織物的抗紫外線性能

付青鄧樺(天津工業(yè)大學(xué)，天津，300387)

摘要：介紹了織物的抗紫外線性能，相關(guān)的性能評價(jià)參數(shù)和測試方法，不同國家和地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)，以及織物抗紫外線性能的影響因素和整理工藝。測定了一般紡織品及紡織纖維材料的紫外線防護(hù)系數(shù)(UPF)和紫外線透過率，分析了纖維結(jié)構(gòu)對織物紫外線防護(hù)性能的影響。未經(jīng)防紫外整理的紡織品遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到紫外防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

關(guān)鍵詞：織物，抗紫外線性能，纖維結(jié)構(gòu)，影響因素，整理工藝

中圖分類號：TS101.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2014-09-10

作者簡介：付青，女，1993年生，在讀大學(xué)本科生。輕化工程專業(yè)。

從20世紀(jì)20年代以來，工業(yè)的發(fā)展對環(huán)境造成了一系列的污染和破壞，其中碳氟系溶劑和氟利昂的大量使用使地球臭氧層遭受嚴(yán)重破壞，到達(dá)地球表面的有害紫外線不斷增加。臭氧層每受到1%的破壞，抵達(dá)地球表面的有害紫外線將增加2%左右[1]。生化物中O—H、C—H、C—C、N—N等化學(xué)鍵在紫外線作用下可能發(fā)生斷裂，所以含有上述化學(xué)鍵的材料暴露在強(qiáng)烈的紫外線下很容易發(fā)生光氧化和光脆損[2]。生物體的基本組成就是C、O、H、N等元素，紫外線的增加對生物，尤其是對人類最常暴露在紫外線下的皮膚的傷害就更大。圖1是太陽光中紫外線分類及其對人體的作用示意圖。過量的紫外線輻射會使皮膚曬傷、變黑甚至引起組織病變，對人的眼睛也有很大的傷害[3]。自然界中紫外線量隨時(shí)間和季節(jié)而變化，夏季太陽直射時(shí)紫外線輻射量達(dá)到最大，這時(shí)做好紫外線防護(hù)工作尤為重要。

1織物的抗紫外線性能

紫外線的防護(hù)問題早在20世紀(jì)80年代初就被提到議事日程上，最先發(fā)展的防紫外線商品是化妝品，之后才慢慢發(fā)展到紡織品。紡織界對紫外防護(hù)產(chǎn)品進(jìn)行了研發(fā)，在一些發(fā)達(dá)國家近年已形成一定的規(guī)?；a(chǎn)。澳大利亞等一些處在低緯度、日照強(qiáng)烈的國家率先開發(fā)出抗紫外線紡織品，以對人體或一些光敏材料進(jìn)行防護(hù)。日本抗紫外線織物的開發(fā)一直處于國際領(lǐng)先地位，相繼推出了抗紫外線的運(yùn)動(dòng)服、襯衫、帽子和太陽傘等制品。近年來，國內(nèi)也開始了有關(guān)紡織品抗紫外線等方面的研究[1,4-5]。

1.1　織物抗紫外線的作用機(jī)理

紫外線照射到織物上，主要有如圖2 所示的三種傳播路徑。一束紫外線(Ri)照射到織物上，有一部分被反射(Rr)，一部分被織物吸收(Ra),剩下的則從織物纖維中或織物縫隙中穿透(Rt)，存在以下關(guān)系式：

Ri=Rr+Ra+Rt

當(dāng)人體的皮膚有織物覆蓋時(shí)，作用在皮膚上的只有Rt。當(dāng)Ri一定時(shí)，增大Rr+Ra的值，Rt的值則會相應(yīng)減少?？椢锉闶峭ㄟ^吸收和反射紫外線來起到防護(hù)作用的[6]。

1.2　織物的抗紫外線性能評價(jià)參數(shù)、測試方法及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

由紫外線在織物上的穿透情況可知，紫外線可以通過纖維和纖維之間的空隙穿透織物。最開始，日本研究人員測試了一些經(jīng)抗紫外線處理的織物和未經(jīng)處理的相同材質(zhì)織物的遮蔽率(織物有效遮蔽面積占總面積的百分比)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種織物的遮蔽率都在20%～90%內(nèi)不等，說明僅僅靠遮蔽率不足以評價(jià)織物的抗紫外線能力，便提出了將織物的紫外線透過量減少率(即紫外線防護(hù)系數(shù)，UPF)和遮蔽率結(jié)合的標(biāo)準(zhǔn)來判斷織物的抗紫外線能力。符合標(biāo)準(zhǔn)的抗紫外線織物要求其UPF大于50%，然后再根據(jù)其遮蔽率將抗紫外線織物分為A、B、C三個(gè)等級[5]。澳大利亞、歐洲、美國、中國等國家和地區(qū)評價(jià)織物的抗紫外線性能則均采用紫外線平均透射率[T(UVA)av、T(UVB)av]和UPF，各參數(shù)的定義及計(jì)算公式[7-8]如下：

圖1　太陽光中紫外線組成及其對人體的作用 [3]

圖2　紫外線在織物上的穿透情況 [6]

目前提供的測試織物抗紫外性能的方法主要有四種[9-10]：

(1)直接法：直接將整理后的織物與相同材質(zhì)和大小的未整理織物覆蓋皮膚，記錄兩處皮膚出現(xiàn)紅斑的時(shí)間，進(jìn)行比較。該方法帶有很大的主觀性，且有很多難以控制的誤差。

(2)變色褪色法：把被測織物覆蓋在耐曬牢度標(biāo)準(zhǔn)卡上，用紫外線燈在距離試樣50 cm 處照射，先測出標(biāo)準(zhǔn)卡達(dá)到一級變色的時(shí)間，再進(jìn)行定量分析。

(3)紫外線強(qiáng)度累計(jì)法：用陽光式紫外線燈照射織物，照射給定的時(shí)間，測定通過織物的紫外線的累積量。

(4)分光光度計(jì)法：采用分光光度計(jì)，測定透過織物的紫外線的量，再通過計(jì)算得到織物的紫外線透過率和UPF值，還可以分段求出特定波長的平均透過率。該方法更為便捷和有效，檢測機(jī)構(gòu)或研發(fā)單位一般采用此法。

測試方法可以有多種形式，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)所要得到的結(jié)果的精確程度和使用的設(shè)備進(jìn)行選擇。

目前，全球還沒有統(tǒng)一的抗紫外線紡織品的檢測標(biāo)準(zhǔn)。由于不同區(qū)域的紫外線輻射量和當(dāng)?shù)厝朔N的皮膚對紫外線的敏感程度不同，各國和一些地區(qū)需要結(jié)合當(dāng)?shù)氐那闆r制定合適的檢測條件和標(biāo)準(zhǔn)[11]。現(xiàn)行的抗紫外線性能測試方法主要有歐盟標(biāo)準(zhǔn)(EN 13758.1、EN 13758.2+A1)，澳大利亞/新西蘭標(biāo)準(zhǔn) (AS/NZS 4399) ，美國標(biāo)準(zhǔn)(ASTM D 6544、ASTM D 6603、AATCC 183)，英國標(biāo)準(zhǔn)(BS 7914)以及中國標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 18830)，這些標(biāo)準(zhǔn)均采用分光光度計(jì)法進(jìn)行測試和計(jì)算紡織品的紫外線透過率和UPF值[12]。

美國和澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定UPF值≥15，歐洲標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定UPF值>40的紡織品為抗紫外線紡織品。中國標(biāo)準(zhǔn)GB /T 18830—2009《紡織品防紫外線性能的評定》的評定原則是: 當(dāng)樣品的UPF>40且T(UVA)av<5%時(shí)，可稱為“防紫外線產(chǎn)品”。由于進(jìn)行測試的預(yù)處理操作與條件不同，這些標(biāo)準(zhǔn)之間并沒有太大的可比性[13-14]。

2影響紫外線透過的因素

研究人員通過大量的實(shí)驗(yàn)分析了紫外線透過織物的影響因素[6,8-9,15-16]。從纖維的形態(tài)分析，纖維的線密度越小，對光的反射和吸收越強(qiáng)，防護(hù)效果越好；異形纖維的防護(hù)作用比圓形纖維好。從織物組織結(jié)構(gòu)分析，緞紋、斜紋組織緊密，一般比平紋組織防紫外線效果好；輕薄、稀疏織物紫外線易透過，防護(hù)效果差。從織物的加工整理分析，未處理的棉坯布比漂白后的棉織物對紫外線的吸收作用強(qiáng)；一些非紫外線整理劑，如柔軟、抗靜電等整理劑，對部分紫外線有吸收，也會影響織物的防紫外線性能。

此外，織物的顏色也會影響紫外線防護(hù)作用，如黑色、深藍(lán)色等深濃顏色對紫外線的吸收強(qiáng)；熒光增白劑對紫外線也有吸收作用，添加了熒光增白劑的織物紫外線防護(hù)性能較好；成形的紡織品在縮水后會改善其抗紫外性能；如棉、滌綸、錦綸、腈綸、羊毛和蠶絲等一般織物的抗紫外性能隨著其含水率的增加而降低。

3纖維對織物抗紫外線性能的影響

未經(jīng)防紫外線整理的織物一般也具有一定的吸收或反射紫外線的作用。為分析纖維及其結(jié)構(gòu)對織物抗紫外線性能的影響，筆者測定了一般紡織品及紡織纖維材料的UPF和紫外線透過率，結(jié)果見表1及圖3和圖4。

從表1 可見，本實(shí)驗(yàn)中織物和纖維本身的UPF都較低，遠(yuǎn)達(dá)不到我國防紫外線紡織品的要求。

對比2號、4號、5號和6號樣品，棉織物的UPF值最小，而滌/棉混紡織物的UPF值最大，滌綸織物的UPF值比棉織物相對高一些，但并不明顯。再對比1號和2號樣品，由于滌綸薄膜的致密性比滌綸織物好很多，降低了直接從空隙中透過的紫外線量，所以其UPF比滌綸坯布要大，抗紫外線效果要好一些。

表1　樣品的UPF值和紫外線透過率

圖3　滌綸織物的紫外線透過率曲線

1——腈綸短纖維；　2——錦綸長絲； 3——黏膠短纖維；　4——滌綸短纖維 圖4　纖維的紫外線透過率曲線

7號、8號、9號和10號樣品的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。不同的纖維在UVA段和UVB段的透過率有明顯的差異。滌綸和錦綸在UVB段透過率較低，可以較好地阻礙此段紫外線；而4種纖維對UVA的透過率均較高。

從圖3可以看出，在整個(gè)紫外線波長范圍內(nèi)消光過的滌綸商品布(3號樣品)明顯比滌綸坯布(2號樣品)的透過率低很多，尤其是在UVA段(320～400 nm)，說明消光劑可以有效降低紫外線透過率，從而提高其抗紫外線能力。

纖維結(jié)構(gòu)對織物的抗紫外性能有很大影響，但是很少有人單獨(dú)測量纖維的UPF值，而是測量用不同纖維制成的織物的UPF值來反映纖維對UPF值的影響。本實(shí)驗(yàn)通過手工將多根纖維捋直形成纖維面，再兩層交叉排布形成纖維網(wǎng)，直接測量了纖維的UPF值和紫外線透過率。對比幾組纖維的UPF值和紫外線透過率曲線，表明具有大量酰胺基結(jié)構(gòu)的錦綸UPF值最高，但是并不能有效阻礙UVA。有文獻(xiàn)報(bào)道[16]，滌綸中的芳環(huán)結(jié)構(gòu)能夠吸收紫外線，其抗紫外線性能較好。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，滌綸對UVA和UVB的阻礙作用比其他幾種纖維要強(qiáng)，但是UPF值并不是很高，所以芳環(huán)結(jié)構(gòu)對纖維的抗紫外性能并不一定有很大的作用。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明：具有氰基的腈綸的抗紫外能力很弱；黏膠纖維和棉織物的UPF值均較低，而且對于UVA和UVB的阻礙作用均較弱。從本實(shí)驗(yàn)和前人得出的結(jié)論可知，纖維素纖維的抗紫外性能較差，是抗紫外線整理的主要對象。

4抗紫外線織物的加工和發(fā)展

雖然部分紡織品具有一定的防紫外線性能，但是從本實(shí)驗(yàn)結(jié)果和各國對抗紫外線織物的要求來看，織物本身的抗紫外線性能還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。因此，研究人員用紫外線整理劑對織物進(jìn)行整理，通過紫外線整理劑自身的吸收和反射紫外線的作用，或改變織物的表面性能來提高織物的抗紫外線性能。這些紫外線整理劑可分為紫外線屏蔽劑和紫外線吸收劑，在加工其他防紫外線產(chǎn)品時(shí)也會使用紫外線猝滅劑和光電子捕獲劑[6]等。

4.1　紫外線整理劑

理想的紫外線整理劑應(yīng)符合以下條件：①安全無毒，不刺激皮膚或引起過敏反應(yīng)；②能夠吸收反射紫外線的波長范圍應(yīng)包含UVA和UVB波段，有些整理劑的吸收反射波長窄，需要幾種整理劑配合使用；③不影響織物的色澤、手感、強(qiáng)度和色牢度；④耐水洗和干洗，對光、熱和化學(xué)物質(zhì)穩(wěn)定；⑤整理到織物上后不會產(chǎn)生有毒的氣體或固體[17-19]。

4.1.1紫外線屏蔽劑

紫外線屏蔽劑又稱“遮光劑”，主要以遮擋和反射高能量的紫外光為目的，是紫外線和織物之間的第一道屏障，該類整理劑沒有光能的轉(zhuǎn)化作用。常見的紫外線屏蔽劑主要是無機(jī)物質(zhì)，如陶瓷粉、金屬氧化物等細(xì)粉或超細(xì)粉。該類無機(jī)物質(zhì)有高嶺土、CaCO3、滑石粉、Fe2O3、ZnO和TiO2等，金屬氧化物的粒徑越小，反射紫外線的能力越強(qiáng)，所以采用納米級別的粒子作為整理劑效果更好[20]。

ZnO整理劑是一種很典型的無機(jī)類紫外線屏蔽劑，市場上已經(jīng)有大量利用ZnO整理劑處理過的功能性紡織品。納米ZnO粒子具有很好的抗紫外線和抗菌性能，而且整理到織物上后對織物的風(fēng)格影響很??；防紫外線性能相對于有機(jī)紫外線吸收劑更穩(wěn)定，牢度更好，且安全無毒。納米ZnO粒子可以直接添加到紡絲液中，再采用常規(guī)的紡絲方法制備化學(xué)纖維，該方法能使納米ZnO粒子均勻地分布在纖維內(nèi)部；也可以將納米ZnO制成母粒，再與聚丙烯或聚酯等聚合物切片混合，進(jìn)行熔融紡絲[3]。

TiO2粒子(特別是納米級TiO2粒子)是一種很好的功能材料，被廣泛地應(yīng)用在建材、環(huán)保、能源和催化材料等產(chǎn)業(yè)[21]。TiO2俗稱鈦白粉，其遮光效果很好，可用作白色顏料，也常作為滌綸等合成纖維的消光劑。TiO2也是一種很好的紫外線屏蔽劑，其禁帶寬度在3.2 eV，可以吸收波長為388 nm的紫外線。當(dāng)TiO2顆粒尺寸進(jìn)入納米級別時(shí)，納米材料具有的特殊的表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和量子隧道效應(yīng)，使其對光的吸收發(fā)生藍(lán)移，吸收的紫外線波長范圍變廣，效果更好。與傳統(tǒng)的紫外線整理劑相比，納米金屬氧化物具有用量少、屏蔽效率高、無毒、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)，整理到織物上后，對紡織品的色牢度、白度和強(qiáng)度基本沒有影響。但是，國內(nèi)TiO2的產(chǎn)量不高，且相對于其他無機(jī)類紫外線屏蔽劑使用成本較高，整理工藝有限。為了更好地利用TiO2的優(yōu)良性能，研發(fā)者們也在進(jìn)行各種嘗試，并取得很好的成果[22]。

4.1.2紫外線吸收劑

紫外線吸收劑一般為有機(jī)化合物，能夠強(qiáng)烈吸收紫外線，并將高能量的紫外線轉(zhuǎn)變成低能量的熱能或波長較短的電磁波釋放出來，從而起到抗紫外線的作用。紫外線吸收劑是紫外線和織物之間的第二道屏障。理想的紫外線吸收劑大多具有共軛結(jié)構(gòu)和氫鍵，主要的種類有水楊酸酯及其衍生物、二苯甲酮及其衍生物、苯并三唑及其衍生物、取代三嗪及其衍生物、取代丙烯腈及其衍生物和聚合物型紫外線吸收劑等[17]。

有機(jī)類紫外線吸收劑種類比無機(jī)類紫外線屏蔽劑要繁多，在實(shí)際應(yīng)用中靈活度較大。由于不同區(qū)域的紫外線強(qiáng)度和人體皮膚的承受能力不同，可相應(yīng)地選擇不同的整理劑和整理工藝，而且可以多種整理劑結(jié)合使用，效果更好[3]。經(jīng)過有機(jī)紫外線吸收劑整理的防紫外線織物在一定程度上能夠保持穩(wěn)定，但經(jīng)過長時(shí)間的、大量的紫外線照射會發(fā)生分解。研發(fā)工作者在提高有機(jī)類紫外線吸收劑的使用性能上做了大量的實(shí)驗(yàn)和工作，也開發(fā)了一些新的整理工藝或合成了新的更穩(wěn)定和高效安全的紫外線吸收劑[17]。

4.2　整理工藝

抗紫外線紡織品的加工和整理工藝有很多。可以直接制備抗紫外線纖維，然后再紡成織物，該方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠讓紫外線整理劑均勻地分布在纖維上，得到的抗紫外線織物的功能性更穩(wěn)定、持久；也可以在織物的后整理加工過程中進(jìn)行抗紫外線的整理，該方法不受纖維種類和整理劑的限制，對織物的風(fēng)格影響也較小[3,23-24]。

將聚合物和紫外線整理劑共混是目前生產(chǎn)抗紫外線纖維的主要方法，而所用的整理劑要求與聚合物有很好的相容性，一般選擇無機(jī)類紫外線屏蔽劑[25]。共混主要有兩種途徑：一是將紫外線屏蔽劑添加到紡絲液中，進(jìn)行熔融紡絲；另一種則是在聚合反應(yīng)時(shí)添加紫外線屏蔽劑，通過一定的條件合成抗紫外線改性樹脂，直接進(jìn)行紡絲[26]。

傳統(tǒng)的對織物進(jìn)行抗紫外線后整理加工的方法主要有四種：高溫高壓吸盡法、常壓吸盡法、軋-烘-焙或軋堆法和涂層法。對于一些不溶或難溶的整理劑，可以采用類似于用分散染料對滌綸進(jìn)行染色的高溫高壓吸盡法工藝[27]；常溫常壓吸盡法主要是用水溶性的整理劑處理羊毛、蠶絲、棉和錦綸等織物；軋-烘-焙或軋堆法主要是針對棉織物的整理加工?？梢园l(fā)現(xiàn)，抗紫外線后整理工藝與染色工藝的條件很類似，所以一般也可讓染色和整理同時(shí)進(jìn)行。涂層法的應(yīng)用則更為普遍，人們生活中的遮陽傘或遮陽帽，一些防曬服等都采用涂層法進(jìn)行抗紫外線加工，該工藝的缺點(diǎn)是加工后的織物手感發(fā)硬，且摩擦牢度不好。

隨著技術(shù)進(jìn)步和人們對服裝等織物性能和風(fēng)格的更高要求，研發(fā)工作者們也在不斷嘗試新的方法和工藝來改善目前工藝的不足。例如利用微膠囊技術(shù)，先將紫外線整理劑包裹在膠囊內(nèi)，然后通過黏合劑和交聯(lián)劑使膠囊固著在織物上，在服用過程中膠囊緩慢釋放整理劑發(fā)揮抗紫外線的作用，該方法大大延長了織物的有效抗紫外線的作用時(shí)間[28]。隨著防護(hù)服裝的發(fā)展，未來可能在一件紡織品上具有多種防護(hù)功能，如抗菌、阻燃的抗紫外紡織品等[29-30]。

5抗紫外線紡織品的發(fā)展前景

隨著生活水平的提高，人們對生活質(zhì)量和日常保健也越來越重視，防紫外線紡織品的市場也會越來越大。目前市場上比較常見的防紫外線紡織品有遮陽傘、防曬服、窗簾和卡車篷布等，也有一些防紫外線的絲襪、運(yùn)動(dòng)服、泳衣等紡織品。2014年夏季，服裝市場上很流行防曬服，但是防曬服面料的防紫外線性能參差不齊，市場上大多數(shù)的防曬服還達(dá)不到國家標(biāo)準(zhǔn)。因此，應(yīng)進(jìn)一步開展紡織品防紫外線整理工藝的研發(fā)，開發(fā)出達(dá)標(biāo)的更適合人們?nèi)粘Ｉ钚枰姆眉徔椘贰?/p>

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The anti-ultraviolet properties of fabrics

FuQing,DengHua(Tianjin Polytechnic University)

Abstract:The anti-UV properties of fabrics and the concerned evaluation parameters of anti-UV properties, the ways to test, the evaluation standards in different countries and areas of this kind of products, the affect factors and anti-UV treatment processions were introduced. The experiments which test out the UV protection factors (UPF) and the UV transmission of some common fabrics and fibers aim to analyze the anti-UV properties in terms of the structures of fibers. The results of this experiment indicate that these fabrics which have not been anti-UV treated are far short of the requirements of the standards.

Keywords:fabric, anti-UV property, fiber structure, affect factor, treatment