（机械电子工程专业论文）纺织品光学性能算法数据库的研制.pdf

摘要 纺织品的光学性能是其应用性能中重要的部分，对纺织品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。目前国内外还没有统一的纺织品光学性能测试与 评价系统，使纺织品光学性能测试与评价指标模块化，因此有必要设计纺织品光学性能评 价指标算法数据库系统。 针对纺织品材料尤其是功能性纺织品材料光学性能的评价，本论文依托浙江省科技 攻关计划项目( 2 0 0 6 c 2 1 0 5 9 ) ，通过分析表征纺织品光透射性能、反射性能以及吸收性能 的连续图谱、各谱段特征值、加工效果、紫外线防护系数u p f 、t ( u v a ) ，以及衰减系数a 等 性能指标参数，建立了以m i c r o s o f ta c c e s s 为数据库管理系统的纺织品光学性能评价指 标算法数据库，数据库中包含有纺织品性能参数表、纺织品光学性能评价指标算法表、光 谱波段表、我国纺织品防紫外线标准g b t1 8 8 3 0 2 0 0 2 、澳大利亚的a s n z s4 3 9 9 、美国 的a a t c c1 8 3 以及英国的b s7 9 1 4 等纺织品防紫外线标准。 以v c + + 6 0 为界面开发工具，构建了纺织品光学性能算法数据库系统。p c 机和单片 机8 9 c 5 1 通过r s 2 3 2 串口采集纺织品光学性能的数据信号，设计了一个可重用的串口多 线程c s e f i a l p o f l 类以及下位机与上位机之间的通信协议，创建了两个辅助线程，实现了实 时准确快速地采集纺织品的光学信号。由于系统只有经过定标后才能准确的工作，先进行 了光度定标，然后进行了波长定标，保证了测试数据的准确性和可靠性。v c + + 6 0 使用 a d o 数据库访问技术访问算法数据库中的数据。 实验结果表明，通过该纺织品光学性能评价指标算法数据库系统，在测得纺织品的透 射反射吸收曲线的基础上，根据评价指标算法数据库中的算法，可以给出任一纺织品光 学性能的评价指标参数值，并参照纺织品防紫外线标准，评价纺织品是否具有防紫外线特 性。实现了测试与评价性能指标模块化，为纺织品设计者和使用者提供技术参考和科学依 据。且系统运行稳定可靠，具有实用参考价值。 关键词：纺织品光学性能紫外线防护系数数据库v c + + s t u d ya n dd e s i g no ft h et e x t i l eo p t i c a lp r o p e r t i e s e v a l u a t i o ni n d e xa r i t h m e t i cd a t a b a s e a b s t r a c t n eo p t i c a lp r o p e r t i e so ft e x t i l e sa t ei m p o r t a n tp a r t so ft h e i ra p p l i c a t i o np r o p e r t i e s c o g n i t i o na n dc h a r a c t e r i z a t i o no ft e x t i l eo p t i c a lp r o p e r t i e si st h eb a s eo fg r a s p i n gt h eh y p o s t a s i s c h a r a c t e r sa n dm a k i n gs c i e n t i f i cu s eo fm a t e r i a l h o w e v e r ，t h e r ei sn ou n i f o r mt e s t i n ga n d e v a l u a t i n gs y s t e mo ft e x t i l eo p t i c a lp r o p e r t i e si nt h ew o r l da tp r e s e n t ，w h i c hm a k e st h et e x t i l e o p t i c a lp r o p e r t i e st e s t i n ga n d e v a l u a t i o nm o d u l a r i z a t i o n s oi ti sn e c e s s a r yt od e s i g na ne v a l u a t i o n i n d e xa r i t h m e t i cd a t a b a s eo ft h et e x t i l eo p t i c a lp r o p e r t i e s t h et h e s i si sb a s e do nz h e j i a n gp r o v i n c i a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o m o t i o np r o j e c to f c h i n a c h i n au n d e rg r a n tn o 2 0 0 6 c 2 1 0 5 9a i m i n ga tt h ee v a l u a t i o no fo p t i c a lp r o p e r t i e so f t e x t i l em a t e r i a le s p e c i a l l yf u n c t i o nt e x t i l e at e x t i l eo p t i c a lp r o p e r t i e se v a l u a t i o ni n d e x e s a r i t h m e t i cd a t a b a s eu s i n gm i c o r s o f ta c c e s sa s t h ed a b a s em a n a g e m e n tw a se s t a b l i s h e db y a n a l y z i n gt h ei n d e xp a r a m e t e r so ft e x t i l es u c ha st h es e r i e ss p e c t r u mo fo 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 da b s o r p t i o n ，t h es p e c t r u mb a n de i g e n v a l u e s ，f i n i s h i n ge f f e c t ，u p f , t ( u v a ) va n d a t t e n u a t i o n 。 t h e r ea r et e x t i l ep r o p e r t i e si n d e x e st a b l e ，t e x t i l eo p t i c a lp r o p e r t i e se v a l u a t i o ni n d e x a r i t h m e t i ct a b l e ，s p e c t r u mt a b l ea n ds o m es t a n d a r d so ft e x t i l ep r o t e c t i n gu l t r a v i o l e t ，f o r e x a m p l e ，g b 厂r1 8 8 3 0 2 0 0 2o fo u rc o u n t r y ，a s n z s4 3 9 9o fa u s t r a l i a , a a t c c1 8 3o fa m e r i c a a n db s 7 9 1 4o fb r i t a i ni nt h ed a t a b a s e n et e x t i l e o p t i c a lp r o p e r t i e s a r i t h m e t i cd a t a b a s es y s t e mw a s d e s i g n e du n d e rt h e d e v e l o p i n ge n v i r o n m e n to fv c + + 6 0 d a t as i g n a l so f t h et e x t i l eo p t i c a lp r o p e r t i e sw e r ec o l l e c t e d b yp ca n d8 9 c 51u s i n gr s 一2 3 2s e r i a lp o r t ar e p e a t e ds e r i a lm u l t i t h r e a dc s e r i a l p o r tc l a s sa n d c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sb e t w e e nu p p e rm a c h i n ea n dl o w e rc o m p u t e rw e r ed e s i g n e di nt h i s p a p e r t w oa s s i s t a n tt h r e a d sw e r ec r e a t e d 1 1 l es y s t e mc o l l e c t so p t i c a ls i g n a l so ft e x t i l ef l e e t l y a n ds h o w e st h e mr e a l t i m e l u m i n o s i t yw a sc o n f i r m e df i r s ta n dt h e nw a v e l e n g t hw a se n s u r e df o r t h ep u r p o s eo fv e r a c i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft e s t i n gd a t a n ea d ot e c h n o l o g yw a su s e dt o c o m m u n i c a t eb e t w e e nv c + + 6 0a n dt h ed a t ao fa r i t h m e t i cd a t a b a s e n ee x p e r i m e n ts h o w e dt h a tt h ev a l u e so ft h et e x t i l eo p t i c a lp r o p e r t i e se v a l u a t i o ni n d e x p a r a m e t e r sc o u l db ea c h i e v e db a s e do nt e s t i n gt h et 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 n c u r v eo ft e x t i l eu s i n gt h ea r i t h m e t i co ft h ee v a l u a t i o ni n d e xa r i t h m e t i cd a t a b a s e i td i s p l a y s t t w h e t h e rt h et e x t i l eh a st h ec a p a b i l i t yo fp r e v e n t i n gu l t r a v i o l e to rn o ta c c o r d i n gt os t a n d a r d so f e v a l u a t i o nf o rs o l a ru l t r a v i o l e tr a d i a t i o np r o t e c t i v e p r o p e r t i e s t h es y s t e mr e a l i z e st e s t i n ga n d e v a l u a t i n gp r o p e r t i e si n d e x e sm o d u l a r i z a t i o na n dp r o v i d e st e c h n i q u er e f e r e n c ea n ds c i e n c e r e f e r e n c ef o r t h et e x t i l ed e s i g n e r sa n du s e r s w h a t sm o r e ，i tr u n ss t a b l ya n d r e l i a b l y k e y w o r d s ：t e x t i l e ，o p t i c a lp r o p e r t i e s ，u p f ，d a t a b a s e ，v c + + m 浙江理工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：肆宰常 日期： 口g 年3 月j ? 日 浙江理工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。本人授权浙江理工 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。 本学位论文属于 学位论文作者签名： 保密口，在 不保密口 姊午智 日期：o 8 年；月1 7 e 1 年解密后使用本版权书。 指导教师签名 日期：滞帝 以卜弓 浙江理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本文的背景及意义 我国是全球最大的纺织品生产和出口国，纺织品是拉动我国外贸出口的重要力量之 一【1 1 。自从我国2 0 0 1 年加入世界贸易组织( w t o ) 后，给纺织品行业带来了新的机遇， 纺织品和服装的出口量都有了较大的增长。据中国纺织工业协会统计：2 0 0 1 、2 0 0 2 、2 0 0 3 年纺织品和服装出口总额分别为4 8 8 5 5 亿美元、6 1 7 7 亿美元和6 4 1 8 7 7 亿美元，占世 界纺织品出1 3 比重分别为1 9 2 、2 1 3 、2 4 5 【2 1 。2 0 0 4 年，我国纤维加工量2 4 0 0 万 吨，约占世界生产能力的3 8 ，纺织品出口总额9 5 0 9 亿美元，约占全年出口总额的1 6 ， 占全球纺织贸易品总额的2 5 。但是，虽然我国纺织品贸易在世界纺织品贸易中占有重要 份额，但主要是中低挡纺织品市场，发达国家则占据了高档纺织品市场。因此，我国纺织 品行业与发达国家还存在差距，主要表现在：( 1 ) 纺织行业整体技术装备落后；( 2 ) 纺织 品技术含量不高；( 3 ) 纺织品标准体系和质量水平与国际市场纺织品存在较大差距；( 4 纺织品检测设备和技术落后甚至缺乏。2 0 0 5 年8 月2 日，国家成立第一个纺织品检测中心 一中国纺织品检测中心，旨在有效避免因检测技术差距，给企业出口造成的经济损失。据 报道，由于质量检测水平达不到国际标准，每年给纺织品出口造成的损失在1 2 亿美元左 右，因此，纺织品性能检测手段的落后甚至缺乏是制约我国纺织品行业发展的重要因素之 一。 国际纺织品市场尤其是产业用纺织品市场正向在功能化、智能化的方向发展。而功能 性纺织品的发展使得人们对纺织材料性能的要求越来越严格。为了满足不同用途的应用， 需要对纺织品的性能有充分的了解。纺织品的光学性能是其应用性能中重要的部分，对纺 织品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。 光是电磁波能量的一种形式。在整个电磁波波谱图中，紫外线、可见光以及红外光的 位置如图1 1 。 紫外线是波长在1 0 0 n m - 4 0 ( o m ( 真空紫外线：1 0 0 2 0 0 n m ，短波紫外线u v c ：2 0 0 - 2 8 0 n m ，中波紫外线u v b ：2 8 0 - 3 1 5 n m ，长波紫外线u v a ：3 1 5 - 4 0 0 n m ) 之间的电磁波，适 量的紫外线辐射有益于人体，但过量辐射会使皮肤过早老化，产生黑色素，长时间辐照则 会诱发皮肤癌，并引起人体d n a 损坏。不同波长对人体的危害程度不同：u v c 具有能量 高但被臭氧层吸收，不能到达地面；短波长能量的u v b 射线可以穿透皮肤几毫米，使皮 肤出现晒斑，晒黑；u v a 几乎全部到达地面，它能穿透皮肤，使皮肤过早老化、变黑、失 1 浙江理工大学硕士学位论文 去弹性、出现皱剔3 1 。大气高层臭氧层的破坏，人类面临紫外辐射的威胁增加，紫外辐射 防护的纺织品开发、测试技术及仪器和评价指标的研究具有重要的现实意义。 可见光是波长范围在4 0 0 8 0 0 n m 之间的电磁波可见光波长不同，引起人眼的颜色感觉 就不同。光线照在不同色彩的纺织品上，其反射、透射光线将发出不同颜色的光。反之， 如果颜色不同，吸收和反射的强度也不同。颜色越深，吸热越强，颜色越浅，反射性越强， 吸热性越差。这就是夏天人们常穿浅色服装，以反射辐射热，而冬天人们穿深色衣服，以 吸收辐射热的原因。所以，纺织品的可见光特性测量具有非常重要的实际意义。 红外线是波长范围在8 0 0 一1 0 0 0 0 0 n m ( 近红外，7 8 0 - 2 5 0 0 n m ；中红外，2 5 0 0 - 2 5 0 0 0 n m ；远 波长( 入) ，l l l n 1 1 0 。1 41 0 m1 0 m1 0 81 0 _ 61 0 一41 0 + 2 1 1 0 21 0 41 0 61 0 8 l o2 2 8 03 1 54 0 08 2 5 波长( 入) ，r i i n 图1 1 电磁波波谱图 红外，2 5 0 0 0 1 0 0 0 0 0 n m ) 之间的电磁波。人体是一天然红外辐射源，其对红外线的吸收取 决于红外线的波长和皮肤的状态，远红外线绝大部分能量被浅层皮肤吸收，与皮肤的吸收 形成了最佳匹配，同时可以通过介质的传导和血液循环使能量达到组织深处；近红外线穿 透深度较深，可直接到达l o m m 左右，人体皮肤此处有丰富的血管、淋巴和神经末梢【4 1 。 所以，纺织品材料不但在厚度与结构密度上要求满足人的使用条件，同时在材料本身的组 成和光作用机制上要求实现有效的防护、吸收和透过。 目前，作为服用织物的抗紫外线、防辐射或远红外功能织物的研究和应用很多。澳大 利亚等地处低纬度、日照较强的国家率先开发了抗紫外线纺织品，现在已经进入了商品化 阶段。他们主要采用的是抗紫外线整理剂和紫外线屏蔽剂。现在，日本、澳大利亚、美国、 2 浙江理工大学硕士学位论文 德国、英国等国在抗紫外线纺织品的开发上处于世界领先地位，其中以日本最为突出。他 们在较短的时间里相继就有数十种抗紫外线织物投放市场。据最近的一份资料显示，日本 大和纺人造丝公司开发出一种应用特殊技术将功能型陶瓷捏合进纤维的抗紫外线人造纤 维s c u t u m ，在紫外线的波长范围内的2 0 0 n m 处，s c u t u m 透射率为1 0 ，而常规人造丝的 为3 0 ，在可见光范围内的4 0 0 h m 处，s c u t u m 的反射率为6 0 ，而常规人造丝为5 0 。 同时，s c u t u m 的物理性能和人造丝非常接近【5 1 。 国内对抗紫外线纺织品的研究才刚刚起步。天津石化公司研究所用陶瓷微粉研制出了 抗紫外线涤纶纤维和网络低弹丝；东华大学化纤工程研究中心研制出化纤抗紫外线超微粉 体和母粒；西安新技术开发区的科技人研制的“纳米服装刀不仅能吸收阻隔9 5 以上的紫 外线，还能阻隔同量的电磁波，且无毒无刺激不受洗涤次数、着色和磨损等影响。 纺织品光学性能的表征主要体现在研究纺织品在紫外、可见光、红外光谱波段对光的 透射、反射、吸收等特性，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【6 】、可见川或者红外【8 】的单一作用的研究；或只是满足一般应用的光透射、光吸收和光 反射性质的研究。然而纺织材料使用是各种光谱的混合作用和长时间作用。因此，有必要 了解纺织品对不同光谱波共同作用( 包括紫外光、可见光以及红外光) 的透射、反射、吸 收等性质及表征方法。 1 2 纺织品光学性能研究 1 2 1 纺织品的光学性质 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，无论是用纱线做成的织物还 是用纤维直接构成的非织物，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、透射量和织物的升 温。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 郎伯比尔( 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。 3 浙江理工大学硕士学位论文 l 搠0 9 0 - 9 0 0 。9 0 。- 图2 14 5 度倾斜入射织物反射理论分布 图2 2 垂直入射织物反射理论分布 图2 1 和图2 2 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。 图2 3 测试方法示意图 啪0 嘲。0 g o 图2 4 试样a 二维漫反射曲线 西北纺织学院使用变角光泽度测试仪采用图2 3 测试方法测试了a 、b 两种织物不同 入射角情况下的反射分布曲线【7 1 。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 e x ，经密为3 8 根厘米，纬密度为2 4 根厘 米的涤棉平纹织物。 图2 4 和图2 5 分别为试样a 和b 的实测二维漫反射曲线。图中0 。附近所形成的缺 口是由于光接收器将光源光学遮挡所造成的。 - - 9 0 *i f , + 雕 图2 4 试样b 二维漫反射曲线( 肌4 5 。) 4 浙江理工大学硕士学位论文 1 2 2 纺织品的光反射 光照射纺织品表面时，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 接影响到纺织品吸收量的大小，并最终影响到织物的发热。 不同表面对光的反射作用不同【8 1 ：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，加上纺织品表面的织纹、毛羽和织物中纤维的多层反 射，是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 ) 时，根据菲涅尔公式， 纤维外表面的反射率r ( 0 ) 、透射率t ( 0 ) 及内表面任一次的反射率r ( 巾) 和透射率 t ( 巾) 分别为【9 1 ： r ( o ) = l 2 t a n 2 ( 0 - 矽) t a n 2 ( 0 + 圣) + s 甜( 8 一由) f s i 矛( o + 咖) l t ( o ) - 2 s i n 2 西c o s eo ( s i n 2 ( 0 + 牵) c o s 2 ( 0 一垂) ) + s 妇子西c o s eo s i n 2 ( 0 十圣) j r f ，多，= rf ，口上r ( ，痧j = 玎j 1 一( 1 ) 因而，各部分光强分别为： i r ie ) = r ( e ) i ie ) = r ( 0 ) l o c o s0 。l ( o ) = r ( o ) 1 w o s8 如f ，0j = 。_ o j 玎0 ) l o c o s0 ，厶f ，护j 彩叫i ( o ) l c o s 夕( i = 2 ，3 ，)卜( 2 ) 式中0 为入射角，巾为折射角。当光线垂直入射时，反射系数r 简化为 r = ( n f n t ) 2 t n n 1 ) 2卜0 当纤维在空气中被光照射时 r = 伽1 ) 2 ( n + 1 ) 2 卜( 4 ) 如果光线倾斜入射时，反射率随0 角的增加而增大，透射率随之减小。 1 2 3 纺织品的光吸收 光的吸收【1 0 l 就是光辐射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，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震动，电子能级的跃迁，非弹性振动和碰撞的能量转换，物质 5 浙江理工大学硕士学位论文 的发热，分子间、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： a = i g ( t o = k b c l 一( 5 ) 式中a 是吸光度，1 0 和1 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。 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 = op 3 ，p 代表跃迁概率，由于p 的取值 与波长有关，所以不确定，因此，a 只有在对某一特定波长的条件下才会是常数。 1 2 4 波长对纺织品光学性质影响 波长不同的光对纺织品的作用不同。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、原子核以及集团的振动。一般大的结构单元在波长较长区表现 出各种效应，而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到；红外光则可引起分子和基团的振动和 转到，而且红外透射织物的能力随主波长的增大其透射能力减弱，即长波长的红外被织物 吸收和反射的比例较大【1 l l 。对红外线透射纺织材料的性能研究表吲1 2 】：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定律。另外研究表明【1 3 】，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而有所变化， 透射织物的能量也在1 0 4 0 之剐1 4 1 。 1 3 纺织品光学性能的测量方法 纺织品的光学性能是纺织品性能的重要部分，纺织品光学性能的测试与评价已越来越 受到人们的重视。现在基于光学原理的理化分析仪器被应用到纺织品行业中来，为定性甚 至定量分析纺织品对不同谱段波长光的反射、吸收和透射特性提供了分析依据。 对光反射、吸收和透射作用常用的测量方法主要有分光光度计法、积分球法、辐射强 6 浙江理工大学硕士学位论文 度累计法、照度计法【1 5 1 、光热偏转法【1 6 1 以及一些特殊的方法。 用分光光度计可以测定各种试样的光透射率( 反射率、吸收率) 曲线，得到织物对不 同波长光的透射率( 反射率、吸收率) ，并可用面积比求出某一波长区域的平均透射率( 反 射率、吸收率) 。根据波长不同，可以分为可见一紫外分光光度计和红外分光光度计旧。 根据分光光度计在测量中同时提供的波长数又可以分为单波长和双波长分光光度计。其中 双光束分光光度计采用两条光通路( 如图) ，样品光路与参比光路，可自动消除空白吸收， 不需空白调零操作：双波长分光光度计采用两种不同波长的单色光以及交替照射同一样品 的相同部位，检测器测出并记录两种不同波长的光吸收差a ，a 与被测物浓度成正比，从 而可以对样品进行精确测定。 一般紫外一可见分光光度计测定波长范围是2 0 0 ，- - 1 0 0 0 n m ，红外分光光度计主要有两 大类，色散型和傅立叶变换红外分光光度计。色散型红外分光光度计基本上被傅立叶变换 红外分光光度计取代。用紫外分光光度计作外辐射源，产生一定波长范围的紫外线照射到 织物上，然后用积分球收集透过织物各个方向上的辐射通量，计算出紫外线的透射比，可 以判断各波长的透过率，并可用面积比求出某一紫外线区域的评价透过率，评价防护效果， 该方法精度较高。因此在研究过程中较多采用分光光度计来测试。例如东华大学采用分光 光度法分别使用日本岛津u v 一3 1 5 0 分光光度计和日立u - 4 1 0 0 分光光度计测量同一织物在 紫外光、可见光及红外光波段( 2 0 0 n m 2 7 0 0 n m ) 的连续透射、反射以及吸收曲线。 辐射强度累计法和分光光度计法称为仪器法，仪器法的测试结果相关性大，且可重复 性好。比如对织物的紫外线特性进行测试，辐射强度累计法是采用特定波段的紫外线照射 织物，测定织物的紫外线透过率。以色列s h e n k a r 学院采用一种自行研制的辐射测试仪测 量试样在紫外b 和紫外a 波谱内的平均光传播量【1 8 l ，从而确定织物的防紫外线性能，同时 还使用了带有连续球面l n 一4 7 2 的u v y i s n i r 分光光度计j a s t k o v 5 7 0 ( 日本日立公司) 对同 一织物的防紫外线性能进行了比较测量；西安工程科技学院采用紫外线辐射强度计、 i v 一1 6 0 0 紫外线分光光度计分别测定了各种织物的紫外线透过率【l 叭。 积分球是一种在光度学测量中常用的仪器。它的构造简单，一般是一个内壁均匀喷涂 高反射率漫射材料( 如聚四氟乙烯，硫酸钡等) ，并内置多个小体积的球形腔体和一些附 件。青岛大学采用积分球法测紫外线的反射率和紫外分光光度计法测紫外线的透射率i 刎。 1 4 本论文的研究工作 通过以上对纺织品光学性能测量方法来看，其测试方法各异，目前国内外还没有一个 7 浙江理工大学硕士学位论文 统一的纺织品光学性能测试与评价系统，使纺织品光学性能测试与评价指标模块化，为纺 织品设计者和使用者提供技术参考和科学依据。本论文提出纺织品光学性能测试与评价系 统，旨在紫外可见红外整个波段范围p 勺( 2 0 0 n m 2 5 0 0 r i m ) 对纺织品光学性能进行全光谱测 试，提取评价纺织品光学性能( 透射、反射和吸收性能) 的指标参数和算法，以及国内外 纺织品光学性能检测的相关标准，构建纺织品光学性能算法数据库，从而全面表征纺织品 的光学性能。实现评价方法和算法的统一化和标准化。 论文通过分析表征纺织品光学性能的连续图谱、特征值、加工效果、紫外线防护系 数u p f ( u l t r a v i o l e tp r o t e c t i o nf a c t o r ) 、t ( u v a ) “( 纺织品在3 1 5 4 0 0 n m 透射比的算 术平均值) 、衰减系数a 等评价指标，在m i c r o s o f ta c c e s s 环境下建立纺织品光学性能评 价指标算法数据库，该数据库包含有纺织品性能参数表、纺织品光学性能评价指标算法模 型表、光谱波段表、我国纺织品防紫外线标准g b t1 8 8 3 0 - 2 0 0 2 以及澳大利亚的a s n z s 4 3 9 9 、美国的a a t c c1 8 3 以及英国的b s7 9 1 4 等纺织品防紫外线标准。将被测纺织品的 光学性能信息与数据库的算法指标进行比较，既可以快速便捷的显示出纺织品各项指标参， 数，又可以查询比较这些国家纺织品防紫外线标准异同。 设计基于v c + + 6 0 的纺织品光学性能评价系统，通过r s 一2 3 2 串口，采用串口多线程 技术采集到的纺织品光学性能( 透射、反射和吸收) 的数据信息，实时显示出纺织品的透 射曲线图谱、反射曲线图谱以及吸收曲线图谱，通过数据库中的算法求出纺织品透射性能、 反射性能以及吸收性能的各谱段特征值、加工效果、紫外线防护系数u p f 、t ( u v a ) 盯、衰 减系数q 等性能指标参数，全面表征纺织品对不同光谱波段( 紫外光可见光红外光) 作用 下的光学性能，并根据数据库中各国纺织品防紫外线标准，评价纺织品是否具有防紫外线 特性。 1 5 本章小结 本章阐述了课题提出的背景及意义，从纺织品的光学性质、光反射、光吸收以及波长 对纺织品光学性质影响等方面对纺织品光学性能进行了研究，讨论了纺织品光学性能的测 量方法。叙述了本论文的主要研究内容和意义，最后介绍了系统开发工具及数据库平台的 选择。 8 浙江理工大学硕士学位论文 第二章纺织品光学性能的评价指标及国内外防紫外线标准 2 1 传统表征指标 目前表征材料光透射的主要指标为透射比t 以及透光率t ( 也称为透射率) ，表征光反 射的主要指标为反射比p 以及反射率r ；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1 c 。其中：反射比、吸收比和透射比分别是反射光强i r 、吸收光 强i a 、透射光强i 与入射光强i o 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【2 1 】。 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。吸收度a 则表示单色光通过物质时被吸收的程度，为入射光强1 0 与透射光强度i 的对 数值之比；摩尔吸收系数1 c 代表了物质吸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【2 2 1 ： p = i r 1 0 2 一( 1 ) a = i a 1 0 2 一( 2 ) t = i i o 2 一( 3 ) p + a + t = 12 一( 4 ) a = l o g ( 1 0 ) ) = l o g ( 1 瓜) 2 一( 5 ) a ；k b c2 一( 6 ) 式中：b 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 。，理论吸收比a 1 1 ，因而总的光强仍是减 少；当紧度减少时，孔隙增大，则i d 增大，总的光强i 也相应增大。由此可以看出：对于 光吸收性能较好的纤维织成的织物而言，孔隙度越小，织物的光透过率就小；反之，则越 大。而对于光吸收性能较差的织物，其i o 与i l 比较接近，所以对于这些织物而言，空隙率 对织物透射性能的影响程度就相对要小一些。 对于不同的光而言，由于织物对紫外的吸收相对大于对可见光的吸收，因此空隙率对 织物紫外透射性能的影响程度相对要大于对织物可见光透射性能的影响程度。 同时，如果织物的空隙率比较大，则通过空隙直接透射的量就占主要部分，这部分对 该织物的透射率影响程度就相对要大。对于空隙率较小的织物，由于在总透射量中通过空 1 4 浙江理工大学硕士学位论文 隙直接透射量所占的比例小，而其它方式透射的量占主要部分，因此通过空隙直接透射量 对织物透射率的影响程度就相对要小。同样的，如果织物的纱线比较紧密，材料的吸光性 能比较好，光透射少，那么相对来说通过空隙直接透射量所占的比例就增加了，从而通过 空隙直接透射量对织物透射率的影响程度也相对增加。 2 3 2 纺织品空隙率的测试 纺织品的孔隙度或空隙率可用多种方法确定： 可通过测定织物的定向紫外线透射比来确定；也可 用图像分析法来计算被纬线占据的面积；还可 根据纱线号数和经纬密度来计算。理论上，空 隙率为空隙面积s 1 与该单元总面积的比率( s 1 和 s 2 的值见图2 2 ) ， 即空隙面积s ，与覆盖面积( 阴影面积) s 2 之和的比率。 本文实验采用光学显微镜利用透射光获取纺 织品图像，对拍摄得到的图像进行计算求得纺织品的空隙率。 2 2 空隙理论模型 2 3 3 通过空隙直接透射的分离 对织物的光透射量i 来说，主要由通过空隙直接透射量i 。和通过纱线覆盖部分通过的 透射i7 组成，即： i = i t + i f2 0 1 9 、) 则总透射率 t = i i o = i i i o + i 7 i o = 乃+ 丁7 2 一( 2 0 ) 将测试计算得到的空隙率代人以上得到的可见光区域的透射率与空隙率的线性回归 方程中，分别得到不同织物通过空隙直接透射的光透射t - 。实测的各波段平均透射率t u v r 、 t v l s 、b 皿扣除t 1 分别得到各区域的通过纱线的透射率t u v r 、t v i s 、t 腿。由于在 空隙中有一部分纤维伸出将空隙边缘遮挡有可能使测得的透射光略小于计算的理论透射 光。 浙江理工大学硕士学位论文 2 4 纺织品光透射率的理论计算模型 纺织品的光透过性能在纺织品结构上决定于纺织品的空隙率和厚度，在材料性能上决 定于材料对光的吸收系数和散射系数。 i = i o 以p ，) + i ofe x p 产口l _ 7 2 一( 2 1 ) 1 = i i f i ell - e x p - ( k + h ) l j1卜t、27z、 对上式进行简化，将e x p 一( k + h ) l 作级数展开取前二项并乘以一个接近于l 的修正 系数m ： e x p - 伍圳l j 铆 1 一亿圳口2 一( 2 3 ) 则： t = l 一 l m l l 一( k + h ) l 1 2 一也气 = l 一( 1 一m ) m ( k + h ) el2 0 2 5 、 因此，在进行纺织品的结构与光透射性能关系的研究中，可将光透射率t 看作是覆 盖系数及覆盖系数与厚度乘积的函数： t = a - t ? f - c l2 一( 2 6 ) 2 5 不同评价指标的比较 以上提取得到的一系列评价指标中，有定性的指标，也有定量的指标。 定性有的透射、反射以及吸收曲线图谱相对来说比较直观，但是不能给出定量的比较。 其它指标均为定量指标。其中，各波段能量以及能量百分比代表了织物各项总能量的差异， 而平均值给出了各波段的整体透、反射以及吸收水平。加工效果则主要针对经过某些特殊 整理前后的差异。衰减系数则在一定程度上排除了空隙部分透射量，而主要侧重于材料本 身的吸收以及散射部分来对织物的透射性能进行评价。在介绍的一系列纺织品防紫外线评 价指标中，系统根据国家标准g b f r1 8 8 3 0 2 0 0 2 ，采用u p f 值和t ( u v a ) 盯对纺织品防紫 外线性能进行评价。另外，对纺织品空隙因素分离之后得到的两部分透射率，即通过空隙 直接透射率以及通过纱线透射率，分别通过透射率中主要的两部分来对织物的透射性能进 行评价。 2 6 国内外纺织品防紫外线标准研究 2 6 1 澳大利亚纺织品防紫外线标准研究 1 6 浙江理工大学硕士学位论文 由于澳大利亚和新西兰受紫外线的辐射较为强烈，人们对紫外线辐射造成的危害更为 关注，早在1 9 9 0 年，澳大利亚就提出了太阳镜【明紫外线防护标准，1 9 9 3 年澳大利亚和新 西兰提出了防晒霜【2 8 】的相关标准，有关抗紫外线防护测试标准，1 9 9 6 年澳大利亚和新西兰 推出织物抗紫外线测试标准a s n z s4 3 9 9 1 2 9 1 。 澳大利亚的a s n z s4 3 9 9 、美国的a a t c c1 8 3 和英国的b s7 9 1 4 的测试原理相同，紫 外线辐射源为测试提供充足且稳定的紫外线辐射能量。单色仪将辐射源的紫外线辐射能量 色散，以便进行光谱测量。积分球可计算出由样品射出的所有方向( 直射和漫射) 的光谱 辐射通量。探测器由光电倍增管组成，将信号经放大和处理后，输入计算机，进行信号的 最后处理。具体如图2 3 所示：。 样品 图2 3 测试装置原理简图 纺织品抗紫外线测试标准a s n z s4 3 9 9 具体如下： 测试范围改标准用于确定紧贴于皮肤的防护纺织品、服装和其它防护用品( 如 帽子) 紫外线透射率，也提出了对抗紫外线辐射标签的要求。不包括防晒霜、建 筑及遮阳用篷布、太阳镜、伞及非太阳光紫外线照射源。 样品规格及数量样品的规格是至少4 块样品，为保证样品的代表性，离边部5 c r n 的样品不要，样品要干燥、不扭曲。 样品测试条件测试需要在2 0 5 ，5 09 6 _ 2 0 相对湿度的测试环境下进行，样品 不需预调湿。 样品的选择如果样品不均匀，需要较多取样( 如不同颜色、印花和纤维含量) ； 如果一件衣服有多种颜色，应测试不同颜色，报告最低的测试值；如果一件衣服 有不同的组织，取最小的覆盖系数的部位( 如最敞开的结构) ；有衬里的衣服，衬 里与面料一起测试。 测试波长间隔波长间隔是2 r i m 。 波长范围测试波长范围是2 9 0 - 4 0 0 n m 。 1 7 母 一 糕 浙江理工大学硕士学位论文 结果而值、u v a