光谱指纹纤维的激发特性研究

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江南大学生态纺织教育部重点实验室 张技术 葛明桥

光谱指纹防伪纤维是一种新型功能纤维，是以稀土发光材料和聚合物为主要原料，结合无机透明色料和功能助剂，经纺丝工艺制成。它与传统防伪纤维有着不同的防伪原理，传统防伪纤维是通过检测纤维是否发出荧光或者是否呈现某种特色的色彩来鉴别产品真伪，这种方法虽简单易行，但很容易被模仿，防伪力度较低。而光谱指纹纤维是通过检测其发射光谱曲线鉴别产品真伪。

不同的光谱指纹纤维在特定的激发光照射时，根据发光波长或能量的分布曲线不同形成不同的发射光谱曲线，类似于人的指纹，具有唯一性。该纤维具有质量轻、体积小、在长度、粗细、色相等特征上可调、使用方便等优点，将其用于纸张、票据、纸币等产品的防伪具有巨大潜力。

光谱指纹纤维的发光主要源于分散其中的稀土发光材料，并且受到了纤维基材、稀土发光材料、无机透明色料等多种成分不同程度的影响。

光谱指纹纤维的光谱特性分析

与纯的稀土铝酸锶相比，光谱指纹纤维的激发光谱有效激发范围和激发强度发生了变化。这主要是受纤维中纤维基材的影响。首先，纤维基材对光的吸收、散射和反射等作用，阻碍了激发光进入纤维基材内部及其在纤维内部的传播，降低了激发光的激发效率，导致激发强度降低。其次，纤维基材对紫外光的抵抗作用造成激发峰的位置向长波方向移动，有效激发范围缩短。

纤维基材对激发特性的影响

不同纤维基材的光谱指纹纤维的激发光谱在激发强度、有效激发波长范围和主激发峰位置有很大差异。这与聚合物自身物理性能的差异相关。优于成纤聚合物分子结构和结晶度的不同，造成纤维基材在透明度、抗紫外线性能等物理特性的不同。良好的透明性有助于光在纤维内部的传播，因此有助于光谱指纹纤维的激发，然而，与此相反，良好的抗紫外线能力却不利于光的激发，这是因为光谱指纹纤维的主激发波长位于紫外线区。二者作用效果的抵消程度的差异，造成最终产品激发光谱的不同。

无机透明颜料对激发特性的影响

无机透明颜料是制造彩色光谱指纹纤维的颜色填料，光在纤维中传播时，可能会遭到无机透明色料一次甚至几次选择性吸收和透过，才得以完成光照激发和光子发射，形成光谱指纹纤维的最终发光。

由于无机透明色料在色相、明度等特性上的差异，部分激发光被选择性吸收后，能量改变的程度不同，导致不同颜色光谱指纹纤维激发效率不同。因此，不同色彩光谱指纹纤维的发射光谱表现出在发射强度上存在差异。

激发条件是激发特性的影响

当激发光照射纤维时，稀土发光材料中的稀土离子会吸收相应能级的能量，发生能级跃进，形成发光。当激发光条件发生变化时，势必会造成激发光能量的改变，从而对光谱指纹防伪纤维的激发过程造成影响。在激发波长一定的情况下，随着激发强度的增加，光谱指纹纤维的发射强度逐渐增强。这是由于当激发光波长与能级水平相应时，激发效率越高，发光强度最大。

此外，环境温度对光谱指纹纤维的发光波长没有影响，但对光谱指纹纤维的发光强度影响较大。当环境温度升高时，晶体场中的热扰动能量增加，电子变得更加活跃，跃迁并储存到陷阱能级中的电子更容易逃逸，因此，在较高温度下光谱指纹纤维具有较强的发光。

实验结果表明：光谱指纹纤维的光照激发光谱受到纤维基材、无机透明色料和激发条件的不同程度影响。纤维基材对光的反射、吸收、散射等作用、无机透明色料对激发光的选择性吸收不同程度降低了激发光的能量，进而影响光谱指纹纤维的激发效率。致使不同的原料配方制备的光谱指纹纤维具有的发射光谱具有类似于人体指纹的唯一性。光谱指纹纤维激发条件的改变直接影响其光照激发程度，进而影响到光谱指纹纤维的发射光谱曲线特征，因此，在光谱指纹纤维防伪检测时必须在特定的条件下进行。