稀土夜光纤维的开发与应用

2010-11-03

 
  稀土夜光纤维是指利用稀土材料为发光体,经过特种纺丝工艺制成的具有夜间发光性能的纤维。该纤维只要吸收任何可见光10分钟,便能将光能蓄贮于纤维之中, 在黑暗状态下持续发光10小时以上,且可无限次循环使用。在没有可见光的条件下,该纤维本身能发出各种色彩的光,如红光、黄光、蓝光、绿光等。稀土夜光纤 维是我国具有自主知识产权的新型纤维,该纤维在受光照射时捕集激发态电子,在停止照射后进行持续发光跃迁。稀土夜光纤维不仅色光绚丽多彩,而且最终产品可 以无需染色,不仅避免了染料对纤维发光性能的影响,同时也避免了染整工序产生的废水对环境的污染。这种夜光纤维材料不仅可以用于纺织,而且还有很多其它的 用途,人们可以以它为载体,利用太阳光这个清洁、无公害、符合环保和可持续性发展的能源,所制得的产品广泛应用于纺织服装、航空航海、国防工业、建筑装 璜、交通运输、夜间作业、日常生活及娱乐休闲等领域。

夜光材料的历史变迁
  夜明珠是传说中能在夜间闪耀发光、价值昂贵且十分稀罕的天然珍宝,千百年来,人们试图揭开夜明珠夜间发光的谜底,有人说是能发出磷光的萤石,有人 说是自然发光的巨粒金刚石,人们对夜间自然发光的现象有一种本能的好奇,并产生一致的崇拜。早在宋代太宗年间,就有过不可思议的牛画的记载。说的是该画在 白天看不到牛,但到夜晚却发现有牛静卧。究其原因是此画中的牛乃日本人用牡蛎制颜料所画。在1764年英国也有过用牡蛎壳与硫磺混合烧制发蓝白色光物质的 报道。西方最早记载夜光物质是1600年左右,意大利渡洛尼亚鞋店经营的商品上镶入的宝石。该宝石由矿石与炭一起煅烧而成,在黑暗中可以发光,当时十分珍 贵。日本最早工业化生产夜光涂料的是藤木显文,1922年,他首先从德国进口夜光涂料。1929年他创立日本夜光涂料制造所,开始夜光涂料的国产化。

  近100年来,随着各种夜光涂料(荧光体)相继开发成功且性能大为改进,使得夜光涂料逐渐实现了工业化和推广应用。这种发光材料能够吸收日光或灯 光,并将所吸光能"储存"起来,当光源停止照射时,又将所吸收的光能释放出来。如果把早期的掺有少量放射性元素的发光材料称为第一代产品的话,则20世纪 80年代以后逐步开发研究的非放射性发光材料可称为第二代产品(俗称夜光粉),它们大都属于金属硫化物产品,化学性能不稳定,一般均须后处理以防产品分解 或反应变质,而且产品发光亮度和延续时间都不理想。当今的产品已进入了第三代,这是自90年代以后,逐步开发的以碱土金属铝酸盐为基质的新一代长余辉发光 材料,也称之为稀土发光材料,其发光亮度和延续时间比第一、二代产品高出l0倍以上。

稀土夜光纤维的发光原理
  夜光材料分为自发光型和蓄光型两类,自发光型夜光材料的基本成分为放射性材料,不需要从外部吸收能量,无论黑夜或白天都可持续发光。但是因为含有 放射性物质,不符合环境保护的要求,所以在使用时受到比较大的限制,废弃后的处理也是一大问题。蓄光型夜光材料为硫化锌发光材料,以及最近发展较快的稀土 铝酸盐系列发光材料。稀土铝酸盐发光材料具有发光时间长、亮度高、无毒无害无放射性、化学性能较稳定等优点,其发光性能明显优于硫化锌。就分子结构而言, 稀土元素具有丰富的电子能级,可以产生多种能级间的跃迁,当可见光照射稀土离子时,电子从基态或下能级跃迁至上能级,发生光的吸收,将光能储存于纤维之 中。没有可见光时,电子从激发态上能级跃迁至下能级或基态,产生光的发射,将储存于纤维之中的能量释放出来。稀土离子跃迁能级间的能量差不同,就能发出不 同颜色的光。利用光色合成原理将三元色(红、黄、蓝)色光进行一定方式的组合,从而形成色泽丰富、绚丽多彩的效果。选用铝酸盐系列夜光材料作为夜光纤维或 织物的整理材料,是因为其可充分利用日间的可见光,将太阳能存储于其中,并在夜间释放出来,工作时不再需要直接的照射光源,从而节约大量的电能.


稀土夜光材料的特性比较
  稀土蓄光材料主要有硫化物体系和碱土金属铝酸盐体系两大类,其中硫化物体系以硫化物为基质,添加稀土元素铕(Eu )作为激活剂,并添加镝 (Dy )或铒(Er)等中重稀土作附助激活剂,也有添加铜(Cu )等非稀土金属作附助激活剂,其亮度和余辉时间是传统的硫化物类夜光粉的几倍,但它们 具有一般硫化物类荧光粉的耐候性差的缺点。而碱土金属铝酸盐体系蓄光材料主要是稀土铕(Eu )的铝酸盐荧光体系列,以铝酸锶或铝酸钙为基质,添加稀土元 素铕(Eu)作为激活剂,并添加镝(Dy )或钕(Nd)等中重稀士作附助激活剂,发射光从蓝到绿,具有发光亮度高、余辉时间长、化学性质稳定,耐高温等 优点。
  新型稀土蓄光性材料与传统硫化物荧光体蓄光性材料的发光特性相比,其余辉强度和余辉时间均为传统材料的1O倍以上,余辉时间超过10小时,因此新型稀土蓄光性材料有白昼蓄光、夜间发射残光的长期循环蓄光的性能,因而有着更广泛的用途。

夜光粉末涂料的研制
  夜光粉末涂料经常接受太阳光或人造光的照射,因此通常选用耐久性好、耐光性优异、紫外线穿透率高的饱和聚酯树脂、聚氨酯树酯或丙烯酸树脂。夜光颜 料可直接影响夜光涂料的发光时间和发光效果,故选择一种发光强度大、耐光性优、余辉时间长的颜料,可选择碱土金属铝酸盐夜光颜料,这比硫化物夜光颜料要 好。制备夜光型粉末涂料有两种工艺方法,方法一是将树脂、固化剂、颜填料、流平剂、其它添加剂和夜光颜料一起放入搅拌机高速分散混合均匀,然后经熔融挤 出、压片、冷却、粉碎、过筛后即得到夜光型粉末涂料。方法二是将树脂、固化剂、颜填料、流平剂、其它添加剂放人搅拌机混合,经熔融挤出、压片、冷却、粉 碎、过筛制得底粉,再掺人一定比例的夜光颜料,制得夜光型粉末涂料。方法二制得的粉末涂料具有发光亮度大,余辉时间长的特点,其原因是方法一制得的粉末涂 料是由于夜光颜料先加入,在熔融挤出高速剪切力的作用下,破坏了夜光颜料本身的特性,故其余辉时间、发光效果等均较差。实践证明,夜光颜料的用量为8% ~10%时,其涂膜发光效果好且不影响涂膜外观和涂膜性能,尤其当底粉颜色为白色或浅色时,发光效果更佳。
纤维或织物的夜光整理
  将夜光材料与整理助剂按一定比例配制成不同浓度的整理溶液,将纤维或织物浸入其中,保持温度98℃,l0分钟后取出,经过水洗等后处理,去除附着 在表面的整理液,然后干燥。对整理好的纤维或织物进行发光性能测试,发现在黑暗中连续发光10小时后,纤维或织物仍然保持一定的发光亮度。将整理后的纤维 或织物放人洗衣机中,经50次洗涤后仍能保持发光亮度的60%,其原因是经整理后,一部分夜光材料已经渗透进纤维中形成稳定的结构,水洗后这些夜光材料不 会脱落。目前,基本上不受水洗影响的稀土铝酸盐夜光纤维已经研制出来。将整理后的纤维或织物用分散型染料进行高温高压染色,并对其进行发光性能测试,发现 随染液浓度降低,发光亮度升高,其光亮强度按黄>蓝>红>黑的顺序递减。用色彩明亮度较高的染料染色,其发光效果减弱较少。这是由于染 色时,染料分子会从外部进入纤维体,从而遮盖一部分发光微粒,使其吸收、释放光能的过程不能顺利进行,当染液浓度增加时,遮盖夜光微粒的染料微粒也增加, 从而降低了夜光微粒的作用。由于色调浅的染料反射光线的能力强,有助于夜光粉的吸光一蓄光一发光过程,随着染料明亮度的增加,夜光效果也得到提高。

夜光纤维的纺纱工艺
  夜光纤维纺纱工艺流程包括清花、梳棉、并条、粗纱、细纱、自动络筒等工序。在清花工序,因为夜光纤维密度较小、纤维蓬松,抓棉机应做到勤抓、少 抓、抓细、抓匀,针对夜光纤维弹性好、表面较光滑、在成卷退绕时容易造成粘卷现象,必须采取防粘措施,花卷定量应偏小设计,花卷不宜设计太长,花卷的重量 偏差应控制在±2%之内,以确保正卷。
在梳棉工序,因为夜光纤维的传热性及导电性能较差,摩擦系数较大,所以纤维在梳理过程中容易充塞针布,缠绕锡林、刺辊,棉网容易漂浮、破边,也容 易堵塞斜管,应采用低速、轻定量、快转移、少伤纤维、多排疵点的工艺。夜光纤维在纤维梳理时容易产生静电,造成纤维转移困难,增加棉结,因此必须使针齿对 纤维有充分的梳理度,使单纤维保持完好。
  在并条工序,应掌握总牵伸倍数的选配不宜太大,主牵伸区罗拉隔距以偏小掌握为宜。并条的定量不宜太大,以防止喇叭口堵塞。在粗纱工序,因夜光纤维 长度整齐度较好,主牵伸区罗拉隔距可适当放大,粗纱伸长率应偏小控制,以减少意外牵伸,避免条干恶化。在细纱工序,要严格控制锭间差异,以确保夜光纤维质 量均一。在自动络筒工序,要选好捻接参数,确保接头质量,控制好张力,保持通道光洁,减少毛羽产生,并控制好车间温湿度。

夜光织物的印花工艺
  在夜光印花中,将夜光粉、粘合剂、增稠剂等配成夜光浆,由于夜光粉呈颗粒状,网且选择6O~80目,使夜光浆具有较好的透网性,以保证有足够的夜 光浆堆积在织物表面。由于夜光粉硬度较大,夜光浆在圆网内高速转动,与金属磁棒、金属锦网网壁不断摩擦,产生灰条,解决的办法是减少夜光浆在圆网内的时 间,减轻夜光浆与磁棒、网壁的摩擦,从而保证夜光浆的亮度和色泽。为此,降低网内色浆的液位即可达此目的,并提高夜光浆的利用率。
  夜光印花布的底色最好是白色、黄色、或浅蓝色,其中以白色的夜间发光效果最好。此外,必须注意设计印花工艺时夜光浆不宜与其他色相互相叠印,凡是叠印处往往会产生不同程度的遮光及消光作用,使夜光度受到影响,因此夜光印花部分要与其他色彩脱开。
  夜光印花工艺流程为待印半制品一印花一焙烘一柔软拉幅,夜光印花浆印制于织物后,经固色处理,其牢度较好,无论皂洗或对布面进行重新拉毛处理,其 夜光效果均无较大影响。夜光织物成品具有良好的视觉效果,每当夜幕来临,夜光印花织物犹如黑夜中的星星在闪烁,为人们的观赏、穿着增添了无限的情趣。只要 设计的图案丰富多彩,形象生动,夜光印花部分在整个布面上有画龙点睛之妙,赋予图案奇彩异动的感觉。
夜光材料的部分生产厂家
  日本东京的Nemoto公司生产的夜光涂料,由高品位氧化铝和稀土元素在1300℃左右的高温下煅烧而成;英国伦敦日用化工颜料公司生产的夜光涂 料,在白天吸足光能,到晚上尽情释放;法国Monoplc涂料公司推出的变色夜光涂料,不仅在夜间发光,而且可以随温度变化而改变颜色;日本恒和化学公司 研制的蓄光型夜光涂料,化学稳定性好,耐水性优异。
  我国大连新技术研究所推出的夜光涂料,已形成四大系列产品;辽宁商业研究院与湖南株洲高新技术发光材料厂共同研制的发光涂料,有三大系列、五个品 种和五种颜色;北京理工大学研制成功的发光涂料,已在武汉江南新型发光材料厂等地投产和推广应用;此外,山东莱阳和平集团亚力美涂料公司、西北油漆厂涂料 研究所、四川泸州专利实业开发公司、江苏常州化工技术开发公司、江苏海门建筑材料厂、江苏武进恒辉特种发光材料厂等单位,也相继研制和推出各种新型蓄光颜 料和蓄光涂料;还有郑州红宇实业公司与南召云阳镇工艺建材厂共同开发的198型反光发光涂料,集反光、发光性能于一身;民进中央社会服务部下属北京永倩利 华发展公司开发的隐形变色发光涂料,集隐形、变色、发光三种功能于一体。
  关于蓄光型树脂的研制开发,有如北京新三海特种材料公司推出的新型发光树脂。该树脂受到日光或灯光激发后,可以长达12小时以上持续发光,亮度是 荧光或磷光材料的数十倍;关于稀土夜光纤维的开发,有无锡宏源化纤实验厂与江南大学合作,对稀土铝酸盐夜光丝进行了研制,已投入工业化生产,该夜光丝已申 请专利。

稀土夜光纤维或织物应用前景广阔
  稀土夜光纤维或织物可广泛应用于纺织服装、建筑装潢、交通运输、航空航海、夜间作业、消防应急、日常生活及娱乐休闲等领域。在夜间行驶时,夜光织 物制成的标记物可以给驾驶员发出信号,避免交通事故。电影开映后由于影院中一片漆黑,给寻找座位带来不便,用夜光织物做成的引导标记和夜光服装不仅可以引 导寻找座位,还可以使人们在发生危险时有秩序地脱离险地,以免相互踩踏致伤。在玩具制作方面,可以制作发光毛绒玩具,吸引儿童的目光,或作为节日的礼品、 私家车上的装饰。在夜间军事训练的降落伞上使用夜光织物,可以使训练人员更安全。在漆黑的地下矿井中,发光服装便于矿工们相互联络,免遭事故。在消防设 施、器材的制造时,添加一定面积的夜光织物,即使火灾时浓烟滚滚或比较黑暗,人们也可以根据消防人员和消防器材的标志,迅速作出反应,达到自救和被救的目 的。将发光涂料或夜光纤维设计在鱼杆上或做成鱼标,夜钓时可推开水边的黑暗,引来鱼儿无数。稀土夜光纤维或织物的应用前景可谓是前途无量!
 
 
 

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