光照与纺织材料色差的关系研究

张荣

（航宇救生装备有限公司，湖北襄阳441003）

0 引言

对技术性能要求较高的特纺材料常被应用于特殊的、恶劣的工作环境中。航空救生领域装备产品的主体是柔性纺织材料，而复杂的使用条件和工作环境对其所用的纺织材料性能和品质必然有着特殊的要求。因此，这种对材料的依赖性使得高性能救生装备对特种纺织材料提出了更高的要求，也意味着每次航空救生装备技术的重大突破都与新材料的应用密不可分。

耐光照性能是航空救生领域装备产品战术技术指标中必不可少的一项内容。个体防护救生装备、军用伞及空投空降装备产品采用的特纺材料的品种和类别较多，但大部分材料对日光的照射非常敏感，因为日光能够促使纤维的活化能增加，使得材料的氧化速度加快，最终导致材料老化加剧。通常特纺材料在日光直接照射后会出现色泽泛黄、手感变硬、断裂强力减小和弹性下降的现象。

本文以飞行员个体防护救生装备、军用伞和空降空投降落伞等装备对于主体所用的特纺材料的可靠性设计准则为研究方向，结合航空救生装备在光照环境下的使用工况，对主体特纺材料的耐光照性能进行研究。为了建立太阳辐射总量与材料色差（外观色泽变化）两者之间的对应关系，研究人员主要对试验原理和试验步骤的设计、试验验证、数据整理和结果分析等方面进行研究，希望研究结果可为设计人员在今后的选材、产品故障分析、产品定寿和延寿等方面提供数据支持和参考。

1 试验

1.1 试验原理

在规定的光照环境条件下，对特纺材料试样进行暴露试验，让其经受阳光的照射作用。然后按照预先设定的暴露期限定期检测特纺材料试样外观的色差变化，通过灰色样卡和色差仪定量测定相结合的方法评价材料的耐光老化性能，并对光照因素的影响及其作用机制进行分析。

1.2 试验方法

试验时在室外大气下直接进行暴露试验，并使暴露面朝正南方向，与地平面成45°倾角，试验架下端离地高度高于500 mm。试样摆放形式见图1。

图1 自然曝晒试验状态

1.3 色差评价

试样放置在试验箱中接受自然曝晒试验，每月各取样一次，先用灰色样卡评级，做出初步判断，再采用色差仪定量测定试样色差，对其外观变化情况进行评价。

1.4 试验材料

特纺材料作为航空飞行员个体防护救生装备和空降空投产品的主要材料，使用范围十分广泛。不同产品的使用寿命与其所用特纺材料的耐光照性能密切相关。对产品的具体使用部位和环境条件进行分析，选出15种具有代表性的材料，并确定了相应表征耐光性能的试验项目。参与自然曝晒试验的这些材料，基本涵盖了公司产品所用特纺材料的主要材料类别，涉及面广，代表性强，体现了以点带面的特点。参试材料详见表1。

表1 参试材料

1.5 气象条件监测与记录

试验场气象条件较稳定，年间的气象因素变化很相似，有季节性的暴风雨、高温、高湿、充足的降雨量等气候特点。其中：年均气温约为24℃，每年最热月份的最高气温平均约为34℃，最低气温平均约为25℃，年降雨量一般超过2 000 mm，年均相对湿度为85%，年日照时间为2 055 h，年太阳辐射量约为5 400 MJ/m2，是典型的东南亚湿热带环境气候。

按照预先设定的试验方案，对15种材料进行了全天候自然曝晒试验，室外自然曝晒时间为4～12个月。在试验期间需要按月份记录当地的气象条件数据，包括温度（最高值、最低值和平均值）、相对湿度（最低值和平均值）、平均气压、降雨量、太阳紫外辐射总能量、太阳辐射总能量等。

2 结果与讨论

2.1 外观总体评价

参与试验的15种材料样品经过室外自然耐光曝晒，试验周期由材料的耐光照性能进行确定。一般在4～12个月后，通过灰色样卡和色差测试仪相结合的方法，可以获得各种试样的外观耐光性能评定结果，详见表2。

表2 参试材料外观总体评价

2.2 色差评定

在试验前利用色差测试仪器获得各样品的L*、a*和b*值，作为原始样品的色泽数据，并将原始样品密封避光保存。在定期取样后，将原始样品与来样进行色差判定，获得ΔE*ab值。

本试验以“轻质高强抗燃织物”（简称“1号试样”）为例，对试验前和试验后样品的外观变化情况进行分析。结果发现，在试验终止后，试样的外观颜色变化非常明显，且严重变浅，详见图2。

图2 轻质高强抗燃织物试验前后对比

2.3 太阳辐照总量对样品色差值的影响

本次参试材料的原料成分基本涵盖了公司航空救生装备产品用特纺材料的主要品种。光照是导致特纺材料老化的主要因素之一，特纺材料在日光直接照射后外观一般会出现色泽泛黄、手感变硬等现象。

在试验过程中，不仅获取了各参试材料不同周期的外观色泽变化的色差ΔE*ab值，同时对试验期间的气象情况进行了监测，主要气象数据包括太阳总辐射量、紫外光辐射量和降雨量等，其中太阳总辐射量、紫外光辐射量是面向正南方与地面成5°倾角接收的直接曝晒辐射值。

仍以轻质高强抗燃织物为研究对象，对太阳辐照量与样品色差之间的关系进行研究，试验所得的具体数据详见表3。由表3可知：随着试验周期的延长，紫外光辐射量和太阳辐射量都逐渐增加，对试样外观颜色的影响也逐渐增大（可通过色差ΔE*ab值来表现）。

2.4 数据分析

本试验研究时是将试样放置于玻璃箱内，全天候室外曝晒，且试验的结束是以试样拉伸断裂强力下降到曝晒前试样拉伸断裂强力的50%为准。研究发现，在试验过程中，气温、相对湿度、平均气压、降雨量等对试验结果的影响程度较小，太阳辐射总能量，包括紫外光辐射量是引起试样外观和内在性能变化的主要因素。整理试验数据，做出散点图，详见图3和图4。

图3 太阳辐射总能量对1号试样色差的影响

图4 紫外光辐射量与对1号试样色差的影响

由图3和图4可以看出，随着太阳辐照量的增加，紫外光的辐射量也在逐渐增加，轻质高强抗燃试样的外观颜色的变化程度也在进一步加深，且在1～6个月时间段试样的外观颜色变化与太阳辐射量近似呈现线性关系，后续可进一步进行数据整理，推算出回归方程。

2.5 结果应用

根据试验所得试样的外观色差ΔE*ab值随太阳辐照量增加而不断增加的数据及变化曲线图，可建立相应的数据库。

作为飞行员个体防护装备、军用伞和空降空投降落伞的功能主体，特纺材料在产品使用期间应能经受高空太阳辐照、地面全天候等环境的考核。飞行时间（小时）是飞行员个体防护装备使用寿命的技术指标，可根据当地区间气象资料显示的太阳辐照量推算出特纺材料色差的变化程度及可接受度。因此，本项目的研究成果可为产品寿命的制定、故障分析等提供数据参考。

3 结论

（1）耐光性能是飞行员个体防护装备、军用伞和空降（或空投）降落伞的功能主体特纺材料的一项重要性能指标，对产品的耐环境性和使用寿命影响较大。

（2）通过对特纺材料采用室外全天候自然曝晒试验，并按规定时间采集所需的试样数据，可得到特纺材料外观颜色（色差）随太阳辐照量增加而变化的趋势情况，即：随着曝晒周期的延长，太阳辐射量逐渐增加，特纺材料的外观颜色逐渐变浅，直至严重褪色。

（3）本次研究结果可为设计、工艺和试验人员提供技术支持，也可为产品设计和故障分析提供数据参考。