纳米纤维包覆法侧面发光光纤柔光效果的研究

朱柏融,周雨萱,宾心雨,储广萌,刘思璇,许 彤,梅文斌,刘宇清

(1.苏州大学 纺织与服装工程学院,江苏 苏州 215123; 2.苏州大学 电子信息学院,江苏 苏州 215123)

聚合物光纤按照发光类型可以分为端面发光光纤和侧面发光光纤[1]。端面发光光纤指光在传输过程中通过光的全反射将光从入射端面传输到出射端面;侧面发光光纤指光在传输过程中不仅可以将光从入射端面传输到出射端面,还有一部分光从光纤的侧面露出来,形成侧面发光的效果[2]。

端面发光光纤实现侧面发光的本质原理是破坏纤芯内的全反射,从而使传输光从侧面露出来,形成侧面发光的效果[3]。实现侧面发光的方法主要有2类:破坏光纤的皮芯结构法和弯曲光纤法[4]。破坏光纤的皮芯结构法通常采用机械处理、化学溶剂处理和激光处理等方法[5]。金瑞鹏等[6]利用砂纸摩擦方法处理了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)端面发光光纤,研究发现摩擦次数越多,光纤侧面发光亮度越高,但亮度衰减越快。林文君等[7]测量不同化学试剂处理及不同处理时间对光纤侧面发光性能的影响。Shen等[8]采用CO2激光雕刻机处理端面发光光纤,处理后光纤表面形成的凹槽有助于侧面发光。弯曲光纤法可以改变光传输过程中的全反射路径,在不破坏光纤结构的条件下,使传输的光从侧面漏出[4]。Wang等[9]利用聚合物光纤在织物组织结构中的弯曲实现了侧面发光的效果,并探讨了光纤侧面发光度与弯曲半径的关系。虽然上述方法都可以使端面发光光纤实现侧面发光,但破坏光纤的皮芯结构法本质上是一种减材加工的方法,破坏光纤结构会导致光纤的力学性能下降;弯曲光纤法主要受弯曲半径和织物表面光纤的浮长等具体因素限制,无法广泛应用。因此需要探索一种非破坏性光纤的制备方法,通过增材制造避免光纤力学性能的下降,实现光纤在任意织物组织结构中侧面发光,从而满足人们对服装智能化、独特化的需求。

热拉伸工艺具有结构可控、材料兼容性好、工艺简单且稳定等优势[10],是近年来较为常用的纤维制备工艺。赵淑雅等[10]以侧面发光光纤为芯层,通过薄膜卷绕法、热固法制备宏观预制件,最后进行热拉伸制备出单色及多色光致变色纤维。热拉伸为制备侧面发光光纤提供了思路,但其制备的光纤光线较刺眼且服用性较差,对视觉产生冲击,无法实现在服装领域的广泛应用,因此如何提高光纤的光线柔和程度和服用性能是急需解决的问题。

纳米纤维具有较好的柔软性和透气性[11-12],吹喷纺是制备纳米纤维的常用方法之一,过程可控,纺丝效率高[13]。Shinkawa等[13]通过溶液吹喷法制备全氟磺化离聚体纳米纤维。纳米纤维膜具有比表面积大和结构不规律等特点[14],当光在纳米纤维膜内传播时,发生漫反射,从而改变光的传播路径。因此,如何利用纳米纤维膜这一特性,实现光纤的侧面发光以及提高光纤的光线柔和程度是本文探索的问题。中空纤维的空腔内存储了大量静止空气,可以提升织物的保暖效果,与同直径的实心纤维屈服应力接近,但是质量更轻[15]。张显华等[16]采用中空涤纶为经纱、棉为纬纱制备了一款面料,克罗值达0.48,保暖性较好。设计中空侧面发光光纤符合人们追求舒适化、轻薄化的着装理念。

本文以聚碳酸酯(PC)母粒和PC棒材为基材,采用热压装置制备PC预制棒,通过拉丝塔将PC预制棒热拉伸并吹气,制备出PC中空纤维。在热拉伸的同时,以PC为溶质,N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和四氢呋喃(THF)为溶剂,采用吹喷纺技术在PC中空纤维表面包覆PC纳米纤维,制备出PC复合光纤。将PC复合光纤织入织物中,通光后光纤产生侧面发光效应。本文探索一种非破坏性、侧面发光、亮度柔和的光纤的制备方法,为侧面发光光纤的制备提供一种新的思路。

1 实验部分

1.1 实验材料和仪器

材料:PC母粒(1.0 mm,牌号3150,上海科思创聚合物(中国)有限公司);PC棒材(直径12 mm,深圳市永信塑胶材料有限公司);丙纶(PP)色母粒(1.0 mm,深圳市金志成塑胶科技有限公司);N,N-二甲基甲酰胺(DMF,含量≥99.0%,水分≤0.05%,山东飞鸿新材料有限公司);四氢呋喃(THF,含量≥99.9%,山东科建化工有限公司)。

仪器:热压装置(自建);拉丝塔(自建);吹气装置(自建);蠕动泵(河北顺选智能科技有限公司);纺丝针头(广州根毛贸易商行);吹喷纺注射器(广州沪瑞明仪器有限公司);日立S-4700冷场发射扫描电镜(日本Hitachi公司);索尼A6400相机(索尼(中国)有限公司)。

1.2 热压装置

搭建的热压装置如图1所示。搭建的热压装置包括机架、预制棒制备单元、加热温控单元和千斤顶4个部分。作为装置本体框架的机架主要包括顶部铁板、中间层移动式铁板、底部铁板和铁棒。搭建时铁棒竖直设置,顶部铁板、中间层移动式铁板、底部铁板从上到下依次安装于铁棒上。预制棒制备单元包括空心铝管和实心压制棒。空心铝管位于中间层移动式铁板上,竖直向上延伸,实心压制棒位于顶部铁板下,并且实心压制棒直径略小于空心铝管内径。用于空心铝管内聚合物的加热熔融的加热温控单元包括温控箱、加热线圈和测温探头,温控箱的1根电线接电源,另1根电线分为2股,1股接加热线圈,另1股接测温探头。千斤顶驱动中间层移动式铁板上下移动,使实心压制棒达到压制效果。

图1 热压装置Fig.1 Hot-pressing device

制备预制棒时,在空心铝管中心位置放置与空心铝管等高的PC棒材,在空心铝管内PC棒材四周填充PC母粒,填充完毕后,实心压制棒压制空心铝管内部PC基材。开启加热温控单元,加热至220℃,PC基材开始熔融。通过调节千斤顶改变中间层移动式铁板的位置,从而改变实心压制棒压制的深度,使实心压制棒紧密热压空心铝管内部PC基材。加热20 min后停止加热,PC基材凝固,将透明PC预制棒取出。

若制备彩色预制棒,将PC母粒与PP色母粒按照质量比20∶1混合均匀后填充在空心铝管内PC棒材周围。

1.3 热拉伸

热拉伸示意图如图2所示,首先用电动钻子沿竖直方向在预制棒的中心打一个深坑,然后沿水平方向在预制棒的两端钻孔,孔径为0.5 mm,用铜丝穿孔。将预制棒放入拉丝塔加热炉内,将预制棒的一端用铜丝固定在加热炉顶部,另一端铜丝悬挂砝码,可以使料头受力匀速下降。调节加热炉内温度,上温区170℃,中温区200℃,下温区170℃。吹气装置吹气嘴对准预制棒顶部深坑吹气。15 min后,预制棒料头开始缓慢掉落,通过控制牵引装置和收集装置调节纤维粗细,最终得到PC中空纤维。

图2 热拉伸Fig.2 Thermal stretching

1.4 吹喷纺

吹喷纺示意图如图3所示,在热拉伸的同时,采用吹喷纺技术,以PC为溶质,DMF和THF按照体积比1∶1配置为溶剂,纺丝液中溶质质量分数为8%～12%,牵伸风压0.08～0.40 MPa,挤出速度2～5 mL/h,接收距离15～25 cm。溶液从注射器纺丝针头挤出,将PC纳米纤维均匀牵引到PC中空纤维上,形成泰勒锥纱网面,从而使PC纳米纤维包覆在PC中空纤维表面形成PC复合光纤[17]。收集装置收集PC复合光纤。

图3 吹喷纺Fig.3 Solution blowing spinning

2 结果与讨论

2.1 PC复合光纤的形貌

PC复合光纤的电镜照片如图4所示。从图4(a)(b)可以看出,PC复合光纤的截面呈现皮芯型,皮层PC纳米纤维完整地包覆在芯层PC中空纤维的表面。图4(c)(d)为图4(a)(b)白色方框区域对应的放大图,可清楚地看出PC复合光纤的皮层PC纳米纤维和芯层PC中空纤维分界面明显。

图4 PC复合光纤电镜照片Fig.4 Scanning electron microscope images of PC composite optical fiber

2.2 发光机制

光从一种介质入射到另一种介质时,传播方向发生改变,即为光的折射[18]。光的折射满足折射定律,见式(1):

n1sinθ1=n2sinθ2

(1)

式中:n1为光密介质折射率;n2为光疏介质折射率;θ1为光的入射角,(°);θ2为光的折射角,(°)。

从折射定律可得,折射角会随着入射角的增大而增大。当入射角达到临界值(见式(2)),θ2达到最大值90°;如果继续增大入射角,折射光线会消失,所有光线在界面处发生反射,即全反射[19]。所以全反射现象有2个条件,即入射角大于等于临界值;光线从折射率高的介质入射到折射率低的介质。

(2)

PC复合光纤的理论模型如图5所示,本文PC复合光纤具有2层结构,皮层为PC纳米纤维,芯层为PC中空纤维,PC中空纤维中空部分为空气。由于实际制备的PC中空纤维并不是规整的中空圆柱体,并且壁内存在微小气泡,若在不包覆PC纳米纤维的PC中空纤维上通光,根据光的反射折射原理,光可以从侧面散发出来。

图5 PC复合光纤理论模型图Fig.5 Theoretical modelof PC composite optical fiber

本文在PC中空纤维表面包覆PC纳米纤维,而实际制备过程中PC中空纤维与PC纳米纤维接触面无法完全贴合,PC纳米纤维形态及其之间的空隙的大小无法完全一致,故设PC纳米纤维膜的等效折射率为n4,PC中空纤维的等效折射率为n5,PC中空纤维中空部分的空气折射率为n3。

折射率引导型光子晶体光纤一般是由纯石英纤芯和具有周期性空气孔结构的包层所组成,由于包层上存在空气孔,所以包层相较于纤芯具有更小的折射率[20],这种结构的光子晶体光纤以类似全内反射的原理导光。基于此原理,本文中n5>n4>n3[21]。

本文PC复合光纤皮层PC纳米纤维膜类似折射率引导型光子晶体光纤的包层结构。在PC中空纤维上通光,相较于不包覆PC纳米纤维的PC中空纤维,PC纳米纤维使得PC复合光纤比表面积更大,PC纳米纤维之间的空隙使得界面更多,光在皮层PC纳米纤维膜传播时,因为纳米纤维的尺寸与光的波长接近,纳米纤维不规律的结构可以使光线实现漫反射,最终达到侧面发光效果,折射出来的光线更加柔和,可以实现舒适、高质量的视觉效果。

2.3 电路设计

控制光纤发光的电路一共有3条支路,每条支路分别具有1个可控开关、2个定值电阻、1个三极板和1个发光二极管,电路元器件连接方式如图6所示。接通电源后,闭合控制红色发光二极管电路的开关,即有电压通过该支路并产生电流,可使发光二极管接收到电信号转变为光信号,发出红光;断开控制红色发光二极管电路的开关,闭合控制绿色发光二极管电路的开关,电流流经发光二极管,发出绿光;断开控制绿色发光二极管电路的开关,闭合控制蓝色发光二极管电路的开关,电流流经发光二极管,发出蓝光。

图6 LED电路图Fig.6 LED circuit diagram

2.4 侧面发光光纤测试

PC中空纤维和PC复合纤维色阶对比如图7所示。对PC中空纤维和PC复合光纤依次通绿光、红光和蓝光,使用Photoshop色阶功能,RGB通道分别选择绿色、红色和蓝色。色阶图是说明照片中像素色调分布的图表,垂直的“y”轴表示包含特定色调的像素数目,横向的“x”轴表示像素的色调,从左往右依次变浅。色阶图分布集中,表明图片色调单一,所处光线较硬;色阶图分布均匀,表明图片色调多样,所处光线较柔和[22]。图7结果表明,相较于未包覆PC纳米纤维的PC中空纤维,PC复合光纤的色阶图分布更均匀,光线更加柔和。

图7 PC中空纤维和PC复合纤维色阶对比图Fig.7 Comparison of color scale between PC hollow fiber and PC composite optical fiber. (a) PC hollow fiber; (b) PC composite optical fiber

实际案例中,如从场馆内部观察,国家体育场其结构的外表有一层半透明的白色聚四氟乙烯(PTFE)膜,利用材料的半透性使光线产生漫反射后实现柔和的视觉效果,避免了体育场内的光线在赛场上形成强烈的阴影,从而解决强烈光影带来的影响[23],又如上海世博会中国馆的“中国红”不是单一的红色,而是由7种不同的红色组成了外观视觉和谐的红色(中国馆外部4种红色,内部3种红色,按照由深至浅的顺序排列)[24]。本文通过增材制造在PC中空纤维表面包覆PC纳米纤维,光线经过漫反射后分布均匀、亮度柔和,最终得到舒适、高质量的视觉效果。

2.5 侧面发光织物测试

侧面发光织物采用双向通光,将发光光源与PC复合光纤织物本体结合,其中发光光源连接有LED灯,PC复合光纤的两端与设计在侧面发光织物两侧的LED灯相连,PC复合光纤的中间部分编织在织物内,控制器控制发光光源。使用控制器控制LED灯,当LED灯开始工作时,LED灯发光,光从PC复合光纤的一端传输至另一端,并有部分光从侧面泄露出来,实现织物发光效果。通过控制LED灯变换颜色,实现织物变色效果。

PC复合光纤织物局部图如图8所示,通光后PC复合光纤实现侧面发光。PC复合光纤织物整体图如图9所示。对侧面发光织物进行双向通光,PC复合光纤织物整体实现侧面发光且织物整体亮度基本相同。因为纳米纤维的尺寸与光的波长接近,纳米纤维不规律的结构可以使光线实现漫反射,侧面发出的光线更加柔和均匀,可以使侧面发光光纤及其织物实现舒适、高质量的视觉效果。

图8 PC复合光纤织物局部图Fig.8 Fabric partial diagram of PC composite optical fibers. (a) No light; (b) Red light; (c) Green light; (d) Blue light

图9 PC复合光纤织物整体图Fig.9 Fabric overall diagram of PC composite optical fibers. (a) No light; (b) Blue light; (c) Green light; (d) Red light

3 结 论

常规光纤在发光处理及处理后织造过程中容易发生断裂的问题,而本文探索了一种非破坏性光纤的制备方法,以聚碳酸酯(PC)母粒和PC棒材为基材,制备出PC中空纤维,在PC中空纤维表面包覆PC纳米纤维制成可实现侧面发光的PC复合光纤,并用于织造发光织物。通过分析PC复合光纤的形貌结构特点,研究PC复合光纤的发光机制,进行侧面发光光纤及其发光织物的测试并讨论其相关性能。通过增材制造在PC中空纤维表面包覆PC纳米纤维实现侧面发光效果,将有望于改善侧面发光光纤的力学性能。折射率引导型光子晶体光纤可以满足长距离的基于内部全反射的折射率引导传光,而本文PC复合光纤由于上文所述因素会产生光的损耗,难以满足长距离光的传导,但是可以满足服用的侧面发光需求。纳米纤维具有较好的柔软性和透气性,中空纤维结构相较于同直径的实心纤维质量更轻,将有望于提高侧面发光光纤的服用性能,但皮层纳米纤维的水洗性及耐磨性等相关问题仍然需要进一步的探索。