李 映，張文強(qiáng)，劉傳生

(1.中國(guó)石化儀征化纖股份有限公司研究院，江蘇儀征 211900;2.江蘇省高性能纖維重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇儀征 211900)

20世紀(jì)80年代，人們從天然纖維材料中得到啟發(fā)，研究的重點(diǎn)開始從單一的合成纖維向差別化的新合纖方向發(fā)生轉(zhuǎn)變，其中之一就是利用纖維形態(tài)的不同來發(fā)掘新的功能。自然界中，三角截面蠶絲纖維的閃亮光澤和絲質(zhì)手感讓科研者愛不釋手，其后，各種各樣截面的仿天然纖維材料被制造出來［1］。

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們對(duì)紡織品的功能個(gè)性化、復(fù)合化的要求不斷提高，尤其在服用方面，織物的光學(xué)性能扮演著越來越重要的角色，這直接關(guān)系著日常衣物的美觀和防護(hù)性等。在夏季，淺色輕薄的服裝受到人們的追捧，但輕盈飄逸的時(shí)尚美往往存在暴露內(nèi)衣和人體輪廓的缺點(diǎn)。另外，泳裝是夏季必不可少的運(yùn)動(dòng)服裝，但普通的面料在浸水和拉伸后透明度大大增加，即使面料的顏色設(shè)計(jì)再花哨，也無法避免不能遮光的尷尬。不僅在服用領(lǐng)域防透明問題日益突出，在裝飾領(lǐng)域以及軍用領(lǐng)域視覺遮蔽也存在巨大的需求。如舞臺(tái)道具和服裝的透光效果、汽車窗簾的單項(xiàng)透視性能、軍事上屏蔽網(wǎng)的偽裝能力等。隨著生活需求的不斷提高，紡織品的光學(xué)遮蔽性正逐漸成為人們?nèi)粘；拘枨笾弧＝Y(jié)合異形纖維和遮光技術(shù)，遮光織物的新產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生。

1 異形聚酯纖維及織物的光學(xué)原理及影響因素

1.1 織物遮蔽性的光學(xué)原理

紡織品是一個(gè)具有纖維、紗線和織物3個(gè)不同層次結(jié)構(gòu)的纖維集合體，其加工和結(jié)構(gòu)的改變都會(huì)使其光學(xué)性能產(chǎn)生改變，并且異于其組成的纖維材料。從理論上講，紡織纖維近似為光線的透明體，所以當(dāng)光線穿透纖維時(shí)應(yīng)服從朗伯－比爾定律［2］，但是不論是紗線織造而成針織物、機(jī)織物亦或是由纖維直接形成的非織造布，其內(nèi)部都不同程度地存在著空隙。當(dāng)光線照射織物時(shí)，一部分發(fā)生反射，一部分被織物吸收，還有一部分發(fā)生透射，其透射光分為兩種形式:a)從纖維和紗線中透射而出;b)直接從孔洞或空隙中透射而出。由于織物結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，織物的透射光量和入射光量之間并不完全符合朗伯－ 比爾定律［3－4］。

1.2 影響因素

影響織物遮蔽效果的因素主要有:a)內(nèi)在因素，包括纖維結(jié)構(gòu)、纖維內(nèi)部添加粉體的消光性能、織物的結(jié)構(gòu)、厚度等;b)外在因素，包括環(huán)境照明條件、面料濕潤(rùn)程度等。

1.2.1 內(nèi)在因素

在纖維結(jié)構(gòu)方面，纖維內(nèi)部的均勻性、細(xì)度、截面形狀是影響反射率的重要因素。在纖維具有大量微孔或異收縮結(jié)構(gòu)時(shí)，增加了纖維對(duì)光線的反射界面;當(dāng)單纖維為超細(xì)絲時(shí)，捻合的細(xì)纖維之間同樣增加了光線的反射機(jī)會(huì)［5－6］，這些結(jié)構(gòu)都會(huì)使纖維的遮光性提高。將圓形截面纖維和典型的三葉形、四葉形等截面纖維作對(duì)比，測(cè)試其對(duì)平行光線透射率的影響，可以發(fā)現(xiàn)截面異形度越高，折射光方向變化的頻率越高，入射光線的透射率越低，遮光性越好［7－8］。

此外，從Mie散射理論可知，添加粉體的折射率與纖維基材折射率相差較大時(shí)，有較好的消光效果。而且不同粒徑的粉體，對(duì)不同入射波長(zhǎng)有特定的散射作用［9］。另外，在纖維中混合高吸收率的粉體，如炭黑，也會(huì)增強(qiáng)纖維的遮光性能。

在織物結(jié)構(gòu)方面，首先織物要有較高的緊度和覆蓋系數(shù)，紗線之間縫隙和孔洞越小，織物層與層之間的孔洞越不直通，越能減少對(duì)光線的直接透過率［10］。其次，如果在織物表面涂覆具有高反射率的金屬涂層，對(duì)光線實(shí)施有效的反射，也可以獲得很好的遮蔽效果［11］。

織物的顏色和厚度也是影響遮蔽性的重要因素，顏色越深，對(duì)入射和出射光線吸收比例會(huì)越高，防透效果越好。增加厚度，即增加光線在織物組織之間的反射層次，也有利于防透。

1.2.2 外在因素

紡織材料在浸濕時(shí)的透明度是很高的，由于水分覆蓋了纖維的表面，使原來空氣與纖維的折射關(guān)系變成了水與纖維的折射關(guān)系，導(dǎo)致了透射率的變化，從而使織物的遮蔽效果下降。

當(dāng)環(huán)境照明的布置方式偏重于對(duì)觀察者施加強(qiáng)光照射，而對(duì)織物部位則照射光線較弱時(shí)，有較好的遮蔽效果。除此之外，影響織物遮光性的因素還有人眼的視覺規(guī)律等方面，例如，觀察者需擁有正常視力和判斷能力等［12－14］。

2 遮光性織物的生產(chǎn)方法和研發(fā)進(jìn)展

目前，國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家在防透明纖維和紡織品開發(fā)上已獲得較大的發(fā)展，尤其是日本，在開發(fā)遮光纖維產(chǎn)品方面發(fā)展最快，無論是從數(shù)量還是質(zhì)量上都已發(fā)展到相當(dāng)?shù)某墒於?，其中日本的東麗、三菱人造絲等著名紡織品公司申請(qǐng)了大量的研發(fā)產(chǎn)品專利，部分遮光性能優(yōu)良的產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。實(shí)現(xiàn)織物防透視效果可以從纖維、紗線和織物3個(gè)層次進(jìn)行加工，其方法主要包括纖維特殊截面的設(shè)計(jì)合成、相關(guān)助劑粒子的選擇添加，以及織物結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置和涂層、涂料印花的改進(jìn)［15］。

2.1 纖維層面

纖維的結(jié)構(gòu)均勻性和粗細(xì)程度是改變光線反射界面的一個(gè)主要因素，而橫截面又會(huì)影響光線的出射方向，導(dǎo)致光線攜帶信息畸變的增加［16］。早期的不透明纖維的主要生產(chǎn)技術(shù)有微纖維、異形纖維截面、纖維表面多孔化和粗糙化等。后期，研發(fā)了具有多界面的異形纖維或復(fù)合纖維，添加了高折射率的粉體，使照射在纖維表面的光線實(shí)現(xiàn)較多的反射和散射或吸收，減少了對(duì)可見光的透射，增加了遮光效果。

目前不透明纖維研究中添加的無機(jī)微粒主要有二氧化鈦、氧化鋁、碳酸鈣、氧化鋅或其混合物等，而在生產(chǎn)中最常采用的為二氧化鈦粒子［17］。Minato Shuji［18］采用特殊截面(見圖1)并添加質(zhì)量百分比0.2%的二氧化鈦來達(dá)到纖維良好的不透明性，通過在纖維內(nèi)部添加無機(jī)微粒，可以增加光線在纖維內(nèi)部的反射界面，弱化光線攜帶信息，增強(qiáng)信號(hào)干擾，能更好地提高織物的遮蔽性能。Terao Hideyasu［19］則介紹了另一種防透光皮芯復(fù)合聚酯纖維，該皮芯纖維采用三角形截面，其芯層中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10% ～25%的平均直徑小于等于1.0 μm的遮光粒子，該皮芯聚酯纖維具有良好的不透明性，在網(wǎng)球服、游泳衣、緊身衫褲和內(nèi)衣等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

圖1 異形截面結(jié)構(gòu)

近幾年，國(guó)內(nèi)的施楣梧等［20］成功研制了防透明聚酯纖維，其纖維由兩種添加不同含量高折射率粉體的聚酯組分復(fù)合紡絲制成，外組分形態(tài)呈不規(guī)則形狀(見圖2(a))，內(nèi)組分截面設(shè)計(jì)成16個(gè)界面(見圖2(b)中白色部分)，增強(qiáng)對(duì)光的反射。該技術(shù)已用于中國(guó)海軍服中，其中的水兵服和外穿襯衣面料采用皮芯結(jié)構(gòu)滌綸纖維，皮芯層添加了不同折射率和不同含量的超細(xì)粉體，皮絲柔軟、芯絲剛挺，達(dá)到了舒適且防透視的多重效果。

除此之外，人們還嘗試使用碳黑良好的光吸收性能來生產(chǎn)不透明纖維。日本的Shimada Koujirou等［21］介紹了一種皮芯結(jié)構(gòu)的復(fù)合纖維，其皮層采用獨(dú)特的異形截面形態(tài)提高光散射，芯層添加碳黑來提高光吸收，此種纖維可用于服裝領(lǐng)域。其后，美國(guó)的 Hersehel Sternlieb［22－23］研發(fā)出的防透明皮芯復(fù)合纖維，皮層添加增白顏料，芯層添加碳黑粒子來增加纖維的遮光性。

2.2 特殊紗線或織物結(jié)構(gòu)

在生產(chǎn)不透明紡織品時(shí)，除了增加織物的緊度和厚度、改變織物顏色等方法外，也會(huì)采用特殊紗線或織物結(jié)構(gòu)來進(jìn)行設(shè)計(jì)生產(chǎn)。如Sonisamu等［24］研制了一種高強(qiáng)、良好防透明性和柔軟手感織物的生產(chǎn)方法，其特征在于緯紗是通過噴氣交纏加捻生產(chǎn)的皮芯復(fù)合紗，其芯絲和皮絲的細(xì)度比為(0.3～4)∶1，復(fù)合紗的細(xì)度在20～80 dtex之間，斷裂伸長(zhǎng)率大于等于 10%。此外，Yanagihara Masaaki等［25－26］在其兩項(xiàng)專利中介紹了添加遮光助劑的異形聚酯纖維在經(jīng)過假捻變形加工成長(zhǎng)絲紗后，在兼具吸濕速干、柔軟手感以及低的透氣性的同時(shí)保證紗線的防透明效果。

圖2 纖維橫截面及截面上兩組分的界面

織物視覺遮蔽性的影響因素很多，然而僅僅采用特殊的紗線和織物結(jié)構(gòu)，在一些淺色、輕薄、緊密度低的織物中，其不透明度還是無法保證，所以采用此種方式生產(chǎn)不透明紡織品時(shí)，一般會(huì)結(jié)合防透明纖維和后處理技術(shù)共同應(yīng)用。

1996年，日本東麗公司推出一款白色泳裝面料的新產(chǎn)品Potensul，解決了白色泳衣浸水和受拉伸后更透明的問題。這種面料纖維中央采用添加不透明氧化鈦粒子的星形斷面錦綸材料，外層則采用耐氯性良好的透明氨綸材料，如圖3、4所示。與普通圓形界面相比，多界面星形結(jié)構(gòu)大大增加了纖維對(duì)任意方向上光的反射率和散射程度。另外，為適應(yīng)泳衣的特殊性，在織物設(shè)計(jì)上采用了三層結(jié)構(gòu)針織面料，把不透明錦綸纖維織入第1層和第3層，即使面料受到強(qiáng)烈的拉伸時(shí)，第3層的不透明部分也可以達(dá)到遮光效果［27］。

2.3 后整理法

采用后整理方法生產(chǎn)具有良好遮蔽性能的紡織品時(shí)，主要是通過浸漬、浸軋、涂層等方式進(jìn)行:即將不透明的整理劑或其它表面整理劑附加到所生產(chǎn)的紡織品上，其基體材料大多為機(jī)織物、針織物、非織造布、紗線和纖維等，整理劑也大多為含有消光微粒(如二氧化鈦、氧化鋁、氧化鈣等)和黏合劑的溶液，其優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)簡(jiǎn)單、易實(shí)施。但一般由該法制得的纖維或織物的遮蔽持久性及耐洗滌性較差，同時(shí)存在一定的環(huán)境污染問題。

圖3 原絲纖維的截面形態(tài)

圖4 纖維截面遮光原理

3 織物遮蔽效果的評(píng)價(jià)方法

目前，對(duì)于織物遮光性的評(píng)價(jià)方法沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，多借鑒于塑料、紙張、涂料的測(cè)試方法。一般可分為客觀的儀器測(cè)試和主觀的遮蓋清晰度的評(píng)判兩種方法，主要的測(cè)試指標(biāo)有白度、透光率、透明度/不透明度、霧度、能見度等［28］。

3.1 儀器測(cè)試

借助標(biāo)準(zhǔn)儀器進(jìn)行遮蔽性測(cè)試，主要有白度儀法、分光光度計(jì)法、積分球法等［29－31］。

3.1.1 白度儀法

WSB-Ⅱ型d/o白度計(jì)用于白色和不同素色聚酯織物的白度值和透明度值的測(cè)試，這里引用了造紙行業(yè)樣品的藍(lán)光反射因數(shù)R457表示白度，來源于對(duì)紙漿漂白的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)其反射因數(shù)變化率在457 nm左右最顯著，因而得到廣泛的應(yīng)用。將白度計(jì)用黑筒和標(biāo)準(zhǔn)硫酸鋇校準(zhǔn)，測(cè)量時(shí)每塊織物選取4個(gè)不同的點(diǎn)，計(jì)算取平均值的每塊織物的R457的白度值。即白度:

式中，W—白度;R457—波長(zhǎng)為457 nm藍(lán)光反射比(反射因數(shù))。

WSB-Ⅱ型d/o白度儀所定義的透明度值T為

不透明度值O(%)為

式中，R0—背襯為黑筒時(shí)的試樣綠光(550 nm

綠色光)漫反射因數(shù);

R∞—以標(biāo)定白板(相同試樣)為襯底的

綠光漫反射因數(shù);

Ry—背襯為(Ry=84% ±2)的白板時(shí)單層紙樣(試樣)的綠光漫反射因數(shù)。

這一種方法廣泛用于單張紙張?jiān)嚇油该餍缘脑u(píng)價(jià)指標(biāo)，而一般織物樣品存在紗線間的縫隙和孔洞，光線會(huì)通過縫隙和孔洞造成一定的透視和衍射干擾，所以只對(duì)縫隙孔洞少的特定織物有表征作用。

3.1.2 分光光度計(jì)法

使用可見光分光光度計(jì)，在380～780 nm可見光波長(zhǎng)范圍內(nèi)，每間隔一段距離測(cè)試織物透射率及反射率，取550 nm的透射率及可見光波段的平均透射率及反射率來分析織物的遮光性能。

透射率和反射率的表達(dá)式分別為:

式中:IR—被反射的輻射強(qiáng)度;

It—透射的輻射強(qiáng)度;

I0—從某標(biāo)準(zhǔn)表面反射回來的輻射強(qiáng)度。

3.1.3 積分球法

用積分球法可以測(cè)試試樣的霧度和透光率。使用試樣直徑為50 mm的圓片或50 mm×50 mm方片，遮蓋住積分球的入口窗，在檢流計(jì)上讀出光通量和散射光通量。

透光率指透過試樣的光通量與射到試樣上的光通量之比，表達(dá)式為:

式中，Tt—透光率;

T1—通過試樣的總透射光通量;T2—入射光通量。

霧度指透過試樣而偏離入射光方向的散射光通量與透射光通量之比，表達(dá)式為:

式中，H—霧度;

T1—通過試樣的總透射光通量;

T2—入射光通量;

T3—儀器的散射光通量;

T4—儀器和試樣的散射光通量。

3.2 遮蓋清晰度評(píng)判

使用儀器進(jìn)行織物遮光性的測(cè)試，結(jié)果穩(wěn)定，誤差小，但考慮到一般紡織廠并不具備這些測(cè)試設(shè)備，所以這類檢測(cè)方法的普及推廣性較弱。從描圖紙透明性能的檢測(cè)方法得到啟發(fā)，在標(biāo)準(zhǔn)D65光源下，以GB/T250－2008《紡織品色牢度試驗(yàn)評(píng)定變色用灰色樣卡》規(guī)定的1級(jí)色差灰卡樣品為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，將待測(cè)織物覆蓋其上，面料視覺遮蔽效果分為4級(jí)9檔，根據(jù)色差等級(jí)來評(píng)價(jià)。這種方法可簡(jiǎn)便地對(duì)織物的視覺遮蔽性能進(jìn)行定量檢測(cè)，且已經(jīng)應(yīng)用于海軍官兵的白色襯衣面料上，缺點(diǎn)是人為誤差較大，定量精度不夠準(zhǔn)確［12］。

此外，在進(jìn)行遮光性評(píng)價(jià)方法探索中，也有一些其他的測(cè)試方法，如人們將待測(cè)織物覆蓋在有相同白底黑色橫紋的底板上，在自然背光條件下，讓主觀評(píng)價(jià)人員根據(jù)被織物遮擋后橫紋暴露的清晰程度來評(píng)價(jià)織物的透明感或遮蔽性［32］。類似的方法還有觀察者在背向自然光條件下目測(cè)判斷評(píng)級(jí)樣卡上的字，通過對(duì)字的辨識(shí)確定相應(yīng)等級(jí)，評(píng)級(jí)樣卡上的字通過字形大小和顏色深淺的搭配分為1～5級(jí)［33］。

4 遮光性纖維及織物的應(yīng)用及發(fā)展前景

20世紀(jì)80年代，從全球范圍內(nèi)掀起的功能性纖維開發(fā)熱潮中，異形遮光纖維及織物的研究也在迅速發(fā)展。其纖維具有良好的遮光性能以外，本身還具有優(yōu)越的柔軟度、光澤度、蓬松度和透氣性以及吸濕快干等性能。

目前，日本防透視產(chǎn)品技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)服飾和防護(hù)紡織品中，而國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上研制開發(fā)成熟的防透視纖維技術(shù)首先應(yīng)用在海軍夏服上，制成的淺色輕薄衣物實(shí)現(xiàn)了良好的防透效果。不僅如此，此特殊結(jié)構(gòu)的復(fù)合性面料還兼顧了良好的舒適度、挺括性和易洗速干性能，現(xiàn)已得到廣泛的推廣和應(yīng)用，并創(chuàng)造了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)悉，國(guó)內(nèi)的防透視面料還成功打開了中東市場(chǎng)，由于當(dāng)?shù)氐难谉釟夂?，這種薄而不透的面料非常受當(dāng)?shù)厝说臍g迎。

從消費(fèi)需求和市場(chǎng)發(fā)展的趨勢(shì)分析，遮光纖維及其制品具有十分可觀的發(fā)展前景，其應(yīng)用領(lǐng)域主要分3個(gè)方向:a)服裝服飾，其中包括軍隊(duì)、公安、高檢、高法等行業(yè)制服以及休閑運(yùn)動(dòng)服裝;b)裝飾紡織品，包括家用窗簾和汽車遮光簾布等;c)產(chǎn)業(yè)用紡織品領(lǐng)域，包括農(nóng)用遮光網(wǎng)以及軍用屏蔽網(wǎng)等。這3個(gè)領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)是:異形遮光產(chǎn)品開發(fā)的系列化和專業(yè)化，并能夠簡(jiǎn)化生產(chǎn)流程，降低生產(chǎn)成本，使產(chǎn)品從高檔化進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)大眾化，此外還可開拓纖維及制品在產(chǎn)業(yè)及土工用領(lǐng)域的應(yīng)用。

5 結(jié)語(yǔ)

可見光的遮蔽性能是纖維光學(xué)性質(zhì)的重要部分，因特殊異形纖維以及織物的加工繁雜性、產(chǎn)業(yè)導(dǎo)向不夠以及整個(gè)開發(fā)缺乏系統(tǒng)性，使得成功制成一種遮蔽性織物變得漫長(zhǎng)且成本昂貴。需要強(qiáng)調(diào)的是，遮光織物的研究又是一個(gè)同時(shí)涉及物理光學(xué)、生理光學(xué)、心理學(xué)、材料科學(xué)等多學(xué)科交叉的復(fù)雜問題，技術(shù)含量和難度大大高于一般功能性紡織品的開發(fā)。綜上所述，遮蔽性的研究需要多學(xué)科的協(xié)同攻關(guān)和相關(guān)成熟的檢測(cè)技術(shù)以及標(biāo)準(zhǔn)化工作的同步發(fā)展。為此，遮蔽性產(chǎn)品的開發(fā)還需要投入更多的研究工作。

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