汗液老化对玻璃微珠反光材料性能的影响

崔志英,叶璐露,郑蓉梅,孙 楠,鲁 虹

(1.东华大学 服装与艺术设计学院,上海 200051; 2.东华大学 现代服装设计与技术教育部重点实验室,上海 200051)

反光材料是近代物理学、化学和纺织材料科学综合发展的产物,广泛应用于交通标志、反光标识、特殊作业服装、消防安全标志、铁路标志、矿区标志等领域[1-2]。玻璃反光材料用于服装时可以在视觉上强调穿着者的存在,尤其在夜间可视性较差的情况下,能够有效避免危险事故的发生。

反光材料在穿着使用过程中,其性能会因气候环境、人体运动大量出汗等而受到影响,目前纺织品耐久性的研究主要集中于耐汗渍色牢度方面[3-4],而对材料反光性能的耐久性研究较少。因此,本文将探讨酸碱汗液对玻璃微珠反光材料性能的影响,评估反光材料的服用耐久性,从而对生产商及用户的使用和维护提供指导。

1 实验原理

玻璃微珠是玻璃反光材料的核心部件,反光原理如图1所示。将反光材料上的玻璃微珠看作高折射率的透镜,入射光线I0在玻璃微珠表面折射,聚焦于底部的光锥角上,经过底部镀银层或镀铝层的反射,从微珠内部射出并回到光源方向,即逆反射光线I。当光照射反光布时,除了有小部分光散射,大部分光经过玻璃微珠的折射、反射、再折射,最后沿光源方向逆向返回[5]。相比于光在一般物品上发生的漫反射和镜面反射,玻璃微珠的反光效率更高,反光性能优异[6]。

图1 玻璃微珠反光原理图

玻璃微珠反光织物的结构如图2所示,其结构包括玻璃微珠、反射层、黏合剂和基布[7]。根据玻璃微珠在基布上的涂覆方法,反光织物的加工方法可以分为涂珠法、植珠法以及热转移法。涂珠法将玻璃微珠与黏合剂混合的涂层浆涂覆于织物表面制取反光布[8]。植珠法先进行基布前处理,在基布上涂覆胶黏剂,施加反射层后进行静电植珠或撒珠,最后经后处理获取反光布[9]。热转移法将镀铝植珠膜和热熔转移胶复合,转移至织物上再熟化[10]。

图2 玻璃微珠反光织物结构示意图

2 实验部分

2.1 实验材料

实验材料选取6种反光材料,样本的基布为涤纶或涤/棉混纺,使用的黏胶剂为聚酯和聚氨酯。涂珠法制备的反光布反光性能一般且手感粗糙,目前市场份额逐渐下降,因此本文实验仅选取了植株法和热转移法制备的反光布,实验样品信息如表1所示。

表1 实验样本信息

试样大小为10 cm×10 cm,在实验前对样品进行预处理,先使用三级水除去其表面杂质与灰尘,平铺晾干后在恒温恒湿实验室中平衡24 h。根据GB/T 4669—2008《纺织品 机织物 单位长度质量和单位面积质量的测定》和GB/T 3820—1997《纺织品和纺织制品厚度的测定》,使用A5003 N电子天平(上海佑科仪器仪表有限公司)和YG(B)141D型数字式织物厚度仪(常州新纺检测仪器设备有限公司)测量试样的织物面密度、织物厚度、热熔胶层厚度和基布层厚度。通过电子显微镜扫描获取玻璃微珠图像,计算玻璃微珠的大小、覆盖率,试样基本参数如表2所示。

表2 试样基本参数

2.2 汗液老化实验方案

根据GB/T 3922—2013《纺织品 色牢度试验 耐汗渍色牢度》和GB/T 6682—1992《分析实验室用水规格和试验方法》配置酸碱性人工汗液,试剂均为化学纯,通过离子法获取三级水配制试液,每1 000 mL的酸碱性汗液配置成分和pH值如表3所示。

表3 人工汗液配置成分

酸碱汗液老化时使用Y802A 恒温烘箱(常州纺织仪器厂)在60 ℃烘干70 min,汗液老化次数为1、5、10、20、25、30、40、50次。实验步骤如下:①将Y802A 恒温烘箱预热至60 ℃;②取200 mL酸碱人工汗液分别倒入25 cm×50 cm的塑料器皿中;③将预处理后的试样浸入酸碱人工汗液中5 min后取出;④将酸碱汗液处理后的试样置于烘箱,在60 ℃条件下烘干70 min,烘干后取出,获得汗液老化处理后的样品;⑤多次汗液老化实验即重复上述步骤。

2.3 性能测试与表征

2.3.1 外观特征

在D65标准光源下,距离试样0.5 m使用Canon EOS 80D数码相机(日本佳能株式会社)进行拍照,镜头型号为EF-S18-135 mm,光圈值设定F 6.3,曝光时间1/20 s,感光度ISO-100,焦距18.0 mm。利用图像分析法对汗液老化处理前后的试样外观变化进行分析。

2.3.2 色差测试

使用X-rite Ci7800分光光度仪(美国爱色丽公司)对试样表面色彩值进行测量。利用CIE Lab色彩模型计算汗液老化后试样与标准样的色差值。参数设定为D65标准光源、25 mm光圈,测试前进行校准。

2.3.3 表面微观形貌

将汗液处理前后的试样进行喷金处理,采用荷兰Phenom XL扫描电子显微镜(飞纳公司)放大至400倍观察试样的表面微观形貌。

2.3.4 反光性能测试

采用逆反射系数评价织物的反光性能。逆反射系数的定义为当入射角为α、观察角为β时,回归反射织物在单位面积、单位照度下所发出的光强度[11],原理如图3所示。逆反射系数计算公式为:

图3 逆反射原理示意图

式中:R′为逆反射系数,cd/(lx·m2);Er为接受器的受照度,lx;Es为样品的受照度,1x;d为样品与接收器间的距离,m;A为样品的表面积,m2。

采用STT-101A逆反射标志测量仪(北京中交工程仪器研究所)测量试样逆反射系数,测量入射角5°、观测角12°。初始试样的逆反射系数如表4所示,根据GB/T 18833—2012《道路交通标志反光膜》,反光材料的逆反射系数应高于330 cd/(lx·m2)。

表4 初始试样逆反射系数

3 结果与讨论

3.1 外观特征分析

在评级箱内对经过50次汗液老化前后的图像进行采集,如图4所示。酸碱汗液老化实验后样品表面呈现不同程度的斑驳,试样3#和6#表面颜色变深,1#、2#、5#表面均有不同程度的泛白。样品表面斑驳和泛白的原因可能是玻璃微珠及铝层脱落、表面析出盐结晶,铝层氧化成氧化铝,从而导致表面颜色的斑驳杂乱;而表面颜色变深则与铝层氧化程度有关,氧化膜越厚,颜色越深。

图4 酸碱汗液老化后试样外观图像

3.2 色差分析

试样经酸碱性汗液老化后的色差值如图5、6所示。汗液老化后试样表面颜色均出现一定的变化,随着汗液老化次数的增加,试样色差值相应增大。其中试样3#色差值最大,经酸和碱性汗液老化后最大色差分别为12.16和8.03,CIE Lab值中L*值(亮度)降低较明显,这与图像分析法中观察到的试样3#在汗液老化后表面有明显的变暗现象相一致。从实验结果可以看出酸性汗液老化后色差值大于碱性汗液,说明酸性汗液对反光织物的影响大于碱性汗液。

图5 酸性汗液老化后试样的色差值

图6 碱性汗液老化后试样的色差值

3.3 表面微观形貌分析

酸碱汗液老化50次后的样品在扫描电子显微镜照片如图7所示。酸碱汗液老化后试样发生了表面微珠脱落、铝层溶出、盐结晶析出等现象。玻璃微珠脱落的原因是铝层与汗液中的酸发生反应,削弱了黏合剂与微珠间的黏附作用,导致微珠脱落。1#、2#、4#、5#、6#存在铝层溶出现象,2#和5#在碱性汗液老化后铝层溶出较明显。出现铝层溶出现象的原因是在汗液老化的过程中微珠与热熔胶间的铝层发生了电化学腐蚀,在酸性汗液中铝与盐酸反应生成氯化铝,在碱性汗液中铝被氧化为氢氧化铝;另外,铝层在氯化钠电解质液中发生电化学腐蚀形成氧化铝。1#、2#、4#、5#、6#表面出现盐结晶,其中5#在碱性汗液老化后盐结晶析出现象最严重。出现盐结晶析出现象的原因是汗液中的氯化钠经烘干后析出结晶,结晶附着在玻璃微珠表面。4#和6#在酸碱性汗液老化后仍存在植株膜残留现象。6#在酸碱性汗液老化后产生黏胶层裂痕,是由于微珠与黏胶层之间的铝层氧化,氧化层变厚挤压胶层造成一定的裂缝。

3.4 汗液对反光性能的影响

3.4.1 酸性汗液老化后的逆反射系数

酸性汗液老化实验后试样的逆反射系数结果如图8所示,试样的逆反射系数呈现先上升后下降的趋势。在酸性汗液老化次数小于等于5时呈上升趋势,热转移加工制造的反光布逆反射系数上升,可能由于表面残留的植株膜在酸性汗液处理后有一定程度的溶解;而植株法工艺制造的反光布逆反射系数的上升,可能是酸性汗液将运输储存期间吸附的杂质溶解或洗净,玻璃微珠表面更光亮。所有试样逆反射系数在5～50次酸性汗液老化过程中均有下降,变化率为-12.86%～-2.97%。原因是酸性汗液中的盐酸成分与试样铝层发生了化学反应,不仅对玻璃微珠表面光亮产生影响,同时也减弱了胶黏剂与玻璃微珠的黏附作用,使玻璃微珠更容易脱落。结合微观图像进行分析,随着酸性汗液老化次数的增加,玻璃微珠与样品的黏着性下降,最终脱落;另外汗液老化析出的盐结晶附着在玻璃微珠表面,影响了其反光性能;再次,可能是因为铝层的腐蚀造成了反光性能的下降。

图8 试样酸性汗液老化后的逆反射系数

基布为100%涤纶的4#试样的逆反射系数下降率最小,为2.97%,以涤/棉混纺织物为基布的1#、2#、3#、5#、6#样品的逆反射系数下降率较纯涤纶织物更显著,基布为涤/棉(65/35)混纺的6#下降率最大,为12.86%。原因是棉纤维作为天然纤维素纤维,吸湿性能较好,且耐无机酸的能力较弱,纤维素在稀盐酸溶液中会水解;而涤纶对一般化学试剂性能较稳定。

3.4.2 碱性汗液老化后的逆反射系数

试样碱性汗液老化实验后的逆反射系数结果如图9所示,与酸性汗液老化的结果相似。试样的逆反射系数在碱性汗液老化1～5次期间呈上升趋势;在大于5次老化实验后,各样品逆反射系数有所下降,但相对于酸性汗液老化下降较缓慢。其原因是碱性汗液老化实验中,铝及其氧化物与弱碱不易反应,玻璃微珠脱落情况较少;表面盐结晶析出不严重,对试样的反光性能影响较小。

图9 试样碱性汗液老化后的逆反射系数

对试样进行配对样本T检验,比较酸性和碱性汗液老化对试样反光性能的影响。检验结果得到,试样在酸性汗液老化后的反光性能与碱性汗液老化后有显著差异(P<0.05),且酸性汗液老化下的反光性能低于碱性汗液,但所有试样老化50次后的逆反射系数仍符合标准。

4 结 论

本文探讨了酸碱汗液对玻璃微珠反光材料性能的影响,结论如下:

①反光材料汗液老化后呈现了不同程度的斑驳和泛白,部分试样颜色变深;试样表面发生了微珠脱落、铝层溶出、盐结晶析出等现象。

②试样的逆反射系数随酸碱汗液老化次数的增加先提升后下降,酸性汗液对材料反光性能的影响大于碱性汗液。汗液老化次数小于等于5次时,因汗液对微珠表面植株膜和杂质的溶解与清洁,样品的反光性能有不同程度的升高;汗液老化次数大于5次后,试样的反光性能逐渐下降。经过50次酸性汗液老化后,试样逆反射系数变化率为-12.86%～-2.97%;但所有试样经50次酸碱汗液老化后的反光性能依然满足标准。