm的遮光粒子，该皮芯聚酯纤维具有良好的不透明性，在网球服、游泳衣、紧身衫裤和内衣等领域得到了广泛应用。

图1 异形截面结构

近几年，国内的施楣梧等［20］成功研制了防透明聚酯纤维，其纤维由两种添加不同含量高折射率粉体的聚酯组分复合纺丝制成，外组分形态呈不规则形状(见图2(a))，内组分截面设计成16个界面(见图2(b)中白色部分)，增强对光的反射。该技术已用于中国海军服中，其中的水兵服和外穿衬衣面料采用皮芯结构涤纶纤维，皮芯层添加了不同折射率和不同含量的超细粉体，皮丝柔软、芯丝刚挺，达到了舒适且防透视的多重效果。

除此之外，人们还尝试使用碳黑良好的光吸收性能来生产不透明纤维。日本的Shimada Koujirou等［21］介绍了一种皮芯结构的复合纤维，其皮层采用独特的异形截面形态提高光散射，芯层添加碳黑来提高光吸收，此种纤维可用于服装领域。其后，美国的 Hersehel Sternlieb［22－23］研发出的防透明皮芯复合纤维，皮层添加增白颜料，芯层添加碳黑粒子来增加纤维的遮光性。

2.2 特殊纱线或织物结构

在生产不透明纺织品时，除了增加织物的紧度和厚度、改变织物颜色等方法外，也会采用特殊纱线或织物结构来进行设计生产。如Sonisamu等［24］研制了一种高强、良好防透明性和柔软手感织物的生产方法，其特征在于纬纱是通过喷气交缠加捻生产的皮芯复合纱，其芯丝和皮丝的细度比为(0.3～4)∶1，复合纱的细度在20～80 dtex之间，断裂伸长率大于等于 10%。此外，Yanagihara Masaaki等［25－26］在其两项专利中介绍了添加遮光助剂的异形聚酯纤维在经过假捻变形加工成长丝纱后，在兼具吸湿速干、柔软手感以及低的透气性的同时保证纱线的防透明效果。

图2 纤维横截面及截面上两组分的界面

织物视觉遮蔽性的影响因素很多，然而仅仅采用特殊的纱线和织物结构，在一些浅色、轻薄、紧密度低的织物中，其不透明度还是无法保证，所以采用此种方式生产不透明纺织品时，一般会结合防透明纤维和后处理技术共同应用。

1996年，日本东丽公司推出一款白色泳装面料的新产品Potensul，解决了白色泳衣浸水和受拉伸后更透明的问题。这种面料纤维中央采用添加不透明氧化钛粒子的星形断面锦纶材料，外层则采用耐氯性良好的透明氨纶材料，如图3、4所示。与普通圆形界面相比，多界面星形结构大大增加了纤维对任意方向上光的反射率和散射程度。另外，为适应泳衣的特殊性，在织物设计上采用了三层结构针织面料，把不透明锦纶纤维织入第1层和第3层，即使面料受到强烈的拉伸时，第3层的不透明部分也可以达到遮光效果［27］。

2.3 后整理法

采用后整理方法生产具有良好遮蔽性能的纺织品时，主要是通过浸渍、浸轧、涂层等方式进行:即将不透明的整理剂或其它表面整理剂附加到所生产的纺织品上，其基体材料大多为机织物、针织物、非织造布、纱线和纤维等，整理剂也大多为含有消光微粒(如二氧化钛、氧化铝、氧化钙等)和黏合剂的溶液，其优点是技术简单、易实施。但一般由该法制得的纤维或织物的遮蔽持久性及耐洗涤性较差，同时存在一定的环境污染问题。

图3 原丝纤维的截面形态

图4 纤维截面遮光原理

3 织物遮蔽效果的评价方法

目前，对于织物遮光性的评价方法没有统一的标准，多借鉴于塑料、纸张、涂料的测试方法。一般可分为客观的仪器测试和主观的遮盖清晰度的评判两种方法，主要的测试指标有白度、透光率、透明度/不透明度、雾度、能见度等［28］。

3.1 仪器测试

借助标准仪器进行遮蔽性测试，主要有白度仪法、分光光度计法、积分球法等［29－31］。

3.1.1 白度仪法

WSB-Ⅱ型d/o白度计用于白色和不同素色聚酯织物的白度值和透明度值的测试，这里引用了造纸行业样品的蓝光反射因数R457表示白度，来源于对纸浆漂白的测量，发现其反射因数变化率在457 nm左右最显著，因而得到广泛的应用。将白度计用黑筒和标准硫酸钡校准，测量时每块织物选取4个不同的点，计算取平均值的每块织物的R457的白度值。即白度:

式中，W—白度;R457—波长为457 nm蓝光反射比(反射因数)。

WSB-Ⅱ型d/o白度仪所定义的透明度值T为

不透明度值O(%)为

式中，R0—背衬为黑筒时的试样绿光(550 nm

绿色光)漫反射因数;

R∞—以标定白板(相同试样)为衬底的

绿光漫反射因数;

Ry—背衬为(Ry=84% ±2)的白板时单层纸样(试样)的绿光漫反射因数。

这一种方法广泛用于单张纸张试样透明性的评价指标，而一般织物样品存在纱线间的缝隙和孔洞，光线会通过缝隙和孔洞造成一定的透视和衍射干扰，所以只对缝隙孔洞少的特定织物有表征作用。

3.1.2 分光光度计法

使用可见光分光光度计，在380～780 nm可见光波长范围内，每间隔一段距离测试织物透射率及反射率，取550 nm的透射率及可见光波段的平均透射率及反射率来分析织物的遮光性能。

透射率和反射率的表达式分别为:

式中:IR—被反射的辐射强度;

It—透射的辐射强度;

I0—从某标准表面反射回来的辐射强度。

3.1.3 积分球法

用积分球法可以测试试样的雾度和透光率。使用试样直径为50 mm的圆片或50 mm×50 mm方片，遮盖住积分球的入口窗，在检流计上读出光通量和散射光通量。

透光率指透过试样的光通量与射到试样上的光通量之比，表达式为:

式中，Tt—透光率;

T1—通过试样的总透射光通量;T2—入射光通量。

雾度指透过试样而偏离入射光方向的散射光通量与透射光通量之比，表达式为:

式中，H—雾度;

T1—通过试样的总透射光通量;

T2—入射光通量;

T3—仪器的散射光通量;

T4—仪器和试样的散射光通量。

3.2 遮盖清晰度评判

使用仪器进行织物遮光性的测试，结果稳定，误差小，但考虑到一般纺织厂并不具备这些测试设备，所以这类检测方法的普及推广性较弱。从描图纸透明性能的检测方法得到启发，在标准D65光源下，以GB/T250－2008《纺织品色牢度试验评定变色用灰色样卡》规定的1级色差灰卡样品为标准物质，将待测织物覆盖其上，面料视觉遮蔽效果分为4级9档，根据色差等级来评价。这种方法可简便地对织物的视觉遮蔽性能进行定量检测，且已经应用于海军官兵的白色衬衣面料上，缺点是人为误差较大，定量精度不够准确［12］。

此外，在进行遮光性评价方法探索中，也有一些其他的测试方法，如人们将待测织物覆盖在有相同白底黑色横纹的底板上，在自然背光条件下，让主观评价人员根据被织物遮挡后横纹暴露的清晰程度来评价织物的透明感或遮蔽性［32］。类似的方法还有观察者在背向自然光条件下目测判断评级样卡上的字，通过对字的辨识确定相应等级，评级样卡上的字通过字形大小和颜色深浅的搭配分为1～5级［33］。

4 遮光性纤维及织物的应用及发展前景

20世纪80年代，从全球范围内掀起的功能性纤维开发热潮中，异形遮光纤维及织物的研究也在迅速发展。其纤维具有良好的遮光性能以外，本身还具有优越的柔软度、光泽度、蓬松度和透气性以及吸湿快干等性能。

目前，日本防透视产品技术已经广泛应用于运动服饰和防护纺织品中，而国内市场上研制开发成熟的防透视纤维技术首先应用在海军夏服上，制成的浅色轻薄衣物实现了良好的防透效果。不仅如此，此特殊结构的复合性面料还兼顾了良好的舒适度、挺括性和易洗速干性能，现已得到广泛的推广和应用，并创造了良好的社会和经济效益。据悉，国内的防透视面料还成功打开了中东市场，由于当地的炎热气候，这种薄而不透的面料非常受当地人的欢迎。

从消费需求和市场发展的趋势分析，遮光纤维及其制品具有十分可观的发展前景，其应用领域主要分3个方向:a)服装服饰，其中包括军队、公安、高检、高法等行业制服以及休闲运动服装;b)装饰纺织品，包括家用窗帘和汽车遮光帘布等;c)产业用纺织品领域，包括农用遮光网以及军用屏蔽网等。这3个领域发展的重点是:异形遮光产品开发的系列化和专业化，并能够简化生产流程，降低生产成本，使产品从高档化进一步实现大众化，此外还可开拓纤维及制品在产业及土工用领域的应用。

5 结语

可见光的遮蔽性能是纤维光学性质的重要部分，因特殊异形纤维以及织物的加工繁杂性、产业导向不够以及整个开发缺乏系统性，使得成功制成一种遮蔽性织物变得漫长且成本昂贵。需要强调的是，遮光织物的研究又是一个同时涉及物理光学、生理光学、心理学、材料科学等多学科交叉的复杂问题，技术含量和难度大大高于一般功能性纺织品的开发。综上所述，遮蔽性的研究需要多学科的协同攻关和相关成熟的检测技术以及标准化工作的同步发展。为此，遮蔽性产品的开发还需要投入更多的研究工作。

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