織造對不同結(jié)構(gòu)光纖織物側(cè)發(fā)光性能的影響

黃葆荷，王金春，楊 斌

(浙江理工大學(xué)先進(jìn)紡織材料與制備技術(shù)教育部重點實驗室，浙江杭州 310018)

塑料光纖具有導(dǎo)光、柔軟、安全等特點，可以作為發(fā)光載體制備發(fā)光織物，已經(jīng)成功應(yīng)用在室內(nèi)裝飾［1-3］、舞臺服飾［4］、柔性顯示［5-6］、醫(yī)療［7-8］等領(lǐng)域。通常光纖的側(cè)發(fā)光是利用化學(xué)溶劑腐蝕［9-10］、機(jī)械破壞和等離子［11］等后處理形成，本文的發(fā)光織物是利用織造過程本身對光纖的損傷獲得均勻的側(cè)發(fā)光效果，不需要再做進(jìn)一步的加工處理，對織物整體損傷小。

本文課題組前期研究利用織物組織點的作用使光纖發(fā)生彎曲形成側(cè)發(fā)光效果，開發(fā)了圖案和顏色可變換的發(fā)光織物［12］。這種方法由于要形成發(fā)光圖案，需通過組織設(shè)計，避免光纖在織造過程中受到損傷形成側(cè)發(fā)光，采用緯面組織但反面織造。本文探討的織造過程對光纖的損傷，一方面對上述利用彎曲形成一定圖案的發(fā)光織物設(shè)計提供有益幫助;另一方面在不需要形成圖案的情況下，可簡單地通過織造損傷形成發(fā)光。本文研究織造過程中光纖的損傷機(jī)制，對比不同組織結(jié)構(gòu)光纖織物的破壞情況和發(fā)光亮度，從而合理利用織造過程中的損傷，開發(fā)具有一定發(fā)光亮度的光纖發(fā)光織物。

1 織造過程光纖表面損傷分析

光纖在織造過程中會受到機(jī)械性的損傷。當(dāng)光纖作為緯紗織入織物中，需要經(jīng)過儲緯器、引緯、打緯、卷取等裝置和運(yùn)動機(jī)構(gòu)的作用，不僅空間形態(tài)發(fā)生變化，而且光纖表面也會受到各種力的作用產(chǎn)生損傷。圖1示出織造前后塑料光纖強(qiáng)力-伸長率曲線。由圖可見，織造前光纖的斷裂強(qiáng)力為7.02 N，斷裂伸長率為90.19%，織造后其斷裂強(qiáng)力為3.63 N，斷裂伸長率為30.96%，織造后光纖的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率明顯下降，其中斷裂伸長率幾乎是織造前的1/3。表明光纖表面產(chǎn)生缺陷，導(dǎo)致拉伸時應(yīng)力集中加速斷裂。

圖1 塑料光纖強(qiáng)力與伸長率曲線Fig.1 Force-elongation curve of polymer optical fiber

觀察織造過程發(fā)現(xiàn)，儲緯器上光纖發(fā)生的彎曲以及引緯時光纖受到的拉伸對光纖的損傷都較小，還不足以形成側(cè)面發(fā)光。打緯時，光纖和經(jīng)紗產(chǎn)生滑動摩擦，光纖表面形成劃痕，破壞程度較輕，如圖2(a)所示。卷取時，光纖受到卷取軸的擠壓并與已卷取的織物表面發(fā)生摩擦，使光纖發(fā)生了較大的破壞，導(dǎo)致光纖漏光，如圖2(b)所示，正是這種卷取過程的損傷使織物表面形成了點狀的發(fā)光效果。圖3示出經(jīng)過織造后光纖織物的側(cè)發(fā)光效果。從圖可看出，織物表面經(jīng)向方向發(fā)光較為均勻，緯向隨光源距離呈現(xiàn)有規(guī)律的衰減，因此，從上述實驗分析可知，織造對光纖的損傷主要發(fā)生在卷取過程中的擠壓作用，使織物表面的光纖形成散在分布的損傷點，從而使光纖中本應(yīng)全反射的光泄漏達(dá)到側(cè)發(fā)光效果。這對于制備不形成圖案的發(fā)光織物是一種非常簡便的有效方式。

圖2 織造后光纖表面形貌(×200)Fig.2 Surface morphology of POF after weaving.(a)Rubbed by warp yarns;(b)Extruded and rubbed by take-up roll

圖3 光纖織物側(cè)發(fā)光效果Fig.3 Side illumination effect of POF fabric

2 織物測試及分析

實驗所用的光纖為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)芯、氟樹脂包層的端發(fā)光塑料光纖，用SMIT GS900劍桿提花機(jī)使織物正面朝上織造，有利于織物表面的光纖與卷取軸擠壓接觸。經(jīng)紗為8.33 tex(紗線直徑約為0.088 mm)滌綸網(wǎng)絡(luò)絲，密度為670根/10cm，緯紗為直徑0.25 mm塑料光纖，密度為200根/10cm，分別試織平紋、1上2下斜紋、4枚緯緞、5枚緯緞、8枚緯緞、16枚緯緞和32枚緯緞織物。

織物側(cè)發(fā)光強(qiáng)度測試儀器為TOPCON BM-5A亮度色度計，測量方法如圖4所示。采用5 mm直徑綠色發(fā)光二極管(LED)作為光源，電壓為3 V，BM-SA亮度色度計中心與試樣的距離為80cm，測量角度為2°，測量圓形區(qū)域直徑為19.7 mm，測量區(qū)域離光源分別為 10、18、26、34、42、58、74cm。

圖4 側(cè)發(fā)光強(qiáng)度測試示意圖Fig.4 Schematic of side-glowing intensity measurement

2.1 三原組織織物側(cè)發(fā)光強(qiáng)度的比較

圖5 示出3種典型三原組織織物側(cè)發(fā)光強(qiáng)度曲線。測量結(jié)果表明，5枚緯緞織物的側(cè)發(fā)光強(qiáng)度最高，1上2下斜紋次之，平紋織物最低。這是因為三原組織在經(jīng)緯紗原料、紗線細(xì)度、經(jīng)緯向密度相同的情況下，對于不同組織，織物的緊度、屈曲波高、表面紗線浮長等參數(shù)存在差異，導(dǎo)致光纖織物的側(cè)發(fā)光強(qiáng)度不同。平紋織物中，組織循環(huán)內(nèi)經(jīng)緯紗之間一上一下交錯，光纖上下受力均勻，基本呈直線狀態(tài)嵌在織物中，而且光纖表面幾乎被經(jīng)紗遮蓋，使得卷取時光纖與卷軸表面隔離，保護(hù)光纖不被破壞，因此，平紋織物的側(cè)發(fā)光強(qiáng)度最低，但由于光纖在織造過程中與經(jīng)紗會產(chǎn)生較輕摩擦損傷，因此會有一些微弱的光透射出來，如圖5和圖6(a)所示。對于1上2下斜紋和5枚緯緞織物，光纖在織物正面呈現(xiàn)的浮長較長，卷取時與卷軸發(fā)生較強(qiáng)擠壓，產(chǎn)生了破壞，使得織物的側(cè)發(fā)光強(qiáng)度明顯提高。如圖5和圖 6(b)、(c)所示。

圖5 三原組織織物側(cè)發(fā)光強(qiáng)度曲線Fig.5 Side-glowing intensity of three-elementary weaves fabrics

圖6 三原組織織物的表面形貌(×25)Fig.6 Surface morphologies of three-elementary weaves fabrics.(a)Plain fabric;(b)Twill fabric;(c)5-thread satin fabric

圖7 示出光纖織物相對側(cè)發(fā)光強(qiáng)度的衰減情況。由圖可見，曲線衰減越快，表明光纖表面破壞越嚴(yán)重，織物的側(cè)發(fā)光強(qiáng)度就越高。平紋織物中光纖既沒有彎曲，也極少被破壞，相對側(cè)發(fā)光強(qiáng)度衰減曲線很平緩。5枚緯緞織物曲線衰減最大，說明光纖破壞嚴(yán)重，曲線衰減趨勢和織物側(cè)發(fā)光強(qiáng)度曲線相一致。

綜上所述，平紋和斜紋這2種組織，光纖的彎曲程度小，且織物表面光纖浮長較短，側(cè)發(fā)光強(qiáng)度低。而緯緞織物光纖浮長較長，從而與卷軸表面充分地接觸擠壓，產(chǎn)生破壞，因此選用緞紋組織，可以得到較好的發(fā)光效果。

圖7 三原組織織物相對側(cè)發(fā)光強(qiáng)度衰減曲線Fig.7 Relative intensity decay curves of three-elementary weaves fabrics

2.2 幾種緞紋織物側(cè)發(fā)光強(qiáng)度的比較

通過比較三原組織織物的側(cè)發(fā)光強(qiáng)度表明，在相同條件下緯緞織物的側(cè)發(fā)光強(qiáng)度最高。主要原因是光纖在織物表面的浮長越長，與卷取軸表面接觸的面積越大，光纖表面受到擠壓產(chǎn)生的破損就越多，織物的側(cè)發(fā)光強(qiáng)度也就越高。為進(jìn)一步說明浮長對發(fā)光效果的影響，采用幾種緯緞組織進(jìn)行分析。圖8示出幾種緞紋織物的側(cè)發(fā)光強(qiáng)度曲線。由圖可見，隨著光纖浮長的增加，織物的側(cè)發(fā)光強(qiáng)度也逐漸增大，其中16枚緯緞和32枚緯緞織物的側(cè)發(fā)光強(qiáng)度明顯高于8枚緯緞和4枚緯緞織物，32枚緯緞織物與16枚緯緞織物的側(cè)發(fā)光強(qiáng)度沒有顯著地變化。說明此時光纖浮長的影響已不再是主導(dǎo)因素。

圖8 緞紋組織織物側(cè)發(fā)光強(qiáng)度曲線Fig.8 Side-glowing intensity of stain fabrics

圖9 示出這幾種緞紋織物相對側(cè)發(fā)光強(qiáng)度的衰減曲線。由圖可見，16枚緯緞的衰減程度要大于32枚緯緞，表明16枚緯緞織物中光纖的破壞程度要大于32枚緯緞。離光源距離較近時，16枚緯緞織物的側(cè)發(fā)光強(qiáng)度大于32枚緯緞;隨著距離的增大，16枚緯緞織物側(cè)發(fā)光強(qiáng)度小于32枚緯緞，這是因為16枚緯緞織物中光纖的破壞程度高，靠光源處光纖逸出的光多，導(dǎo)致后續(xù)光能量下降。造成16枚緯緞織物發(fā)光強(qiáng)度反而大于32枚緯緞織物的原因是：當(dāng)浮長增加到一定長度時，其對側(cè)發(fā)光的增強(qiáng)作用不再明顯，這時光纖的彎曲程度起主要作用，隨著組織循環(huán)數(shù)的增大，彎曲程度減小，因此32枚緯緞織物雖然浮長較16枚緯緞的要長，但彎曲小，發(fā)光強(qiáng)度變化不大，如圖10所示。通過上述實驗分析可知：16枚緯緞織物可形成較高的側(cè)發(fā)光強(qiáng)度，而且組織循環(huán)大小適中，是設(shè)計發(fā)光織物的較佳組織。

圖9 緞紋織物相對側(cè)發(fā)光強(qiáng)度衰減曲線Fig.9 Relative intensity decay curves of stain fabrics

圖10 16枚緯緞和32枚緯緞織物的表面形貌(×25)Fig.10 Surface morphology of satin weaves fabric.(a)16-thread satin weaves fabric;(b)32-thread satin weaves fabric

3 結(jié)論

通過織造過程中光纖的損傷研究，以及對比不同組織光纖織物的破壞情況和發(fā)光亮度，得出如下結(jié)論。

1)織造對光纖的損傷主要發(fā)生在卷取過程中，由于光纖受到卷取軸的擠壓破壞，使光纖表面損傷而產(chǎn)生光的泄漏。

2)比較了平紋、斜紋、緞紋織物的側(cè)發(fā)光強(qiáng)度，平紋織物中光纖基本呈直線狀態(tài)，表面浮長最短從而損傷最小;緞紋織物表面光纖浮長較長，與卷取軸接觸產(chǎn)生較大擠壓破壞，發(fā)光強(qiáng)度最高。

3)綜合考慮光纖浮長和彎曲的影響，從發(fā)光效果來看，如果利用織造過程中的損傷開發(fā)具有一定發(fā)光亮度的光纖織物，16枚緯緞是較佳的選擇。

［1］BROCHIER C， LYSENKO A A.Opticalfiber fabrics［J］.Fiber Chemistry，2008，40(4)：303-307.

［2］GRAHAM-ROWE D.Photonic fabrics take shape［J］.Nature Photonics，2007，1(1)：6-7.

［3］SPIGULIS J.Side-emitting fibers brighten our world［J］.Optics and Photonics News，2005，16(10)：34-39.

［4］SAI KRISHNAN A N， KUMAR L A，VENKATACHALAM A.Design and development of illuminated clothing with PMMA for versatile applications［J］.Indian Journal of Fibre and Textile Research，2006，31(4)：577-579.

［5］KONCAR V.Optical fiber fabric display［J］.Optics and Photonics News，2005，16(4)：40-44.

［6］DEFIN E，KONCAR V，WEIL A，et al.Bright optical fibre fabric：a new flexible display［J］.Textile Asia，2002，33(5)：25-28.

［7］WILSON J D，ADAMS A J，MURPHY P，et al.Design of a light stimulator for fetal and neonatal magnetoencephalography ［J］.PhysiologicalMeasure-ment，2009，30(1)：1-10.

［8］SPIGULIS J，PFAFRODS D.Clinical potential of the side-glowing optical fibers［C］//SPIE.Specialty Fiber Optics for Biomedical and Industrial Applications.San Jose，1997，2977：84-88.

［9］陳圓圓，楊斌，金子敏.可控發(fā)光織物的研制及其亮度表征［J］.紡織學(xué)報，2008，29(8)：38-41.CHEN Yuanyuan，YANG Bin，JIN Zimin.Manufacture of controllable luminous fabric and characterization of the luminance［J］.Journal of Textile Research，2008，29(8)：38-41.

［10］陳圓圓，俞玲玲，楊斌，等.一種新型織物：發(fā)光織物的研制［J］.絲綢，2007(5)：19-21.CHEN Yuanyuan，YU Lingling，YANG Bin，et al.Research on a new type of fabric：a luminous fabric［J］.Silk Monthly，2007(5)：19-21.

［11］CHOg.Smart Clothing： Technology and Applications［M］.London：CRC，2009：126-129.

［12］武睿，金子敏，陸浩杰，等.圖案色彩可變換的光纖織物［J］.紡織學(xué)報，2010，31(12)：43-46，52.WU Rui，JIN Zimin，LU Haojie，et al.Development of optical fiber fabric with pattern color changeable［J］.Journal of Textile Research，2010，31(12)：43-46，52.