李 映，張文強，劉傳生

(1.中國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實驗室，江蘇儀征 211900)

20世紀80年代，人們從天然纖維材料中得到啟發(fā)，研究的重點開始從單一的合成纖維向差別化的新合纖方向發(fā)生轉變，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］。

隨著經濟的飛速發(fā)展，人們對紡織品的功能個性化、復合化的要求不斷提高，尤其在服用方面，織物的光學性能扮演著越來越重要的角色，這直接關系著日常衣物的美觀和防護性等。在夏季，淺色輕薄的服裝受到人們的追捧，但輕盈飄逸的時尚美往往存在暴露內衣和人體輪廓的缺點。另外，泳裝是夏季必不可少的運動服裝，但普通的面料在浸水和拉伸后透明度大大增加，即使面料的顏色設計再花哨，也無法避免不能遮光的尷尬。不僅在服用領域防透明問題日益突出，在裝飾領域以及軍用領域視覺遮蔽也存在巨大的需求。如舞臺道具和服裝的透光效果、汽車窗簾的單項透視性能、軍事上屏蔽網的偽裝能力等。隨著生活需求的不斷提高，紡織品的光學遮蔽性正逐漸成為人們日常基本需求之一。結合異形纖維和遮光技術，遮光織物的新產品應運而生。

1 異形聚酯纖維及織物的光學原理及影響因素

1.1 織物遮蔽性的光學原理

紡織品是一個具有纖維、紗線和織物3個不同層次結構的纖維集合體，其加工和結構的改變都會使其光學性能產生改變，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，所以當光線穿透纖維時應服從朗伯－比爾定律［2］，但是不論是紗線織造而成針織物、機織物亦或是由纖維直接形成的非織造布，其內部都不同程度地存在著空隙。當光線照射織物時，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。由于織物結構的復雜性，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)內在因素，包括纖維結構、纖維內部添加粉體的消光性能、織物的結構、厚度等;b)外在因素，包括環(huán)境照明條件、面料濕潤程度等。

1.2.1 內在因素

在纖維結構方面，纖維內部的均勻性、細度、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構時，增加了纖維對光線的反射界面;當單纖維為超細絲時，捻合的細纖維之間同樣增加了光線的反射機會［5－6］，這些結構都會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比，測試其對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，有較好的消光效果。而且不同粒徑的粉體，對不同入射波長有特定的散射作用［9］。另外，在纖維中混合高吸收率的粉體，如炭黑，也會增強纖維的遮光性能。

在織物結構方面，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，對光線實施有效的反射，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，對入射和出射光線吸收比例會越高，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系變成了水與纖維的折射關系，導致了透射率的變化，從而使織物的遮蔽效果下降。

當環(huán)境照明的布置方式偏重于對觀察者施加強光照射，而對織物部位則照射光線較弱時，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 遮光性織物的生產方法和研發(fā)進展

目前，國外一些發(fā)達國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)遮光纖維產品方面發(fā)展最快，無論是從數(shù)量還是質量上都已發(fā)展到相當?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了大量的研發(fā)產品專利，部分遮光性能優(yōu)良的產品已經實現(xiàn)了工業(yè)化生產。實現(xiàn)織物防透視效果可以從纖維、紗線和織物3個層次進行加工，其方法主要包括纖維特殊截面的設計合成、相關助劑粒子的選擇添加，以及織物結構參數(shù)設置和涂層、涂料印花的改進［15］。

2.1 纖維層面

纖維的結構均勻性和粗細程度是改變光線反射界面的一個主要因素，而橫截面又會影響光線的出射方向，導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技術有微纖維、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現(xiàn)較多的反射和散射或吸收，減少了對可見光的透射，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)并添加質量百分比0.2%的二氧化鈦來達到纖維良好的不透明性，通過在纖維內部添加無機微粒，可以增加光線在纖維內部的反射界面，弱化光線攜帶信息，增強信號干擾，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合聚酯纖維，該皮芯纖維采用三角形截面，其芯層中添加質量分數(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，在網球服、游泳衣、緊身衫褲和內衣等領域得到了廣泛應用。

圖1 異形截面結構

近幾年，國內的施楣梧等［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合紡絲制成，外組分形態(tài)呈不規(guī)則形狀(見圖2(a))，內組分截面設計成16個界面(見圖2(b)中白色部分)，增強對光的反射。該技術已用于中國海軍服中，其中的水兵服和外穿襯衣面料采用皮芯結構滌綸纖維，皮芯層添加了不同折射率和不同含量的超細粉體，皮絲柔軟、芯絲剛挺，達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不透明纖維。日本的Shimada Koujirou等［21］介紹了一種皮芯結構的復合纖維，其皮層采用獨特的異形截面形態(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域。其后，美國的 Hersehel Sternlieb［22－23］研發(fā)出的防透明皮芯復合纖維，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 特殊紗線或織物結構

在生產不透明紡織品時，除了增加織物的緊度和厚度、改變織物顏色等方法外，也會采用特殊紗線或織物結構來進行設計生產。如Sonisamu等［24］研制了一種高強、良好防透明性和柔軟手感織物的生產方法，其特征在于緯紗是通過噴氣交纏加捻生產的皮芯復合紗，其芯絲和皮絲的細度比為(0.3～4)∶1，復合紗的細度在20～80 dtex之間，斷裂伸長率大于等于 10%。此外，Yanagihara Masaaki等［25－26］在其兩項專利中介紹了添加遮光助劑的異形聚酯纖維在經過假捻變形加工成長絲紗后，在兼具吸濕速干、柔軟手感以及低的透氣性的同時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構，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不透明紡織品時，一般會結合防透明纖維和后處理技術共同應用。

1996年，日本東麗公司推出一款白色泳裝面料的新產品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，多界面星形結構大大增加了纖維對任意方向上光的反射率和散射程度。另外，為適應泳衣的特殊性，在織物設計上采用了三層結構針織面料，把不透明錦綸纖維織入第1層和第3層，即使面料受到強烈的拉伸時，第3層的不透明部分也可以達到遮光效果［27］。

2.3 后整理法

采用后整理方法生產具有良好遮蔽性能的紡織品時，主要是通過浸漬、浸軋、涂層等方式進行:即將不透明的整理劑或其它表面整理劑附加到所生產的紡織品上，其基體材料大多為機織物、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)點是技術簡單、易實施。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 織物遮蔽效果的評價方法

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

3.1 儀器測試

借助標準儀器進行遮蔽性測試，主要有白度儀法、分光光度計法、積分球法等［29－31］。

3.1.1 白度儀法

WSB-Ⅱ型d/o白度計用于白色和不同素色聚酯織物的白度值和透明度值的測試，這里引用了造紙行業(yè)樣品的藍光反射因數(shù)R457表示白度，來源于對紙漿漂白的測量，發(fā)現(xiàn)其反射因數(shù)變化率在457 nm左右最顯著，因而得到廣泛的應用。將白度計用黑筒和標準硫酸鋇校準，測量時每塊織物選取4個不同的點，計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—波長為457 nm藍光反射比(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—背襯為黑筒時的試樣綠光(550 nm

綠色光)漫反射因數(shù);

R∞—以標定白板(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試樣透明性的評價指標，而一般織物樣品存在紗線間的縫隙和孔洞，光線會通過縫隙和孔洞造成一定的透視和衍射干擾，所以只對縫隙孔洞少的特定織物有表征作用。

3.1.2 分光光度計法

使用可見光分光光度計，在380～780 nm可見光波長范圍內，每間隔一段距離測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式分別為:

式中:IR—被反射的輻射強度;

It—透射的輻射強度;

I0—從某標準表面反射回來的輻射強度。

3.1.3 積分球法

用積分球法可以測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 遮蓋清晰度評判

使用儀器進行織物遮光性的測試，結果穩(wěn)定，誤差小，但考慮到一般紡織廠并不具備這些測試設備，所以這類檢測方法的普及推廣性較弱。從描圖紙透明性能的檢測方法得到啟發(fā)，在標準D65光源下，以GB/T250－2008《紡織品色牢度試驗評定變色用灰色樣卡》規(guī)定的1級色差灰卡樣品為標準物質，將待測織物覆蓋其上，面料視覺遮蔽效果分為4級9檔，根據(jù)色差等級來評價。這種方法可簡便地對織物的視覺遮蔽性能進行定量檢測，且已經應用于海軍官兵的白色襯衣面料上，缺點是人為誤差較大，定量精度不夠準確［12］。

此外，在進行遮光性評價方法探索中，也有一些其他的測試方法，如人們將待測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，讓主觀評價人員根據(jù)被織物遮擋后橫紋暴露的清晰程度來評價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判斷評級樣卡上的字，通過對字的辨識確定相應等級，評級樣卡上的字通過字形大小和顏色深淺的搭配分為1～5級［33］。

4 遮光性纖維及織物的應用及發(fā)展前景

20世紀80年代，從全球范圍內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，日本防透視產品技術已經廣泛應用于運動服飾和防護紡織品中，而國內市場上研制開發(fā)成熟的防透視纖維技術首先應用在海軍夏服上，制成的淺色輕薄衣物實現(xiàn)了良好的防透效果。不僅如此，此特殊結構的復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用，并創(chuàng)造了良好的社會和經濟效益。據(jù)悉，國內的防透視面料還成功打開了中東市場，由于當?shù)氐难谉釟夂?，這種薄而不透的面料非常受當?shù)厝说臍g迎。

從消費需求和市場發(fā)展的趨勢分析，遮光纖維及其制品具有十分可觀的發(fā)展前景，其應用領域主要分3個方向:a)服裝服飾，其中包括軍隊、公安、高檢、高法等行業(yè)制服以及休閑運動服裝;b)裝飾紡織品，包括家用窗簾和汽車遮光簾布等;c)產業(yè)用紡織品領域，包括農用遮光網以及軍用屏蔽網等。這3個領域發(fā)展的重點是:異形遮光產品開發(fā)的系列化和專業(yè)化，并能夠簡化生產流程，降低生產成本，使產品從高檔化進一步實現(xiàn)大眾化，此外還可開拓纖維及制品在產業(yè)及土工用領域的應用。

5 結語

可見光的遮蔽性能是纖維光學性質的重要部分，因特殊異形纖維以及織物的加工繁雜性、產業(yè)導向不夠以及整個開發(fā)缺乏系統(tǒng)性，使得成功制成一種遮蔽性織物變得漫長且成本昂貴。需要強調的是，遮光織物的研究又是一個同時涉及物理光學、生理光學、心理學、材料科學等多學科交叉的復雜問題，技術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科的協(xié)同攻關和相關成熟的檢測技術以及標準化工作的同步發(fā)展。為此，遮蔽性產品的開發(fā)還需要投入更多的研究工作。

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