劉曉艷,王雅苑

(1.產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心,東華大學(xué),上海 201620;2.東華大學(xué) 紡織學(xué)院,上海 201620)

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反光織物中間隔層對(duì)玻璃微珠逆反射性能的影響

劉曉艷1,2,王雅苑2

(1.產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心,東華大學(xué),上海 201620;2.東華大學(xué) 紡織學(xué)院,上海 201620)

摘要:研究含有玻璃微珠的反光織物的逆反射問題.當(dāng)玻璃微珠折射率較低時(shí),在玻璃微珠層與反射層間加入間隔層,分別對(duì)露出型反光織物及封閉型反光織物在加入間隔層后對(duì)光線的反射作用進(jìn)行分析．結(jié)果顯示,在反光織物中,當(dāng)間隔層折射率小于玻璃微珠折射率時(shí),可提高織物的逆反射效果;且二者相差越大,逆反射時(shí)偏折角越小,織物的逆反射效果越好．

關(guān)鍵詞:玻璃微珠;逆反射;偏折角;間隔層

0引言

反光織物在黑暗環(huán)境中對(duì)于安全性的防護(hù)發(fā)揮著重要作用.反光材料在光源照射下,具有強(qiáng)逆反射性能,能夠顯著提高使用者的可視性．通常利用高折射率玻璃微珠將入射光線集中在一個(gè)狹小的光錐角內(nèi),并在玻璃微珠后面鍍銀或鋁作為后向反射器,使光線返回光源處,產(chǎn)生明亮的視覺反光效果．其在服裝上使用,不僅可減少和避免交通事故,也是時(shí)尚與高檔的體現(xiàn)[1-2]．

反光材料是近代物理學(xué)、化學(xué)和紡織材料科學(xué)綜合發(fā)展的產(chǎn)物．作為安全性使用的要求,具體的操作方法和分布規(guī)律對(duì)于最后的反光效果具有明顯的指導(dǎo)作用[3-4]．目前,國(guó)內(nèi)外等十幾家大公司都生產(chǎn)反光材料,且特點(diǎn)各異．美國(guó)Melton公司利用Retroglo逆反射材料研制生產(chǎn)了具有高反射率的反光防護(hù)服裝．Retroglo紗線利用3M公司研制的Scotchlite710逆反射層壓到聚酯傳導(dǎo)膜上予以增強(qiáng),再切裂成線條狀制成織物．此產(chǎn)品每平方英寸內(nèi)約有5萬個(gè)細(xì)微的玻璃微珠,通過微珠的密度影響反光織物的效果[5]．3M公司將折射率2.4的“結(jié)構(gòu)陶瓷”添加在玻璃微珠中,增加其在潮濕環(huán)境中的反光效果[6]．同時(shí)學(xué)者們也在探索各種反光材料的制備新方法,不斷提高反光材料的使用效果[11-12]．張海泉等[11-12]研究微珠折射率在1.9～2.0變化時(shí)的逆反射強(qiáng)度和光的反射方向．發(fā)現(xiàn)當(dāng)折射率小于2.0時(shí),逆反射光近似一光錐,光強(qiáng)度由錐體邊緣向中心迅速降低;當(dāng)折射率趨近2.0時(shí),光錐的錐角迅速減小,回歸光強(qiáng)度迅速增加．易佑民等[13-14]提出以梯度折射率微球代替高折射勻質(zhì)玻璃微球．朱俊偉[15]利用涂層技術(shù)將單層微珠均勻排列在織物反射層表面,制成露出型反光織物,討論微珠直徑及反射層與逆反射光強(qiáng)度的關(guān)系．黃富泉等[16]提出逆向反光膜的逆反射性能主要由單元的遠(yuǎn)場(chǎng)衍射疊加決定,根據(jù)矩陣光學(xué)原理,采用大小微珠相嵌的方法制備反光陣列膜．

當(dāng)玻璃微珠折射率較低時(shí),其逆反射特性較弱[17],為增強(qiáng)在低折射率下的逆反射,可通過在玻璃微珠折射層中增加一個(gè)間隔層以減小入射光與反射光之間的偏折，而從提高反光效果[18]．本文主要討論間隔層對(duì)于微珠反光織逆反射性能的影響,為后續(xù)的反光織物制備提供有效的參考．

1反光織物的分類

根據(jù)玻璃微珠在反光織物中的位置和形態(tài),將反光織物分為露出型和封閉型．其結(jié)構(gòu)如圖1所示.

在反光織物中,通常用偏折角φ來表示其逆反射性能,即玻璃微珠形成的逆反射光線與其入射光線之間的夾角.偏折角在反光材料中普遍存在,對(duì)反光織物的逆反射性能有重要影響.為增強(qiáng)在低折射率下的逆反射,在微珠和反射層之間增加一間隔層,可以減小偏折角提高逆反射效果．圖2為含有間隔層的反光織物結(jié)構(gòu).

2間隔層對(duì)露出型反光織物的影響

由反射層的理論計(jì)算可知,反射層在微珠直徑近一半位置時(shí),具有較好的逆反射性能．所以假設(shè)露出型反光織物的反射層高度達(dá)到最優(yōu)值．圖3表示無間隔層的露出型反光織物中玻璃微珠的逆反射路徑．

設(shè)平行入射光I0以入射角α照射到半徑為R(直徑為d)的玻璃微珠表面,空氣折射率n0=1,微珠折射率為n1,折射角β,出射光線I1與Y軸的夾角為φ,即偏折角

(1)

因此,n1減小時(shí),φ增大,在最優(yōu)的反射層厚度下,光線在玻璃微珠內(nèi)會(huì)形成多次反射,逆反射效果變?nèi)酰?/p>

取圖2(a)中的結(jié)構(gòu)單元,分析含間隔層露出型反光織物的逆反射路徑.圖4表示含有間隔層的露出型反光織物的逆反射路徑．由圖4可看出,反射層是與微珠底部相似的包絡(luò)線,間隔層與玻璃微珠為同心圓曲線．入射光透射進(jìn)入微珠,再透射到間隔層,然后經(jīng)過反射,逐步形成出射光線．

(2)

式中m為間隔層相對(duì)厚度,m=t/R．

對(duì)間隔層相對(duì)厚度m進(jìn)行計(jì)算,并求其中t．經(jīng)一系列幾何關(guān)系轉(zhuǎn)化,可得到相對(duì)間隔層厚度m為

(3)

式中

由式(2)與(3)可知，偏折角隨著間隔層厚度t的增大而減小,t與微珠折射率n1、間隔層折射率n2、入射角α均有關(guān)．對(duì)同一入射角,t主要取決于玻璃微珠折射率與間隔層折射率．

假設(shè)其他參數(shù)不變,對(duì)n2求偏導(dǎo),可得到間隔層折射率與偏折角的關(guān)系,即

(4)

可得φ是n2的增函數(shù)．即偏折角隨著間隔層的折射率增大而增大,隨著間隔層折射率的減小而減?。?dāng)間隔層折射率逼近1時(shí),可得到最小偏折角

(5)

間接可得,玻璃微珠折射率與間隔層折射率的差距越大,偏折角越?。?/p>

綜上可得,實(shí)際生產(chǎn)過程中,玻璃微珠的折射率達(dá)不到理論最佳的折射率時(shí),可以在玻璃微珠層與反射層之間添加一個(gè)折射率小于玻璃微珠的間隔層,且兩者折射率相差越大,其形成逆反射時(shí)的偏差角越小,越利于逆反射特性．

3間隔層對(duì)封閉型反光織物的影響

取圖2(b)中的結(jié)構(gòu)單元，分析含間隔層的封閉型反光物的逆反射路徑.如圖5所示.

從圖5(a)可看出，當(dāng)入射光線I0照射到反光織物表面時(shí),I0垂直于薄膜MN′照射,光線透過薄膜到達(dá)玻璃微珠表面,空氣折射率n0=1,薄膜可以是透明的黏合劑．

根據(jù)幾何光學(xué)原理,薄膜折射率n1、微珠折射率n2與出射光線I1與入射光線I0的夾角φ之間的關(guān)系為

(6)

從理論上可得出,對(duì)于封閉型反光織物,在光線垂直入射時(shí)的偏折角與黏合劑厚度t無關(guān)．

從圖5(b)可看出，當(dāng)入射光線I0以一定的傾斜角入射到織物表面時(shí)，設(shè)入射光I0與薄膜MN′(折射率為n1)呈α角,光線透過薄膜黏合劑的折射角為β,到玻璃微珠表面以γ進(jìn)入玻璃微珠(其半徑R,直徑為d),折射角為δ,由于OC為對(duì)稱軸,則出射光線I1的出射角為α,入射光線與出射光線的夾角φ=0．

同理,假設(shè)含有間隔層,間隔層折射率為n3,一般在薄膜黏合劑的折射率n1小于微珠折射率n2,入射光經(jīng)過表面層、玻璃微珠、間隔層及反射層,能較好地沿入射光的反方向形成逆反射光線,因此薄膜黏合劑折射率n1與間隔層折射率n3無較大關(guān)系．

4結(jié)束語

利用光路追跡法分析了玻璃微珠的逆反射性能,選用偏折角來表征織物的逆反射性能．當(dāng)玻璃微珠折射率較低時(shí)(約1.5～1.9),其逆反射特性較弱．通過在玻璃微珠與反射層間增加一個(gè)間隔層以減小偏折角，增強(qiáng)織物在低折射率下的逆反射效果.且兩者折射率相差越大,其形成逆反射時(shí)的偏折角越小,逆反射效果越好．

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編輯、校對(duì)：師瑯

文章編號(hào):1006-8341(2016)02-0250-05

DOI：10.13338/j.issn.1006-8341.2016.02.020

收稿日期：2015-08-25

基金項(xiàng)目:中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(15D110140)

通訊作者:劉曉艷(1977—),女,江蘇省靖江市人，東華大學(xué)副教授,博士,研究方向?yàn)楣δ芗徔棽牧系难芯颗c開發(fā)等.E-mail:xiaoyanliu@dhu.edu.cn

中圖分類號(hào)：TS 101

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Optical effect of glass beads with spacer layer on retro-reflective fabrics

LIUXiaoyan1,2,WANGYayuan2

(1.Engineering Research Center of Technical Textiles, Ministry of Education, Donghua University, Shanghai 201620,China;2.College of Textile,Donghua University,Shanghai 201620,China)

Abstract:The retro-reflection problem of reflective fabrics containing glass beads is studied. When the refractive index of glass bead is lower, the spacer layer is suggested to be added between the glass beads and reflective layer, the reflex action of exposed retro-reflective fabric with spacer layer and enclosed retro-reflective fabric with spacer layer is analyzed. The results show that when the refraction of space layer is lower than the refraction of glass bead, the retro-reflection can be improved, and the greater the difference, the smaller the deflection angle, the better the retro-reflection performance.

Key words:glass beads;retro-reflection;deflective angle;spacer layer

引文格式：劉曉艷,王雅苑.反光織物中間隔層對(duì)玻璃微珠逆反射性能的影響[J].紡織高校基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)報(bào),2016,29(2)：250-254.

LIU Xiaoyan,WANG Yayuan.Optical effect of glass beads with spacer layer on retro-reflective fabrics[J].Basic Sciences Journal of Textile Universities,2016,29(2):250-254.