（纺织材料与纺织品设计专业论文）纺织品光学性能的表征与评价.pdf

摘要 纺织品的光学性能是其应用性能中重要的部分。随着科学技术的发展， 纺织材料得到了很大的发展。各种高性能材料的出现及应用领域的拓展，使 得对纺织材料光学性能的表征远非通常概念中的内容。目前大多数表征只是 对材料光学性能的某一方面，如光透射、或反射、或是吸收的表征，或者只 是研究材料在某一区段光谱，如紫外、或可见、或红外光谱的表征。而实际 应用中，这些特征和行为是同时发生和组合作用的。因此，本文对此做了一 定的研究。 本文在了解纺织材料光透射、反射、吸收性能，目前光学性能测试方法、 标准以及评价体系的基础上，采用紫# 1 4 可见近红外分光光度计测试了高性能 材料n o m e x 。和k e v l a r 西织物以及紫外线遮蔽剂整理前、后织物在2 4 0 2 5 0 0 n m 波段上的光透、反射以及吸收率。通过运用不同的数学及统计处理提 取了定性的差分曲线、求导曲线，定量的各波段积分面积值以及能量百分比 值、平均值、阻断率、整理效果、f 值、衰减系数以及分离空隙因素得到 的通过空隙直接透射率和通过纱线直接透射率等一系列不同指标。同时通过 理论推导得到光透射率t 与织物覆盖系数和覆盖系数与厚度乘积el 的理 论模型。 通过实验测量和表征，评价织物的光学特征，并得到以下的结论： 1 三种不同波段光中，n o m e x 回和k e v l a r 母织物对紫外光的透、反射最低， 其次是近红外区域，可见区域最高。三种光中，对紫外光的吸收最高， 其次是近红外，对可见光的吸收最低。 2 对于不同组织结构( 四枚破斜纹、变化组织、五枚二飞) 的n o m e x 织物， 变化组织结构整体波段上具有低透射、高反射、低吸收的性能，从光学 性能角度看比较适合于被作为光、热反射防护服材料。 3 经过p t f e 涂层整理后的n o m e x 织物，其整体光学性能明显提高。但是 经过硅橡胶涂层处理后织物的整体光学性能没有得到明显提高，反而有 降低的趋势。 4 比较n o m e x 与k e v l a r 织物：在紫外、可见区域，n o m e x 相对于k e v l a r 具有高透射、高反射以及低吸收的特点；在近红外区域，n o m e x 相对于 k e v l a r 具有低透射、高反射以及低吸收的性能。 5 n o m e x 织物在紫外区域的透射率主要取决于通过空隙直接透射的量，而 在可见区域则主要取决于通过纱线透射的量。在近红外区域透射率与两 者的相关性都不大。 6 按理论模型采用二元线性回归分别得到了n o m e x 织物对紫外、可见以及 近红外区域光的透射率与织物覆盖系数以及覆盖系数与厚度乘积的关系 式。 7 普通织物的颜色越深，透射率越低，屏蔽性越好，但是反射率则降低， 吸收率增加。普通织物的u p f 值明显低于国家规定紫外线防护的标准， 因此有必要对其进行防紫外线处理。 8 紫外线遮蔽剂整理后，屏蔽性明显提高，u p f 值增加，浓度越大增加量 越大。其主要通过吸收途径来达到屏蔽效果。屏蔽效果排列为：水溶性 二苯甲酮类 纳米氧化锌 二苯甲酮类 有机金属类；苯并三唑类 有机金 属+ 纳米氧化锌。其中二苯甲酮类和苯并三唑类都具有较好的光稳定性。 9 未染织物的光透射性受空隙影响程度较大，但是染色织物以及紫外线遮 蔽剂整理后织物由于受到染料和紫外线遮蔽剂的影响使得对紫外和可见 光的透射率并不取决于空隙率。但是在近红外区域对空隙率的依赖程度 要高于紫外和可见区域。 l o 按理论模型分别对防紫外线整理前后织物以及整理后织物进行线性回归 得到紫外、可见以及近红外区域光的透射率与织物覆盖系数和覆盖系数 与厚度乘积的关系式。为了增加样本容量，提高综合性，对全体试样数 据回归得到相关性较好的关系式。 关键词：光透射光反射光吸收纺织品光谱表征 c h a r a c t e r i z a t i o na n de v a l u a t i o no f t h e o p t i c a lp r o p e r t i e so ff a b r i c s a b s t r a c t t h eo p t i c a lp r o p e r t yi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp e r f o r m a n c e so ft h ef a b r i c s 懒t h e d e v e l o p m e n to f s c i e n c ea n d t e c h n o l o g y , t e x t i l em a t e r i a l sh a v ed e v e l o p e d l a r g e l y d u et ot h ed e v e l o p m e n to fd i f f e r e n tk i n d so fh i g hp e r f o r m a n c ef i b e ra n d t h ee x p e n d i n gi nt h eu s eo f t h et e x t i l em a t e r i a l s ，t h ec h a r a c t e r i z a t i o no f t h e o p t i c a l p r o p e r t i e so f t h et e x t i l em a t e r i a l si sb e c o m i n gm o r ed i f f i c u l tt of i n i s hb yu s u a l m e t h o d sw i t ht h ew a v e l e n g t ho fv i s i b l e l i g h t h o w e v e r , i t so n l yi n s i n g l e p r o p e r t i e so ri nal i m i t e ds p e c t r a lf f e q u e n c y ，t h eo p t i c a lp r o p e r t i e so ff a b r i c sa r e c h a r a c t e r i z c da t p r e s e n t ，s u c ha st r a n s m i t t a n c e ，o rr e f l e c t a n c e ，o ra b s o r p t i o n p r o p e r t i e s ，o r u l t r a v i o l e t r a d i a t i o n ，o r v i s i b l e l i g h t ，o r i n f r a r e d p r o p e r t i e s m e a s u r e m e n t i n f a c t ，w en e e d t oh a v et o t a lk n o w l e d g eo f t h e o p t i c a lp r o p e r t i e so f m a t e r i a l ，s os o m e r e s e a r c ha b o u tt h e mw a sd o n ei nt h i sp a p e r b a s e do nt h e i n v e s t i g a t i o n s o ft h e o p t i c a lt r a n s m i t t a n c e ，r e f l e c t a n c ea n d a b s o r p t i o no f t e x t i l em a t e r i a l sa n dt h ec o r r e s p o n d i n gc h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r s ， t e s t i n g m e t h o d sa n de v a l u a t i o n s y s t e m o ft h e o p t i c a lp r o p e r t i e s ，t h eo p t i c a l t r a n s m i t t a n c e ，r e f l e c t a n c ea n da b s o r p t i o no ft h ef a b r i c sm a d eo fn o m e x 圆a n d k e v l a r 。，a n dt r e a t e dw i t ht h eu l t r a v i o l e tp r o t e c t i o nh a v eb e e nm e a s u r e db yt h e u v v i s n i rs p e c t r o m e t e r si nt h er a n g eo f 2 4 0 2 5 0 0 n m m e a n w h i l e ，as e r i e so f d i f f e r e n tp a r a m e t e r sa r eo b t a i n e db yu s i n gm a t h e m a t i c a la n ds t a t i s t i cm e t h o d s ， s u c ha s i n t e g r a la r e a ，p e r c e n t a g e o f e n e r g y , m e a n ，r e s i s t a n c e ，d i f f e r e n t i a l c o e f f i c i e n t ，f i n i s h i n ge f f e c t ，u p f , a t t e n u a t i o na n dt r a n s m i t t a n c ed e p e n d i n go nt h e p o r o s i t yo fw e a r i n g s t r u c t u r e s t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eo p t i c a lt r a n s m i t t a n c e a n dc o v e rf a c t o r , a n dt h ep r o d u c to fc o v e rf a c t o ra n dt h i c k n e s sh a sa l s ob e e n e s t a b l i s h e d t h r o u g ht h e e x p e r i m e n t s ，a n de v a l u a t i o no f t h ef a b r i c s ，t h ec o n c l u s i o n sa c h i e v e d a sf o l l o w s 1 t h er a t e so ft r a n s m i t t a n c ea n dr e f l e c t a n c eo ff a b r i c so fn o m e x a n dk e v l a ， a r eh i 【曲t ov i s i b l el i g h t ，t h e nt on e a ri n f r a r e dr a d i a t i o n ，a n dl o w t ou l t r a v i o l e t r a d i a t i o n h o w e v e r , t h er e l a t i o n s h i po f a b s o r p t i o ni sc o n t r a r yt ot h a t 2 n l en o m e x 9f a b r i c sw i t hd i f f e r e n t w e a v e sa r ec h a r a c t e r i z e d b y l o w t r a n s m i t t a n c ea n da b s o r p t i o n ，h i 曲r e f l e c t a n c e i ti sf i tf o r u s i n ga s t h e s p a c e s u i tm a t e d a l s i nt e r m so f t h e o p t i c a lp r o p e r t i e s 3 t h eo p t i c a lp r o p e r t i e so ft h en o m e x 哪f a b r i cw i t hp t f ec o a t e da r ei m p r o v e d t ou s i n ga st h es p a c e s u i tm a t e d a l s h o w e v e r , t h ef a b r i cw i t hs i l i c o nr u b b e r c o a t e di s n ti m p r o v e d ，a n de v e nd e s c e n d e d 4 t h en o m e x 9f a b r i ch a sh i g h e rt r a n s m i t t a n c ea n dr e f l e c t a n c e ，l o w e ra b s o r p t i o n t h a nm ek e v l a r 9o n eo nu l t r a v i o l e ta n dv i s i b l el i g h t a n di o w e rt r a n s m i t t a n c e a n da b s o r p t i o n ，h i g h e rr e f l e c t a n c ei nn e a ri n f r a r e d 5 t h et r a n s m i t t a n c eo fn o m e x 9f a b r i c so nu l t r a v i o l e tr a d i a t i o nm o s t l yd e p e n d s o nt h ep a r to fv o i d s ，b u to nt h ep a r tt h r o u g ht h ec o v e r sc a u s e di nt h ev i s i b l e l i g h t 6 n l er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h et r a n s m i t t a n c eo ft h en o m e x 曰f a b r i ca n dc o v e r f a c t o r , a n dt h ep r o d u c to fc o v e rf a c t o ra n dt h i c k n e s st ou l t r a v i o l e tr a d i a t i o n ， v i s i b l el i g h ta n dn e a ri n f r a r e dr a d i a t i o na r es t u d i e d r e s p e c t i v e l y 7 f o rt h ec o m i n o nf a b r i c s ，t h ed a r k e rt h ec o l o r ，也el o w e ri st h et r a n s m i t t a n c e a n dr e f l e c t a n c e b u tt h eh i g h e ri st h ea b s o r p t i o n t h eu p fi n d e xo ft h ef a b r i c i sl o w e rt h a nt h a to ft h es t a n d a r ds t a t e d s oi ti sn e c e s s a r yt od ou l t r a v i o l e t p r o t e c t i o nf i n i s h i n gf o rs u m m e rc l o t h i n g 8 a t i e rt h em o d i f i c a t i o n so fr e s i s t a n c et ou l t r a v i o l e tr a d i a t i o n t l l ef a b r i c sh a v e g o o dr e s i s t a n c et ou v ，a n dh i g hu p f m o r e o v e r , t h eg r e a t e rc o n c e n t r a t i o no f u va b s o r b e r s t h eg r e a t e ri st h ei m p r o v e m e n t hi so b v i o u st h a tt h er e s i s t a n c e t ou l t r a v i o l e tr a d i a t i o ni sm o s t i yb yt h em e a n so fi n c r e a s i n ga b s o r p t i o n t h e f i n i s h i n ge f f e c tr a n k sa sf o l l o w s ：w a t e r - s o l u b i l i t yb e n z o p h e n o n e n a n o m e t e r z i n c o x i d e b e n z o p h e n o n e o r g a n i cm e t a l ，b e n z o t r i a z o l ( o r g a n i c m e t a l + n a n o m e t e rz i n co x i d e ) m e a n w h i l e u va b s o r b e r so f b e n z o p h e n o n es t r u c t u r e a n dn a n o m e t e rz i n co x i d ea r es t a b l et ol i g h t 9 t h e o p t i c a l t r a n s m i t t a n c eo ft h eu n d y e df a b r i c s m o s t l yd e p e n d s o nt h e p e r c e n t a g eo f v o i d s b u t t h ed y e do rf i n i s h e d ，t h ef a b r i c sa r ed i f i e r e n tf r o mt h e u n t r e a t e db e c a u s eo f d y e s t u f f a n du va b s o r b e r s i na d d i t i o n t h et r a n s m i t t a n c e o nn e a ri n f r a r e dr a d i a t i o nm o r ed e p e n d so nt h ep o r o s i t yt h a no nu l t r a v i o l e t r a d i a t i o na n dv i s i b l el i g h to w i 1 0 a c c o r d i n gt o t h et h e o r e t i c a lm o d e l ，t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h e o p t i c a l t r a n s m i t t a n c eo ft h ef a b r i c sb e f o r ea n da f t e ru l t r a v i o l e tp r o t e c t i o nf i n i s h i n g a n dt h ec o v e rf a c t o r , a n dt h ep r o d u c to fc o v e rf a c t o ra n dt h i c k n e s sa r ed e r i v e d t h a to fa l lf a b r i c ss t u d i e di nt h et e x ta l s oi sa n a l y z e ds y n t h e t i c a l l y b y z h u h a n g y a n ( t e x t i l e m a t e r i a la n d d e s i g n i n g ) s u p e r v i s e db y p r o f e s s o ry u w e i d o n g k e y w o r d s ：o p t i c a lt r a n s m i t t a n c e ，r e f l e c t a n c e ，a b s o r p t i o n ，f a b r i c ，s p e c t r u m ， c h a r a c t e r i z a t i o n 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文， 是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注 明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的 作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：沫矩枥 日期：a 蜘中年f 月移日 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名：京弟洳 指导教师签名： 日期：泖妒年月日 日期：年月日 东华大学硕士论文 1 绪论 1 绪论 随着功能性材料的发展，人们对材料的要求也越来越严格。为了满足不 同用途的应用，需要对材料的性能有充分的了解。织物的光学性能是其中的 一大块，也是较为重要的一块。 不同织物与光的作用不同，同一织物对不同波段光的作用也不同。因此， 应用于不同场合的织物对光作用的要求也不同。例如：夏季服装要求光透射 少、吸收少，尤其对紫外线，其光反射性能更为重要，因为对光的反射强， 织物不易发热和光热的透过【l j ；冬季服装则要求光透过和吸收多，而反射小， 尤其是对红外光的吸收与透射【2 】：对于防紫外线或红外伪装的织物，则要求 其相应的紫外、红外透射量要低，而反射量或吸收量要高【3 】：对于产业用纺 织品来说，如建筑、土工用纺织品，则要求光照后不引起材料老化，故较多 地考虑通过增加光反射量来减少吸收量，或增加材料耐光性能和光稳定性( 4 1 。 这些不仅要求材料在几何厚度与结构密度上满足其使用条件，而且要求 在材料本身的组成和光作用机制上实现有效的防护和透过。因此，对纺织材 料光学性能的认识与表征是把握材料本质特征、科学利用材料的基础。目前， 作为服用织物的抗紫外、防辐射，或远红外功能织物的研究和应用较多，并 要求了解织物对光的作用效果及原因。而现有评价和表征大多集中在材料光 学性质的某一方面，如对紫外1 5 】、可见嘲或者红外 7 1 的单一作用的研究；或只 是满足一般应用的光反射、光吸收和光透射性质的研究【6 】。而纺织材料使用 中是各种光谱的混合作用和长时间作用，在功能上的要求亦不尽相同，利用 主导机制亦不相同，因此，有必要了解织物对不同谱段光共同作用( 主要包 括可见光、紫外光以及红外) 的吸收、透射、反射等性质及表征方法和评价 体系。并在此基础上，分析比较各种纺织材料对不同波段光的吸收、反射以 及透射作用，以期得到正确的评价。 波长( ) ，n m 10 “1 0 21 0 o1 矿l 矿l 酽1 0 。11 0 2l0 41 0 61 0 6 蒗j x 射线 蓑外羹点t t 外战 雷选f 麓黪 交流宅 l 击、：之i vcb 近 中远 舶0鹊03 2 04 02 5 0 02 5 0 0 0 波长( ) m 图1 电磁波波谱图 东华大学硕士论文 i 绪论 1 1 光的波长 光是电磁波能量的一种形式。在整个电磁波波谱中，紫外线、可见光以及 红外线的位置如图l 。根据波长不同，紫外区域可分为真空紫外线v ( 1 0 2 0 0 h m ) 、紫外线c ( 2 0 0 2 9 0 n m ) 、紫外线b ( 2 9 0 3 2 0 n m ) 、紫外线a ( 3 2 0 4 0 0 n m ) ；红外区域可分为近红外( 8 0 0 2 5 0 0 n m ) 、中红外( 2 5 0 0 2 5 0 0 0 n r n ) 、 远红外( 2 5 0 0 0 1 0 0 0 0 0 n m ) 。太阳向宇宙中发射的能量中9 9 集中在波长为 2 0 0 n m 至3 0 0 0 h m 的区域内，其中紫外部分( 7 6 0 n m ) 占4 8 3 w 8 1 。到达地球表 面的太阳光( 2 9 0 n m 3 0 0 0 n m ) 是由紫外线( u v ，5 ) ，可见光( 5 0 ) 和 红外线( 4 5 ) 等辐射线所组成1 9 ，其具体到达地球表面光辐射的比例见表1 。 依据辐射能量的酉分比概念，可见红外线在其中占了较大部分；本实验拟测 多种织物在2 0 0 2 5 0 0 n m 波段间不同波段光的作用。 表1 到达地球表面不同波段光的情况 波段区域波段范围( r i m )辐射量( _ 莳)强度“) 平均光能( k j m 0 1 ) u v - b2 8 0 3 2 05o 54 0 0 u v a3 2 0 3 6 02 72 43 5 0 u v a3 6 0 4 0 03 63 23 1 5 v i s4 0 0 8 0 05 8 05 1 82 0 0 n i r8 0 0 3 0 0 04 7 24 2 16 3 1 2 光学性质 纤维的光学性质是指纤维对光的吸收、反射、透射以及散射和折射的性 质，纤维的激发光谱与发光以及光在纤维中的传递特性等【l0 1 。本文主要讨论 光的透射、反射和吸收过程。 1 2 1 光的反射 当光照射织物表面时，将同时发生反射、透射和吸收三个过程，其中反 射量的大小直接影响到织物吸收量的大小，并最终影响到织物的发热。 不同表面对光的反射作用不刚7 】：对于漫反射表面，其表面质点散射光 强在空间各个方向是等值的；对于有限反射表面考虑到该表面对各反射方向 的投影截面，其反射光强在各反射方向强度服从余弦分布：对于镜面反射表 面，在其正反射方向的反射光强度最强，而其它方向近似为零。对于实际物 体，应介于漫反射和镜面反射这两种极限情况之间，但在大角度时，反射光 具有较余弦曲线略高的强度。由于纤维在纱线中处于三维弯曲状态，纱线在 织物中也处于三维弯曲状态，加上织物表面的织纹、毛羽和织物中纤维的多 2 东华大学硕士论文 1 绪论 层反射，使纤维反射光的分布是随机的，其结果使得织物类似于漫反射面。 光由光疏介质( 折射率为n 1 ) 入射到光密介质( 折射率为n 2 ) l t 寸，根据菲涅尔 公式，纤维外表面的反射率r ( 0 ) 、透射率7 1e ) 及内表面任一次的反射率r i 和透射率r 唧) 分别为【l l 】 胄( 口) = 1 2 。r t t a 姐n 2 2 ( ( 目0 + - e 力) + 面s i n 2 2 ( ( 口0 + - 咖p ) ，1 。 邢) - 2 嘧而s i n 2 p 丽c o s 20 + 端 r i 伊) = r ( 口) 。t 协) = 丁( 口) ( 1 ) 因而，各部分光强分别为 厶( 口) = r ( o ) i ( o ) = r ( 口) 厶c o s 0 ，( d = r ( o ) i o c o s 0 厶f ( 口) = r ( t - t ) ( o ) r ( o ) l oc o s 0 ，矗( 日) = r 2 ( d f 2 ( 0 ) 1 0c o s 0 ，0 = 2 3 ) ( 2 ) 式中纳入射角，衲折射角。当光线垂直入射时，反射系数r 简化为 r = ( 一) 2 ( 心+ 一) 2 ( 3 ) 当纤维在空气中被光照射时 r = 伽1 ) 2 “胛+ 1 ) 2 ( 4 ) 如果光线倾斜入射时，反射率随目凫的增加而增大，透射率随之减小。 对纤维来说，折射率胛一般在1 5 1 6 内，故反射系数r 一般为 o 0 4 0 0 5 3 1 叫左右。如果纤维的内部透射比t i ，或称透过率或透明度为t i = - - 1 越， 则透过率在9 5 左右，可见光反射很少，大部分透射。入射折射角、纤维截 面形态、纤维表面平整均匀度、纤维中掺有的杂质以及表层附着或涂覆的物 质、表面的光散射作用以及入射光波长都会影响光的反射作用。纺织纤维中 加入消光剂 r i 0 2 ，其折射率为2 7 3 ，这使得反射包括多次反射以及散射作用 增大，达到消光作用。织物在红外波段的反射率很高，一般在5 0 n 上【1 2 】。 1 2 2 光的吸收 光辐射如果通过透明或半透明介质的透射过程中会有部分被介质吸收， 这就是光的吸收，其本质是光量子与物质分子发生碰撞时的能量转移。吸收 的光，更确切地说是光子的能量，转换为原子中电子云的偏移振动，电子能 级的跃迁，非弹性振动和碰撞的能量转换，物质的发热，分子问、分子内作 用力的破坏，以及键断裂产生游离基的化学能。 光吸收定律比尔定律 以下为光吸收定律的表达式 东华大学硕士论文 1 绪论 a = l g ( 1 0 j 1 = 肋c ( 5 ) 式中a 是吸光度，五和j 分别为透射光强和入射光强， k 是摩尔吸收系数， b 是吸光物质的厚度，c 为吸光物质的物质的量浓度。 其中摩尔吸收系数k 代表了物质吸收光辐射能力大小的一种量度，也 是物质对光吸收程度的灵敏度。k 与俘获截面a 成正比。俘获截面a 邗p 3 ，p 代表跃迁概率，由于p 的取值与波长有关，所以是不确定的，因此，a 只有在 对某一特定波长的条件下才会是常数。 材料吸收光之后会引起发热、降解等现象，所以对材料的热作用也提出 了一定的要求。因此在本实验中拟对目前的一些常见耐高温材料进行研究。 1 2 3 纤维光学性质 用平行均匀光束垂直纤维轴线照射，单位面积上光照能量为矗，由图2 知d s = d s o e o s o ，所以入射到纤维表面上的光强“o ) 按余弦规律分布，即 ，( 口) = 厶c o s 0 ，( 一z r 2 口t r 2 ) j ，i 蕉 、 卫一 4 “n 、适l 一欷 飞嬲立+ r 乡 弋恐i 一 图2 平行均匀光束垂直照射纤维图3 纤维垂轴截面的光路图 ( 6 ) 根据折、反射定律，部分入射光线在纤维外表面反射，部分折射进入纤 维内部；后者在纤维内表面再次折射、反射，其折射光线出射进入外部介质， 雨反射光线又在前表面进一步折射、反射。在纤维垂轴截面内，光路如 图3 所示。 光在纤维内部每反射一次都伴有折出纤维进入外部介质的光线，其强度 依次为打l ( 口) ，岛( 口) ，如( 口) ，设被纤维吸收的光能为五，根据能量 守恒定律有 厶( 口) + l ( 印+ i r 2 ( 目) + 3 ( 目) + ll + e = 厶c o s g ( 7 ) 在纺织测试中，几乎所有的场合都是远场情况，这时纤维截面可看作一 个点( 即纤维轴心) 。把各方向的出射光线平移到从该点发出时，综合考虑反 射率以及纤维( 特别是毛纤维) 表面不光滑，具有可见光波长附近的凹凸不 4 东华大学硕士论文 i 绪论 平所造成的漫射因素之后，光强的极坐标和笛尔坐标的分布分别如图4 所示。 不难看出，包括各高次的透射在内时，单根纤维总反射光大于总透射光，当 纤维体积外直接透射不计，二者之比约为4 ：1 1 3 1 。 l 人射方向 遗射打i 柚 卜 夕| | i ，、v v 。、 一 箸_ l 逸舯= 圳 ( a ) 枉坐标分布( b ) 笛卡尔坐标分布 图4 光强分布 在透射半柱面内远场的情况下，倘若纤维的透射光占主要成分，透射光 强，将与直径d 成负指数关系( 即卢船刊) f 14 】；如果散射光为主，透过( 发 射) 光强将与纤维体积，即与直径平方成正比；假如漫反射光为主要成分， 透过光强的损失量将与直径成线性正相关。由于纤维表面上绝大部分透射光 与垂直轴的交角较大，在远场中区较弱，反而参加到漫反射光中去了，使得 远场时单纤维所产生的各种光中漫反射光占主要成分a 平行光束倾斜入射时，规律与垂直入射完全相同。研究排列基本上平行 的薄纤维层( 纤维集合体) 的透射和反射光强，只需分别叠加各单根纤维的 透射和反射光即可。 1 2 4 织物的光学性质 纺织品具有纤维、纱线和织物三个不同层次的结构，任一加工过程的特 殊性都会使其产生具有不同于常规的特性。当纤维以不同形式构成织物时， 无论是用纱线织造成的织物还是用纤维直接构成的非织造物，它们的纤维与 纤维之间或纱线与纱线之间都存在着大量的缝隙和孔洞，光线穿透这些织物 的途径不只是依靠从纤维中透射，还有相当部分的能量是从其缝隙和孔洞直 接透射过去，而在纱线的纤维与纤维间形成多次的部分能量从织物前表面反 射回去，或从织物后表面透射出去，即形成宏观上所能测试的反射量、透射 量和织物的温升。由于织物内部结构的复杂性，使透射织物的能量与入射织 物能量的关系不会完全服从朗伯比尔( l a m b e r t - b e e r ) 定律，反射出织物的 光线也属于漫反射，织物所吸收的能量也将大于理想等质量的相同材料的均 匀薄膜所吸收的能量，因为缝隙间的反射及纤维内部的内反射增加了光线在 织物中的光程。 东华大学硕士论文 1 绪论 图5 和图6 分别是平行光沿织物经向4 5 。角入射和垂直于织物平面入射 时的织物反射光理论分布曲线。 - 9 0 o 0 。9 0 。巾。 图5 倾斜入射织物反射光理论分布 工 -90。0。9 0 。士4 图6 法向入射织物反射光理论分布 图7 测试方法示意图图8 试样a 二维渔反射曲线 西北纺织学院曾采用其研制的变角光泽度测试仪测试了a 、b 两种织物 不同入射角情况下的反射光分布曲线【6 】。其中，a 为经纬纱细度为2 5 t e x 的玻 璃纤维纱，经纬密度为2 0 根厘米的平纹织物；b 为经纬纱细度为1 3 t c x ，经 密为3 8 根厘米，纬密为2 4 根厘米的涤，棉平纹织物。 图7 为测试方法的示意图。测得的二维漫反射曲线图分别见图8 和图9 。 图中0 。附近所形成的缺1 3 是由于光接收器将光源光线遮挡造成的。与理论 反射分布曲线比较，实测的曲线图比较接近于理论曲线。 9 0 o 一o 图9 试样b 二维漫反射曲线( 0 4 5 。) 1 3 波长对光学性质的影响 从光学性质的研究可以看到光的波长对材料的光学性质有很大的影响。 波长不同的光对织物的作用不同。光进入纤维后会被部分或者完全吸收 而转换为热能或者部分小分子、电子、原子核以及基团的振动。一般大的结 6 东华大学硕士论文 1 绪论 构单元在波长较长区表现出各种效应，而在波长较短的可见光区域主要取决 于物质电子的密度和易动性。能量较高、波长较短的紫外光会使纤维分子的 化学键发生断裂。可见光则可以引起分子中电子的运动各原子核的相对振 动以及基团和小分子的转动；红外则可引起分子和基团的振动和转动，而且 红外透射织物的能力都随主波长的增大其透射能力减弱，即长波长的红外被 织物吸收或反射的比例较大t h 】。对红外线透射纺织材料的性能研究表明【l 6 】： 纺织纤维理论上讲近似为红外线的透明体，所以红外线穿透纤维时应服从朗 伯比尔( l a m b e r t - b e e r ) 定律，但由于缝隙和孔洞的存在使其不完全服从朗 伯比尔( l a m b e r t - b e e r ) 定律。另外研究表明l l ”，红外透射织物的能力随主 波长的增大其透射能力减弱，这一点与紫外波段相反。对纺织纤维集合体的 红外辐射的反射、透射、吸收的数量比较来看，入射到纤维集合体的红外辐 射能有6 0 左右被纤维前表面反射回去，而真正吸收的量在1 3 0 之间， 视具体材料及平方米重而有所变化，透射织物的能量也在1 0 4 0 之间【i g 】。 光的波长在一定程度上影响织物某些因素与光学性质的关系。例如光的 波长影响织物回潮率与光学性质的作用。据研究得出织物的反射幅出度和计 算总反射率与其回潮率之间较好地服从负指数规律，主波长与水的吸收峰波 长越接近，两者的指数关系符合越好。红外辐射源的辐射主波长与试样的反 射幅出度线性相关。主波长越长，不同回潮率试样的反射幅出度越小【1 9 j 【2 0 1 。 1 4 课题的提出 纺织品及纤维集合体的防护性能、光学效应和热光性能是其性能中较为 重要的部分。随着纺织材料用途的扩展，功能要求和特殊场合的应用越来越 多，远非通常概念中的可见光范畴的光学性能表征所能完成。如紫外等高能 量辐射的防护；可见光谱范围内的吸收与光热作用；红外热辐射作用及光热 传递等。从而使得研究纺织材料不同谱段的光学性质成为必要，目前较多研 究集中在单一的紫外光、可见光以及红外光区，很少跨越这一界限来整体考 虑不同光区域的纺织材料的性质。而材料使用中的光谱连续性和综合性，要 求分析过程的连续、综合与完整。同时希望给出各区段光谱的作用性能。另 外，研究中大多集中在材料的反射量或者透射量，而很少综合研究测试反射、 吸收和透射的量。而通常我们希望了解某一种纺织材料的整体光学性质。为 此，本文在实验的基础上提取不同的评价指标，并采用相应的指标来整体表 征高性能材料和功能性材料织物对不同波段光的反射、吸收、透射性质，并 做出比较和评价，最终提出对纺织材料的整体评价指标和方法。 7 东华大学硕士论文 2 织物光学性能得评价体系与方法 2 织物光学性能的评价体系与方法 随着各种高性能材料的发展，相应的对材料的表征也提出了更高的要求。 一种材料只有通过定性或者定量的表征才能得到更好的认识，尤其是对_ 些 新型材料以及一些改性材料，需要通过表征来了解其各项性质，并作出比较。 光学性能的表征是其中极为重要的一项内容。 2 1 传统表征指标 2 1 1 透射、反射、吸收率 目前表征材料光反射的主要指标为反射比p 以及反射率尺；表征光吸收的 主要指标为吸收比a 、吸收率、吸光度a 以及摩尔吸收系数k ；表征光透射的 主要指标为透射比t 以及透光率t ( 也称透射率) 。其中：反射比、吸收比和透 射比分别是反射光强最、吸收光强厶、透射光强度冉入射光强而之比。而反 射率、吸收率和透射率分别为在标准条件下( 即具有光学光滑的表面和厚得 足以不透明的材料样品) 测出的反射比、吸收比和透射比阱】。透射率又可分 为光谱透射率和光度总透射率。一般吸收指标通过反射和透射指标来计算获 得。吸光度a 贝l j 表示单色光通过物质时被吸收的程度，为入射光强度而与透过 光强度肭对数值之比：摩尔吸收系数k 代表了物质吸收光辐射能力大小的一 种量度，也是物质对光吸收程度的灵敏度。以下是各项指标的表达式f 2 2 】： p = i r f i a 【 口= i o f = z , r o p + 口+ f = 1 ( 9 ) ( 1 0 ) ( 1 ) a = l d g ( 1 0 ，) = l o g ( 1 r ) ( 1 2 ) a = 柚c 式中：6 是吸光物质的厚度，c 为吸光物质的物质的量浓度。 应该注意的是，在实际中由于织物光散射的影响使得理论值与实际值之 间有一定的误差：理论反射比p 实际反射比p o ，理论吸收比眯实际吸收比o ， 理论透射比t t ，所以t s p 0 ，所 以，实际测定的透过率偏大，即t 矿r 。 杂散光是指光束中存在的非吸收光波，它引起测量误差同样也是负偏差。 比较岛津u v - 3 1 5 0 与日立u - 4 1 0 0 的指标性能来看，前者杂散光略高于后者。 ( 2 ) 非平行光束引起的偏离 非平行光带来的偏差一部分是由光程增加引起的系统误差；另一方面， 非平行光使得入射角增大，反射光的强度随之而增加，从而增加了反射率。 东华大学硕士论文 2 织物光学性能得评价体系与方法 岛津u v 3 1 5 0 的入射光的光平行性相对差一些，而日立u - 4 1 0 0 的光平行性 较好，这对测试结果有一定的影响。 ( 3 ) 狭缝 狭缝直接影响到测试结果，由于在近红外区域两者采用的狭缝控制不一 致，因此也会导致测试结果的偏差。u v 一3 1 5 0 采用固定5 n m 狭缝进行测试， 而u 一4 1 0 0 则采用的是逐步自动调宽的方式进行测试。在一定程度上采用自动 调宽的方式可以达到能量的恒定，但是同时也会使得分辨率有一定的降低。 而采用固定狭缝方式则不一定能保证能量的恒定。 ( 4 ) 样品本身 由于测试时只是选取织物中的某一小块进行测试，因此织物不均匀会导 致扫描对象差异从而使得测试结果呈现较大不同。 ( 5 ) 光接收器的差异 岛津u v 一3 1 5 0 紫外可见近红外分光光度计在近红