Исследование свечения в текстильных изделиях: простым языком о сложных технологиях

Введение

Фотолюминесцентные пигменты представляют собой специальные вещества, способные светиться в темноте даже без источника внешнего света. Их свойство излучать свет в условиях слабого освещения открывает новые перспективы использования, особенно в текстильной индустрии.

Рис. 1. Схема принципа действия фотолюминесценции

Фотолюминесцентные пигменты относятся к категории специализированных веществ, известных своими уникальными свойствами. Они способны светиться в условиях низкой освещенности, что делает их востребованными в различных областях текстильной промышленности. Эти уникальные свойства не только придают текстилю эстетическую привлекательность, но и повышают его функциональность. Разнообразие областей применения делает фотолюминесцентные пигменты весьма перспективными в текстильной индустрии. Предполагается, что спрос со стороны строительной и автомобильной промышленности также будет способствовать дальнейшему росту этого рынка [2].

1. Общая характеристика

Разнообразие фотолюминесцентных материалов, представленных на рынке, огромно. Кроме того, существует ряд других источников света с подобными свойствами, как показано в рисунке 2, который представляет собой краткий обзор различных источников люминесценции и соответствующих областей их применения. Важно отметить, что люминесценция существенно отличается от накаливания. В случае накаливания свет излучается за счет нагревания нити, что характерно для обычных ламп накаливания. В отличие от этого, свет, происходящий при фотолюминесценции, является результатом излучения холодного тела. Это световое излучение возникает благодаря химическим реакциям, электрической энергии, субатомным движениям или напряжению на кристалле, которые могут вызывать люминесценцию. Именно фотолюминесцентные пигменты обладают способностью испускать свет в результате данного явления.

Рис. 2. Типы люминесценции и области применения

2. Флуоресценция и фосфоресцирование

Светящиеся в темноте пигменты представляют собой уникальное сочетание обычного флуоресцентного красителя и фосфоресцирующего соединения. Фосфоресцирующий материал поглощает свет и постепенно излучает его в виде нежно-голубого свечения. После этого свет поглощается флуоресцентным красителем и испускается в виде зеленого или красного света, в зависимости от используемого красителя. Одним из наиболее распространенных фосфоресцирующих материалов является смесь сульфида цинка с медью. Зеленый флуоресцентный краситель обычно содержит флуоресцирующий натрий, а красный – рудник Рода. Поскольку флуоресценция является более быстрым процессом, фосфоресцирующий материал служит источником света, а флуоресцентный материал – устройством для потребления энергии.

Термин "флуоресценция" происходит от названия минерала флюорита (плавиковый шпат, фторид кальция, CaF2). Первым известным синтетическим фосфоресцирующим материалом был созданный лазурит Солярис, который также известен как светящийся камень Болоньи. Итальянский сапожник и алхимик Висенто Каскариоло изготовил этот материал в 1604 году. Фосфоресценция – это явление послесвечения, свойственное таким веществам, как фосфор (светящийся элемент).

Рис. 3. Принцип фосфоресценции

Феномен фосфоресценции заключается в физическом эффекте, представляющем собой последующую эмиссию световой энергии, накопленной во время предшествующего освещения. В отличие от процесса флуоресценции, фосфоресценция протекает более медленно, как отмечено исследователями Wang и демонстрируется на рисунке 3.

Измерение фотолюминесценции (PL). Для характеризации различных свойств материала можно измерить интенсивность и затухание фотолюминесценции (ФЛ). PL-спектроскопия предоставляет электрические характеристики, обеспечивая селективный и чрезвычайно чувствительный анализ дискретных электронных состояний. Спектроскопия с временным разрешением позволяет провести быстрые и информативные измерения PL.

На PL оказывают влияние поверхности и границы раздела материала. Для обеспечения хорошего оптического и электрического отражения, равномерного удержания квантов и высокой подвижности носителей, необходимы гладкие и атомарно ровные границы раздела. Кроме того, дефекты и примеси на границах создают новые состояния для электронов, влияя на их движение, время жизни и энергию перехода.

PL также зависит от природы оптического возбуждения. Сигнал PL часто связан с плотностью фотовозбужденных электронов, и интенсивность падающего света может регулироваться для контроля этого параметра. Помимо этого, PL обычно незначительно влияет на исследуемую поверхность.

Фосфоресцирующие пигменты нашли широкое применение в различных областях, начиная от циферблатов часов и приборов, которые должны быть видны при слабом освещении, и заканчивая новинками в мире пластиковых игрушек и спортивных товаров, например, в виде поплавков для рыбалки. Они также нашли свое применение в системах безопасности, включая кодирование банковских чеков, карточек, паспортов и билетов, а также на банкнотах, часто в сочетании с машиночитаемой информацией. Следует отметить, что данные пигменты применяются в сфере сортировки почтовых конвертов, несмотря на свою потенциальную опасность.

Революционные разработки в области щелочноземельных алюминатов (AEAa) в середине 1990-х годов значительно расширили сферу применения фосфоресцирующих пигментов. Эти алюминаты, основанные на стронции, обеспечивают продолжительное послесвечение более 12 часов и высокую стабильность. Они стали доступны для производства красок и лакокрасочных материалов, отверждаемых ультрафиолетовым излучением, а также шелкографических красок.

Благодаря этим инновационным разработкам, фосфоресцирующие пигменты нашли применение в различных областях, включая потребительские товары, такие как одежда, обувь, головные уборы, игрушки и канцелярские товары, а также в рыболовецких снастях и спортивных принадлежностях. Они успешно используются в производстве чернил, красок, лент, часов, выключателей света, наклеек, рыболовных сетей, искусственных приманок и других изделий. Также фосфоресцирующие материалы нашли свое применение в текстильных изделиях, включая нити, покрытия и сигнализацию [6].

Различные компании, включая 3M, Lightleader Co. Ltd., Luminochem Industries и другие, представляют коммерческие продукты, такие как фосфоресцирующие ленты "Safety-Walk MR. Clear", фосфоресцирующие пигменты для покрытий и фосфоресцирующие нити. Примерами таких продуктов являются Lumi Nova®, фотолюминесцентные пигменты Luming® и многие другие, которые широко используются для маркировки и вывесок. Эти пигменты находят применение в области потребительских товаров, декораций, связи, транспорта, военных объектов, систем пожарной безопасности и других областях.

Концепция Ocean and Sea представляет собой инновационное решение для трикотажных текстильных перегородок, которые днем и ночью создают умиротворяющую атмосферу в больницах с использованием фотолюминесцентных нитей, спроектированных по образу морских глубин и океана.

При использовании фотолюминесцентных пигментов в качестве текстильных покрытий, они добавляются в прозрачные материалы, такие как печатная краска, пластик, печатная паста, керамика, стекло и пряжа, обеспечивая материалам свечение в темноте. Фотолюминесцентные пигменты также находят применение на стадии волокна, добавляя свечение волокнистым материалам. Этот процесс включает соединение пигмента алюминат-оксида металла с термопластичным полимером, а затем экструзию полученной комбинации в нити. Это позволяет создавать светящиеся волокна, ткани и изделия, которые могут заряжаться при естественном освещении и обладают отличной устойчивостью к стирке. На текстиль также можно наносить фотолюминесцентные пигменты в виде защитного средства, таких как пленка и ленты. Эти изделия широко используются в защитной одежде и системах безопасности для аварийных выходов и путей эвакуации [3, 4, 5].

3. Примеры внедрения данных технологий

Света Айер впервые достигла успеха, создавая текстиль с люминесцентными свойствами, вдохновленными явлениями природной люминесценции. "Мои исследования подтвердили жизнеспособность этой концепции", - отмечает она.

Эти люминесцентные материалы обладают широким спектром применения, включая области биомедицины, биосенсоров, безопасности, архитектуры и эстетики. Они также обладают многофункциональными свойствами, включая защиту от ультрафиолета и антибактериальные характеристики.

"Это исследование открывает совершенно новые перспективы в области текстиля. Его широкий охват предоставляет новые возможности, учитывая, что текстиль применяется во многих областях исследований", - подчеркивает Света Айер.

В ходе докторской программы "Устойчивое управление и дизайн в текстильной промышленности" SMDTex, проведенной при участии трех ведущих университетов - ENSAIT во Франции, Университета Сучжоу в Китае и Университета Бороса, Света Айер получила ценные знания о методах исследований в различных образовательных учреждениях, а также расширила научную сеть. Одним из увлекательных аспектов программы стало изучение различных культурных особенностей [6].

Заключение

Таким образом в статье были рассмотрены различные области применения, фотолюминесцентных пигментов. Основное внимание в этих приложениях было уделено функциональности этих пигментов, такой как безопасность и поиск пути. Существует огромный потенциал для применения этих пигментов в области дизайна и эстетики текстиля для наружного освещения без использования дополнительной электроэнергии в ночное время. В ходе работы также были рассмотрены примеры успешного применения данной технологии в одежде.

1. Simple Preparation of Multifunctional Luminescent Textile for Smart Packaging. [Электронный ресурс] Режим доступа: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35721986/.
2. Фотолюминесцентные материалы [Электронный ресурс] Режим доступа: https://www.svetoznak.ru/fes/2018/10/19/фотолюминесцентныематериалы/#page-content
3. Trends in Textile Engineering & Fashion Technology [Электронный ресурс] Режим доступа: https://crimsonpublishers.com/tteft/fulltext/TTEFT.000533.php.
4. Application of luminescent materials in textiles [Электронный ресурс] Режим доступа: https://www.tiankunchemical.com/Application-of-luminescent-materials-in-textiles-id3047711.html
5. Development of Illuminant Glow-in-the-Dark Cotton Fabric Coated by Luminescent Composite with Antimicrobial Activity and Ultraviolet Protection [Электронный ресурс] Режим доступа: https://link.springer.com/article/10.1007/s10895-019-02384-2.
6. Biobased products can create luminescent textiles [Электронный ресурс] Режим доступа: https://www.hb.se/en/about-ub/current/news-archive/2020/october/biobased-products-can-create-luminescent-textiles/