反光织物中间隔层对玻璃微珠逆反射性能的影响

反光织物中间隔层对玻璃微珠逆反射性能的影响
刘晓艳;王雅苑
【摘要】研究含有玻璃微珠的反光织物的逆反射问题.当玻璃微珠折射率较低时,在玻璃微珠层与反射层间加入间隔层,分别对露出型反光织物及封闭型反光织物在加入间隔层后对光线的反射作用进行分析.结果显示,在反光织物中,当间隔层折射率小于玻璃微珠折射率时,可提高织物的逆反射效果;且二者相差越大,逆反射时偏折角越小,织物的逆反射效果越好.
【期刊名称】《纺织高校基础科学学报》
【年(卷),期】2016(029)002
【总页数】5页(P250-254)
【关键词】玻璃微珠;逆反射;偏折角;间隔层
【作者】刘晓艳;王雅苑
【作者单位】产业用纺织品教育部工程研究中心,东华大学,上海201620;东华大学纺织学院,上海201620;东华大学纺织学院,上海201620
【正文语种】中文
【中图分类】TS101
反光织物在黑暗环境中对于安全性的防护发挥着重要作用.反光材料在光源照射下,具有强逆反射性能,能够显著提高使用者的可视性．通常利用高折射率玻璃微珠将入射光线集中在一个狭小的光锥角内,并在玻璃微珠后面镀银或铝作为后向反射器,使光线返回光源处,产生明亮的视觉反光效果．其在服装上使用,不仅可减少和避免
交通事故,也是时尚与高档的体现[1-2]．
反光材料是近代物理学、化学和纺织材料科学综合发展的产物．作为安全性使用的要求,具体的操作方法和分布规律对于最后的反光效果具有明显的指导作用[3-4]．目前,国内外等十几家大公司都生产反光材料,且特点各异．美国Melton公司利用Retroglo逆反射材料研制生产了具有高反射率的反光防护服装．Retroglo 纱线利用3M公司研制的Scotchlite710逆反射层压到聚酯传导膜上予以增强,再切裂成线条状制成织物．此产品每平方英寸内约有5万个细微的玻璃微珠,通过微珠的密度影响反光织物的效果[5]．3M公司将折射率2.4的“结构陶瓷”添加在玻璃微珠中,增加其在潮湿环境中的反光效果[6]．同时学者们也在探索各种反光材料的制备新方法,不断提高反光材料的使用效果[11-12]．张海泉等[11-12]研究微珠折射率在1.9～2.0变化时的逆反射强度和光的反射方向．发现当折射率小于2.0时,逆反射光近似一光锥,光强度由锥体边缘向中心迅速降低;当折射率趋近2.0时,光锥的锥角迅速减小,回归光强度迅速增加．易佑民等[13-14]提出以梯度折射率微球代替高折射匀质玻璃微球．朱俊伟[15]利用涂层技术将单层微珠均匀排列在织物反射层表面,制成露出型反光织物,讨论微珠直径及反射层与逆反射光强度的关系．黄富泉等[16]提出逆向反光膜的逆反射性能主要由单元的远场衍射叠加决定,根据矩阵光学原理,采用大小微珠相嵌的方法制备反光阵列膜．
当玻璃微珠折射率较低时,其逆反射特性较弱[17],为增强在低折射率下的逆反射,可通过在玻璃微珠折射层中增加一个间隔层以减小入射光与反射光之间的偏折，而从提高反光效果[18]．本文主要讨论间隔层对于微珠反光织逆反射性能的影响,为后续的反光织物制备提供有效的参考．
根据玻璃微珠在反光织物中的位置和形态,将反光织物分为露出型和封闭型．其结构如图1所示.
在反光织物中,通常用偏折角φ来表示其逆反射性能,即玻璃微珠形成的逆反射光线
与其入射光线之间的夹角.偏折角在反光材料中普遍存在,对反光织物的逆反射性能有重要影响.为增强在低折射率下的逆反射,在微珠和反射层之间增加一间隔层,可以减小偏折角提高逆反射效果．图2为含有间隔层的反光织物结构.
由反射层的理论计算可知,反射层在微珠直径近一半位置时,具有较好的逆反射性能．所以假设露出型反光织物的反射层高度达到最优值．图3表示无间隔层的露出型反光织物中玻璃微珠的逆反射路径．
设平行入射光I0以入射角α照射到半径为R(直径为d)的玻璃微珠表面,空气折射率n0=1,微珠折射率为n1,折射角β,出射光线I1与Y轴的夹角为φ,即偏折角
因此,n1减小时,φ增大,在最优的反射层厚度下,光线在玻璃微珠内会形成多次反射,逆反射效果变弱．
取图2(a)中的结构单元,分析含间隔层露出型反光织物的逆反射路径.图4表示含有间隔层的露出型反光织物的逆反射路径．由图4可看出,反射层是与微珠底部相似的包络线,间隔层与玻璃微珠为同心圆曲线．入射光透射进入微珠,再透射到间隔层,然后经过反射,逐步形成出射光线．
间隔层折射率为n2(一般折射率<n1<1.9),易得出当n1>n2才能有利于增强逆反射．空气折射折射率n0=1,间隔层厚度为t．根据几何光学定律及几何关系可得偏折角.
式中m为间隔层相对厚度,m=t/R．
对间隔层相对厚度m进行计算,并求其中t．经一系列几何关系转化,可得到相对间隔层厚度m为
式中
由式(2)与(3)可知，偏折角随着间隔层厚度t的增大而减小,t与微珠折射率n1、间隔层折射率n2、入射角α均有关．对同一入射角,t主要取决于玻璃微珠折射率与间隔层折射率．
假设其他参数不变,对n2求偏导,可得到间隔层折射率与偏折角的关系,即
可得φ是n2的增函数．即偏折角随着间隔层的折射率增大而增大,随着间隔层折射率的减小而减小．当间隔层折射率逼近1时,可得到最小偏折角
间接可得,玻璃微珠折射率与间隔层折射率的差距越大,偏折角越小．
综上可得,实际生产过程中,玻璃微珠的折射率达不到理论最佳的折射率时,可以在玻璃微珠层与反射层之间添加一个折射率小于玻璃微珠的间隔层,且两者折射率相差越大,其形成逆反射时的偏差角越小,越利于逆反射特性．
取图2(b)中的结构单元，分析含间隔层的封闭型反光物的逆反射路径.如图5所示. 从图5(a)可看出，当入射光线I0照射到反光织物表面时,I0垂直于薄膜MN′照射,光线透过薄膜到达玻璃微珠表面,空气折射率n0=1,薄膜可以是透明的黏合剂．
根据几何光学原理,薄膜折射率n1、微珠折射率n2与出射光线I1与入射光线I0的夹角φ之间的关系为
从理论上可得出,对于封闭型反光织物,在光线垂直入射时的偏折角与黏合剂厚度t 无关．
从图5(b)可看出，当入射光线I0以一定的倾斜角入射到织物表面时，设入射光I0与薄膜MN′(折射率为n1)呈α角,光线透过薄膜黏合剂的折射角为β,到玻璃微珠表面以γ进入玻璃微珠(其半径R,直径为d),折射角为δ,由于OC为对称轴,则出射光线I1的出射角为α,入射光线与出射光线的夹角φ=0．
同理,假设含有间隔层,间隔层折射率为n3,一般在薄膜黏合剂的折射率n1小于微珠折射率n2,入射光经过表面层、玻璃微珠、间隔层及反射层,能较好地沿入射光的反方向形成逆反射光线,因此薄膜黏合剂折射率n1与间隔层折射率n3无较大关系．利用光路追迹法分析了玻璃微珠的逆反射性能,选用偏折角来表征织物的逆反射性能．当玻璃微珠折射率较低时(约1.5～1.9),其逆反射特性较弱．通过在玻璃微珠与反射层间增加一个间隔层以减小偏折角，增强织物在低折射率下的逆反射效果.且
两者折射率相差越大,其形成逆反射时的偏折角越小,逆反射效果越好．
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