織物的抗紫外線性能

織物的抗紫外線性能

付青鄧樺(天津工業(yè)大學，天津，300387)

摘要：介紹了織物的抗紫外線性能，相關的性能評價參數(shù)和測試方法，不同國家和地區(qū)的標準，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)對織物紫外線防護性能的影響。未經(jīng)防紫外整理的紡織品遠遠達不到紫外防護標準的要求。

關鍵詞：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文獻標志碼：A

收稿日期：2014-09-10

作者簡介：付青，女，1993年生，在讀大學本科生。輕化工程專業(yè)。

從20世紀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重破壞，到達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等化學鍵在紫外線作用下可能發(fā)生斷裂，所以含有上述化學鍵的材料暴露在強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間和季節(jié)而變化，夏季太陽直射時紫外線輻射量達到最大，這時做好紫外線防護工作尤為重要。

1織物的抗紫外線性能

紫外線的防護問題早在20世紀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。紡織界對紫外防護產(chǎn)品進行了研發(fā)，在一些發(fā)達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行防護。日本抗紫外線織物的開發(fā)一直處于國際領先地位，相繼推出了抗紫外線的運動服、襯衫、帽子和太陽傘等制品。近年來，國內(nèi)也開始了有關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)，存在以下關系式：

Ri=Rr+Ra+Rt

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

1.2　織物的抗紫外線性能評價參數(shù)、測試方法及相關標準

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(即紫外線防護系數(shù)，UPF)和遮蔽率結(jié)合的標準來判斷織物的抗紫外線能力。符合標準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三個等級[5]。澳大利亞、歐洲、美國、中國等國家和地區(qū)評價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)紅斑的時間，進行比較。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準卡上，用紫外線燈在距離試樣50 cm 處照射，先測出標準卡達到一級變色的時間，再進行定量分析。

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

(4)分光光度計法：采用分光光度計，測定透過織物的紫外線的量，再通過計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，在實際應用中應根據(jù)所要得到的結(jié)果的精確程度和使用的設備進行選擇。

目前，全球還沒有統(tǒng)一的抗紫外線紡織品的檢測標準。由于不同區(qū)域的紫外線輻射量和當?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?shù)氐那闆r制定合適的檢測條件和標準[11]?，F(xiàn)行的抗紫外線性能測試方法主要有歐盟標準(EN 13758.1、EN 13758.2+A1)，澳大利亞/新西蘭標準 (AS/NZS 4399) ，美國標準(ASTM D 6544、ASTM D 6603、AATCC 183)，英國標準(BS 7914)以及中國標準(GB/T 18830)，這些標準均采用分光光度計法進行測試和計算紡織品的紫外線透過率和UPF值[12]。

美國和澳大利亞標準規(guī)定UPF值≥15，歐洲標準規(guī)定UPF值>40的紡織品為抗紫外線紡織品。中國標準GB /T 18830—2009《紡織品防紫外線性能的評定》的評定原則是: 當樣品的UPF>40且T(UVA)av<5%時，可稱為“防紫外線產(chǎn)品”。由于進行測試的預處理操作與條件不同，這些標準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驗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，防護效果越好；異形纖維的防護作用比圓形纖維好。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；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作用，如黑色、深藍色等深濃顏色對紫外線的吸收強；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，本實驗中織物和纖維本身的UPF都較低，遠達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號樣品的實驗結(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。本實驗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。有文獻報道[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。本實驗結(jié)果表明，滌綸對UVA和UVB的阻礙作用比其他幾種纖維要強，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。本實驗結(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。從本實驗和前人得出的結(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，但是從本實驗結(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遠達不到防護標準。因此，研究人員用紫外線整理劑對織物進行整理，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符合以下條件：①安全無毒，不刺激皮膚或引起過敏反應；②能夠吸收反射紫外線的波長范圍應包含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、強度和色牢度；④耐水洗和干洗，對光、熱和化學物質(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物質(zhì)，如陶瓷粉、金屬氧化物等細粉或超細粉。該類無機物質(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，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格影響很小；防紫外線性能相對于有機紫外線吸收劑更穩(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TiO2顆粒尺寸進入納米級別時，納米材料具有的特殊的表面效應、小尺寸效應、量子尺寸效應和量子隧道效應，使其對光的吸收發(fā)生藍移，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)定性強等特點，整理到織物上后，對紡織品的色牢度、白度和強度基本沒有影響。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化合物，能夠強烈吸收紫外線，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]。

有機類紫外線吸收劑種類比無機類紫外線屏蔽劑要繁多，在實際應用中靈活度較大。由于不同區(qū)域的紫外線強度和人體皮膚的承受能力不同，可相應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)工作者在提高有機類紫外線吸收劑的使用性能上做了大量的實驗和工作，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?？梢灾苯又苽淇棺贤饩€纖維，然后再紡成織物，該方法的優(yōu)點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，進行熔融紡絲；另一種則是在聚合反應時添加紫外線屏蔽劑，通過一定的條件合成抗紫外線改性樹脂，直接進行紡絲[26]。

傳統(tǒng)的對織物進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進行。涂層法的應用則更為普遍，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行抗紫外線加工，該工藝的缺點是加工后的織物手感發(fā)硬，且摩擦牢度不好。

隨著技術(shù)進步和人們對服裝等織物性能和風格的更高要求，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間[28]。隨著防護服裝的發(fā)展，未來可能在一件紡織品上具有多種防護功能，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、運動服、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)的防曬服還達不到國家標準。因此，應進一步開展紡織品防紫外線整理工藝的研發(fā)，開發(fā)出達標的更適合人們?nèi)粘Ｉ钚枰姆眉徔椘贰?/p>

參考文獻

[1]萬震,劉嵩,李克讓.防紫外線織物的最新研究進展[J].印染，2001(1):42-44.

[2]KRISTIN G S, BRETT K, CHELSEA S, et al. Uniform polymer particles formulated with ultraviolet protective materials for the protection of UV sensitive molecules [J]. Dyes and Pigments，2014(105):12-22.

[3]商成杰.功能紡織品[M].北京：中國紡織出版社，2006:201-232.

[4]張鵬飛,藍海嘯,趙堅.防紫外線紡織品的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].紡織科技進展，2011(5):10-12.

[5]趙家祥.日本開發(fā)防紫外線織物的現(xiàn)狀[J].紡織科學研究，1998(4):43-47.

[6]高妍,謝孔良.紡織品防紫外線整理劑發(fā)展綜述(一)[J].染整技術(shù)，2012(12):11-14.

[7]BISWA R D. UV Radiation Protective Clothing [J]. The Open Textile Journal，2013(3):14-21.

[8]溫小麗,顧平.防紫外線織物的作用機理及加工方法[J].國外絲綢，2009(3):15-17.

[9]徐靜.紡織品防紫外線影響因素及其檢測標準對比[J].上海紡織科技，2010(10):17-19.

[10]何秀玲.紡織品抗紫外線保持性測試方法[J].印染，2010(13):36-41.

[11]高銘,湯曉蓉.紡織品防紫外線性能的檢測標準近況[J].印染，2009(3):40-43.

[12]陸洪凱,張紅,顧鈺華,等.防紫外線紡織品認證中的測試與評價[J].上海紡織科技，2012(4):47-50.

[13]王玉.防紫外線織物的加工與檢測進展[J].江蘇紡織，2010(1):55-57.

[14]吳穎,王建平.功能性紡織品的功能評價方法與標準化現(xiàn)狀(二)[J].印染， 2007(9):43-48.

[15]曹機良,孟春麗,邊亞敏.織物含水率對其抗紫外性能的影響[J].絲綢，2013 (3):27-30.

[16]張紅霞,施立佳,田偉,等.工藝參數(shù)對織物抗紫外線性能的影響[J].紡織學報，2009(10):53-57.

[17]黃方千,李強林,楊東潔,等.有機紫外線吸收劑研究進展[J].印染，2011(20):47-52.

[18]安秋鳳,王雁,路德待,等.織物用抗紫外線整理劑的研究進展[J].化工進展，2007(6):819-824.

[19]嚴玉蓉,趙耀明,胡嵐.紫外吸收劑及紫外屏蔽纖維/織物的發(fā)展[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品,2001,19(8):5-8.

[20]YUEN C W M, KAN C W, WONG Y W. Characterization and analysis of the active contents of nano-chemicals for textile application[J]. Fibers and Polymers，2009,10(5):606-610.

[21]LI Zhengrong, XU Haiyu, FU Kejie, et al. ZnO nanosol for enhancing the UV-protective property of cotton fabric and pigment dyeing in a single bath[J]. AATCC Review，2007(6):38-41.

[22]鄧樺,任瑋,黃占林,等.碘摻雜納米TiO2的制備及處理棉織物的性能[J].材料工程，2008(10):60-63.

[23]JUSTYNA M W C. New fiber-reaction UV-absorbers increasing protective properties of cellulose fibres[J]. Cellulose，2012(19):1781-1790.

[24]張明政,沈云,甄莉莉,等.新型紫外線吸收劑的合成及其在棉織物中的應用[J].紡織學報，2014(2):52-55.

[25]曾林泉.紡織品整理技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展(Ⅰ)[J].紡織科技進展，2011(2):8-15.

[26]林大林.抗紫外滌綸纖維的性能及應用[J].針織工業(yè)，1999(3):28-30.

[27]陳維國,戴瑾瑾,汪智勇,等.紫外線吸收劑對滌綸的上染及其紫外線吸收性能[J].紡織學報，2009(6):80-85.

[28]余志穎.功能性紡織品發(fā)展探析與評價[J].輕紡工業(yè)與技術(shù)，2013(2):25-27.

[29]鄧樺,張紀梅,李秀明,等.納米二氧化鈦多功能織物整理劑的制備與性能[J].紡織學報，2006,27(3):92-94.

[30]陳茹,田舒剛,余和兵,等.滌綸織物的阻燃、防紫外線整理工藝[J].印染,2006(1):34-35.

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