纺织材料的光学性质简介

当光线投射到纺织材料的表面时,在纤维与空气的界面上产生光线的反射与折射。各个方向的反射光的强弱,决定纺织材料的光泽;而进入纤维的光线分成两条折射光,它们以不同速度在纤维内部进行折射,并部分被纤维所吸收。材料吸收光能后,其性质逐渐有所变化。

(一)反射与光泽

光泽是纺织材料的重要外观性质。光泽的强弱,主要由纺织材料对光的反射情况而定。当光线射到纺织材料的表面时,在纤维和空气的界面上同时产生反射和折射,光的一部分被反射,另一部分折射光在纤维内部进行,当达到另一界面时,再产生反射和折射。由于纤维结构的复杂性和在纤维集合体中纤维排列得错综复杂,纤维对光线的反射、折射、吸收及衍射等情况是非常复杂的。许多纺织纤维本身是透明的,但织物的透明度则大大降低。但纤维集合体的光泽主要取决于纤维对光的反射和纤维的排列状态。当纤维表面平滑一致,纤维彼此平行排列时,投射到界面上的光线,将在一定程度上沿一定角度被反射,反射光较强,纤维集合体的光泽就强。如果纤维表面粗糙不平。纤维排列紊乱,反射光就以不同角度向各个方向漫射,纤维集合体的光泽就暗。粗羊毛的鳞片稀,且紧贴在毛干上,表面比较平滑,反射光较强,毛的光泽也强。细羊毛的鳞片稠密,在毛干上贴紧程度较差,羊毛光泽柔和。如果羊毛鳞片受损伤,羊毛的光泽就变得暗。制造半光或无光化学纤维的方法,就是在纺丝液中或纺丝熔体中加入少量的折射率不同的小颗粒状态的消光剂(二氧化钛),造成反射光漫射的条件,达到消光的目的。

在纤维的形态结构因素中,除纤维的表面状态影响光的反射因而也影响纺织材料的光泽外,纤维的层状结构及纤维的横断面形状,也是影响光泽的主要因素。

当具有层状构造的纤维受到光线照射时,在纤维表面发生第一次光的反射与折射。一部分光线从纤维表面反射出来,而折射入纤维内部的折射光在到达纤维的第一、第二层界面时,发生第二次光的反射与折射。折射后的光线继续进入纤维的第二层,当到达纤维的第二、第三层界面时,发生光的第三次光的反射与折射。这个过程逐层进行。最后,所有从纤维内部各层界面上反射出来的强度不同的内部反射光,部分被纤维吸收,部分仍回到纤维表面射向界外,并且在纤维表面形成一散射层,使纤维表面的反射光量增加,纤维的光泽较强,光泽柔和均匀,有层次,不耀眼。

纤维横截面的形状很多,它们的光泽效应差异很大,其中有典型意义的是圆形和三角形。以相同的入射光量比较,三角形截面纤维存在部分全反射现象,光泽较强。而圆形截面纤维,光线在任一界面上的入射角都和光线进入纤维后的折射角相等,在任何条件下都不能形成全反射。因此这类纤维的透光能力较三角形截面纤维强,纤维外观比较明亮。

(二)折射与双折射

当一束光由空气照射到各向异性晶体表面时,一般情况下,在晶体内将产生两束折射光,这种现象称为双折射。同一束入射光在晶体内所产生的两束折射光中,其中一束光遵从折射定律,而另一束光一般情况下并不遵从折射定律,即其折射线一般不在入射面内,并且当两种介质一定时,折射线随入射角的改变而变化,前者称为寻常光,简称为O光;后者称为非(寻)常先,简称为E光。

晶体中存在一些特殊方向,沿此方向传播的光不发生双折射,这些特殊方向称为晶体的光轴,只有一个光轴的晶体称为单轴晶体。大部分纺织纤维属于单轴晶体,即光线只沿此光轴方向射入时,不发生双折射现象,顺这个方向所引的任何直线,都叫纤维的光轴,纤维的光轴一般是与纤维的几何轴相平行的。(www.xing528.com)

进一步分析可知,在纤维内部分解成的两条折射光都是偏振光,且振动面相互垂直,其中遵守折射定律的寻常光的电场振动面与光轴垂直,其折射率用n⊥表示;另一条不遵守折射定律的非常光的电场振动面与光轴平行,其折射率用n∥表示。在非光轴方向,O光和E光的折射率n⊥和n∥不同,光在纤维内部的速度vO和vE也不同。大多数纤维是正晶体,在不同方向上vO＞vE,因此O光叫快光,E光叫慢光。纤维的双折射能力用双折射率Δn(Δn=n⊥-n∥)表示。

常见纤维折射率、双折射率见表1-4-14。需指出的是,纤维是不均匀材料,试样内纤维之间在性质上是不同的,且通过一个纤维断面的折射率也是变化的,因此表中数据仅供参考。

表1-4-14　常见纤维折射率、双折射率

续表

(三)耐光性

纺织材料在储存和穿用过程中,因受各种大气因素的综合作用,材料的性能逐渐恶化,如变色、变硬、变脆、发黏、透明度下降、失去光泽、强度下降、破裂等,以致丧失使用价值,这种现象叫老化,这种试验叫大气老化试验或气候试验。如果在大气因素中突出太阳光的作用,排除风吹、雨淋等的影响,则称材料抵抗太阳光作用的性质为耐光性,这种试验叫耐光性试验。

在天然纤维和人造纤维中,羊毛和亚麻的耐光性是较好的;棉和黏胶纤维的耐光性较差;耐光性最差的是蚕丝。在合成纤维中,腈纶的耐光性是最好的;涤纶的耐光性较好,接近羊毛;锦纶的耐光性最差,和蚕丝接近;丙纶和氯纶的耐光性也差。