紡織品抗紫外隔熱涂層研究進(jìn)展

薛如意+鞠劍峰+徐山青

摘要：介紹了紡織品抗紫外、隔熱涂層國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展，簡(jiǎn)述了其抗紫外、隔熱原理、涂層整理方法以及納米材料在抗紫外、隔熱涂層中的應(yīng)用，展望了紡織品抗紫外、隔熱涂層的研究趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：納米材料；抗紫外；隔熱；涂層；紡織品

中圖分類號(hào)：TS195.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Progress of Ultraviolet Resistance and Heat Insulation Coating on Textile

Abstract： The research progress of ultraviolet resistance and heat insulation coatings on textile were introduced. The principle of ultraviolet resistance and heat insulation coating， finishing methods and the application of nanometer materials were simply reviewed. The research trend of ultraviolet resistance and heat insulation coating on textile were proposed.

Key words： nanometer materials； ultraviolet resistance； heat insulation； coating； textile

隨著人們生活水平的提高，戶外活動(dòng)不斷增多，由于戶外環(huán)境復(fù)雜多變，對(duì)功能性紡織品的需求不斷增加，其中具有抗紫外、隔熱功能的紡織品就是重要的一種，此類紡織品通過(guò)涂覆抗紫外、隔熱涂層來(lái)實(shí)現(xiàn)。

抗紫外、隔熱涂層中最重要的是具有吸收或反射紫外光、熱量的納米粉體材料。納米材料具有小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)等特性，使得其具有一些優(yōu)異性能。如納米材料的量子尺寸效應(yīng)等使其對(duì)某種波長(zhǎng)及各種波長(zhǎng)的光吸收帶有藍(lán)移和寬化現(xiàn)象，因此起到抗紫外效果。當(dāng)光照射到納米材料表面時(shí)，納米材料吸收一部分熱能，同時(shí)，部分紅外及可見(jiàn)光被反射，因此添加這類納米材料可以發(fā)揮隔熱作用。借助于涂層技術(shù)，在涂層中添加納米材料，可獲得具有抗紫外、隔熱性能的功能性紡織品，目前涂層中添加的無(wú)機(jī)納米材料主要有納米TiO2、ZnO、Al2O3、SiO2等。

1 紡織品抗紫外、隔熱涂層制備方法及原理

1.1 涂層整理

涂層整理是指在織物表面均勻地涂敷1層或多層高分子成膜物質(zhì)，使其產(chǎn)生不同功能的一種表面加工技術(shù)。涂層可以改變織物外觀，改變織物風(fēng)格，增加織物功能。抗紫外、隔熱涂層就是其中一種。

涂層劑的種類不同，它的性能也不同。從化學(xué)結(jié)構(gòu)方面，常見(jiàn)的涂層劑包括聚氯乙烯樹(shù)脂（PVC）、聚丙烯酸酯涂層劑（PA）、聚氨酯涂層劑（PU）、天然橡膠和合成橡膠涂層劑。按使用的介質(zhì)，可分為溶劑型和水分散型。其中PA和PU是兩種常用的涂層劑。PA涂層劑優(yōu)點(diǎn)是耐日光和氣候牢度好，不易泛黃；透明度和共溶性好，有利于生產(chǎn)有色涂層產(chǎn)品；耐洗性好；粘著力強(qiáng)；成本較低。其缺點(diǎn)是彈性差，易折皺；表面光潔度差；手感難以調(diào)節(jié)適度。PU涂層劑的優(yōu)點(diǎn)是涂層柔軟并有彈性；涂層強(qiáng)度好，可用于很薄的涂層；涂層多孔性，具有透濕和通氣性能；耐磨、耐濕、耐干洗。其缺點(diǎn)是成本較高；耐氣候性差；遇水、熱、堿要水解。PU涂層劑是當(dāng)今發(fā)展的主要種類，雖然其耐寒性差、手感不爽、彈性低，但由于成本較低，目前仍被廣泛使用。PU涂層劑主要用于高檔產(chǎn)品和出口品種，目前聚氨酯涂層劑多以溶劑型為主?？椢锏耐繉臃椒ㄖ饕ㄖ苯油繉?、轉(zhuǎn)移涂層、凝固涂層、泡沫涂層和層壓等。涂層整理目前存在的主要問(wèn)題是整理時(shí)采用的分散介質(zhì)大部分為有機(jī)溶劑，具有易燃、有毒、價(jià)格較高等缺點(diǎn)，發(fā)展以水為分散介質(zhì)的涂層劑是目前的發(fā)展方向。

1.2 抗紫外、隔熱原理

一束光照射到織物上時(shí)，常發(fā)生吸收、透過(guò)、反射等 3 種現(xiàn)象，即一部分被織物吸收，一部分在織物表面反射，其余則透過(guò)織物?？棺贤饩€原理是利用具有抗紫外性能的納米粉體材料添加到涂料中并對(duì)織物進(jìn)行整理，當(dāng)光輻射到織物上時(shí)，小部分透過(guò)織物，絕大部分被納米粉體材料反射或吸收。隔熱機(jī)理可以分為阻隔型、反射型、輻射型。其中反射型研究最多，作用機(jī)理是反射可見(jiàn)光和近紅外光區(qū)的輻射能。

1.3 抗紫外涂層的制備

納米TiO2是一種無(wú)毒、成本低廉、來(lái)源豐富、化學(xué)穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性高、光散射力強(qiáng)、紫外線屏蔽性好的白色粉末，作為功能粒子通過(guò)涂層整理的方法粘附到織物上，可以提高織物的抗紫外、隔熱性能。李光等通過(guò)原位聚合制備TiO2/PET復(fù)合材料，考察了TiO2含量對(duì)UV吸收性能的影響，TiO2/PET復(fù)合材料在350～380nm處UV吸收性能隨著TiO2含量的增加而變大，熱穩(wěn)定性變化不大。徐小峰等利用溶膠凝膠技術(shù)，制得納米TiO2水溶膠，并對(duì)棉織物進(jìn)行抗紫外整理，結(jié)果經(jīng)過(guò)整理的織物抗紫外性能好，還表現(xiàn)出一定拒水性能和抗靜電性能。Darka等制備了用海藻酸鹽/TiO2改性的滌綸織物，通過(guò)整理過(guò)的滌綸織物的UPF值來(lái)評(píng)估紫外線防護(hù)等級(jí)。

納米ZnO是研究及應(yīng)用較多的另一種納米粉體材料，目前廣泛應(yīng)用于防曬霜。陶冶制備了納米ZnO溶膠并應(yīng)用于錦綸織物的抗紫外整理，實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)整理織物抗紫外性能明顯提高。G.Broasca等制備了表面覆著有ZnO的滌綸織物，ZnO的最佳量是3%～5%，經(jīng)過(guò)處理的滌綸織物有良好抗紫外性，其織物的機(jī)械性能未改變。A. El. shafei等在不同溫度下制備了ZnO/羥甲基殼聚糖納米復(fù)合材料，再將這種物質(zhì)通過(guò)軋烘焙整理到棉織物上，整理過(guò)的棉織物表現(xiàn)出良好的抗紫外性能。

SiO2納米粉體材料的研究及應(yīng)用較少，且一般為復(fù)合粉體材料。Weibin Bai等通過(guò)溶膠-凝膠法制備了漆酚甲醛聚合物/多羥基丙烯酸樹(shù)脂/SiO2納米復(fù)合材料，通過(guò)1000h抗紫外測(cè)試，結(jié)果表明，制備的納米復(fù)合材料有良好的抗紫外性能，并且當(dāng)SiO2含量達(dá)到5 wt.%時(shí)，納米復(fù)合材料表現(xiàn)出最佳的抗紫外性。Jaroenworaluck A等用溶膠-凝膠法合成了介孔結(jié)構(gòu)的SiO2凝膠，再摻雜TiO2納米顆粒。結(jié)果表明，TiO2濃度，顆粒大小，表面特性和紫外吸收程度有關(guān)。

這些納米粉體材料雖然研究較多，但是還存在使用時(shí)易團(tuán)聚的缺點(diǎn)，不能發(fā)揮納米顆粒的特性。如果對(duì)納米顆粒進(jìn)行表面改性，使用時(shí)納米顆粒不易團(tuán)聚，就可以改善復(fù)合涂層的均一性，提高其抗紫外、隔熱性能。

J.Zabret等將采用SiO2/Al2O3進(jìn)行表面改性的納米TiO2作為添加劑加入聚丙烯酸復(fù)合涂層中，并測(cè)定其分散性能和抗紫外性能，結(jié)果，添加了SiO2/Al2O3表面改性的納米TiO2的聚丙烯酸復(fù)合涂層具有更好的粒子分散性能和抗紫外性能。李鑫偉等將用硅烷偶聯(lián)劑KH-550表面改性的TiO2添加于氟碳涂料中制成復(fù)合涂料，改性后的納米TiO2分散性好，具有較好的抗紫外性能。J.Godnjavec等為了提高TiO2納米顆粒在丙烯酸水性涂料中的分散性，通過(guò)兩步表面改性，先在TiO2表面用Al2O3改性，再用多面體低聚硅氧烷改性，能大大提高TiO2的分散性，減少因TiO2團(tuán)聚而對(duì)紫外線吸收率低的現(xiàn)象。李紅等采用陰離子表面活性劑和偶聯(lián)劑對(duì)納米ZnO分散處理，再整理到亞麻織物上，發(fā)現(xiàn)納米ZnO分散體系穩(wěn)定性好，而且整理過(guò)的亞麻織物抗紫外性能明顯提高。這些研究表明，對(duì)納米顆粒進(jìn)行表面改性是提高涂層抗紫外性能的重要手段。

1.4 隔熱涂層的制備

陳克寧等以聚氨酯為粘合劑，TiO2為功能粒子，采用涂層方法制備高性能的隔熱涂層織物。結(jié)果表明，涂層織物的隔熱性能和機(jī)械性能均較好。王科林等以TiO2為功能粒子，采用涂層的方法制備了隔熱性能較好的TiO2涂層織物，結(jié)果表明，涂層后，織物的隔熱性能明顯提高了。李娜等制備了單分散球形SiO2顆粒，通過(guò)浸軋工藝將其用于棉織物紅外反射隔熱整理中，利用FTIR、TEM等手段對(duì)樣品進(jìn)行表征，結(jié)果表明：整理后的織物在紅外輻射下升溫速度緩慢，且比未整理織物表面溫度低，使織物具有隔熱、涼爽性能。

李明珠等研制了以納米TiO2、相變微膠囊作為功能填料的新型紡織品用隔熱降溫涂料，將其用于戶外紡織品涂層整理。經(jīng)模擬陽(yáng)光照射120min，布下平均溫度在23～26℃，最大溫差達(dá)23℃，滿足應(yīng)用要求。Lu等制備了混有摻銻SnO2的水性聚氨酯隔熱涂層，在復(fù)合涂層中摻銻SnO2能吸收紅外線，測(cè)試結(jié)果表明：在光照條件下，涂層玻璃表面溫度升高，但測(cè)量箱內(nèi)部溫度降低17.5℃。Yu Zhang等通過(guò)沉淀法合成摻Al的ZnO納米花和納米棒，再將它們混入丙烯酸樹(shù)脂中合成復(fù)合涂層，結(jié)果表明涂層有一定的隔熱性能。Xiao等使用溶膠-凝膠法制備TiO2/SiO2殼核納米粒子填料，再將這種功能填料加入涂層中，結(jié)果表明加入TiO2/SiO2殼核納米粒子的涂層隔熱效果明顯提高了。許輝等制備了以SiO2氣凝膠為功能填料的透明隔熱涂料，結(jié)果表明，該隔熱涂料有良好的隔熱性能及化學(xué)穩(wěn)定性。

隔熱涂層中添加的納米顆粒也存在團(tuán)聚問(wèn)題，為提高涂層隔熱性能，改善納米顆粒團(tuán)聚，不少研究者也進(jìn)行了一些研究。盧斌等制備了用穩(wěn)定劑改性的SiO2氣凝膠透明隔熱涂料，實(shí)驗(yàn)表明SiO2氣凝膠顆粒分散均勻，同時(shí)具有較好的隔熱效果。王科林等通過(guò)試驗(yàn)用十二烷基苯磺酸鈉對(duì)TiO2表面改性，提高TiO2粉體在聚氨酯隔熱涂料中的分散性和穩(wěn)定性，結(jié)果證實(shí)改性后的TiO2在聚氨酯隔熱涂料中的分散穩(wěn)定性及其涂層織物的隔熱性能均有不同程度的提高。

氣凝膠被認(rèn)為是最有前景的高性能隔熱材料之一，與傳統(tǒng)的隔熱材料相比，因?yàn)槠鋵?dǎo)熱系數(shù)下降至13mW·m-1·K-1，所以表現(xiàn)出顯著的隔熱性能，但氣凝膠本身的脆性及SiO2氣凝膠對(duì)高溫環(huán)境中紅外線高透過(guò)率的缺陷，限制了它的應(yīng)用范圍，若在氣凝膠中摻入遮光劑就能改善這些情況。如赫曉東等制備不同含量碳納米管的SiO2氣凝膠隔熱材料，在一定程度上SiO2氣凝膠的脆性得到改善，孔徑也變小且均勻分布。張賀新等以K2Ti6O3為紅外遮光劑，采用溶膠-凝膠法制備了K2Ti6O3-SiO2氣凝膠納米孔復(fù)合隔熱材料，結(jié)果表明K2Ti6O3-SiO2復(fù)合材料紅外透過(guò)率隨晶須含量的增加而減少。

1.5 抗紫外、隔熱涂層的制備

范立紅等利用納米無(wú)機(jī)氧化物（TiO2和ZnO）對(duì)大豆蛋白織物進(jìn)行防紫外線復(fù)合涂層整理，性能測(cè)試表明，整理后的大豆蛋白織物不但具有優(yōu)良的抗紫外功能，還有優(yōu)良的抗紅外及隔熱效果。王書(shū)忠等研究了無(wú)機(jī)納米粒子/丁苯膠乳復(fù)合技術(shù)的研究，結(jié)果證明納米CaCO3和納米ZnO都有隔熱功能，而且ZnO還具有防紫外老化功能。盛振宏等通過(guò)液相法制備出高效阻隔紅外和紫外輻射的環(huán)保涂層材料，涂敷在玻璃上，測(cè)得膜層紫外線屏蔽率為75.7%，紅外阻隔率為92%。

Teng等將對(duì)苯二甲酸乙二醇酯和抗紫外劑（TiO2和偶氮亞胺基苯的衍生物）混合，再紡成改性滌綸織物，結(jié)果表明改性滌綸織物的透射比在UVB波段內(nèi)小于 10%，能有效屏蔽紫外線，同時(shí)其具有良好的隔熱性能。官文超等分別制備了富勒烯衍生物C60/丙烯酸/丙烯酸丁酯無(wú)皂乳液和C60/聚-2-丙烯酰胺-甲基丙磺酸，水溶性C60衍生物在阻隔紅外和紫外的環(huán)保涂料上有很大潛力。朱超等用高分子模板制備Y2O3功能性復(fù)合薄膜，證明其有優(yōu)異的抗近紅外和抗紫外線的性能。李偉博等制備摻鋁氧化鋅納米粉體，將其表面改性后，與聚乙烯醇縮丁醛共混后得到復(fù)合薄膜，當(dāng)鋁摻雜量為2%時(shí)，復(fù)合薄膜紫外線透過(guò)率最大，近紅外透過(guò)率最低。劉穎等用激光沉積法在玻璃表面制備了TiO2薄膜，結(jié)果表明薄膜對(duì)紫外和近紅外的阻率分別為大于70%和大于20%。

2 隔熱抗紫外涂層織物的發(fā)展研究趨勢(shì)

隔熱抗紫外涂層織物應(yīng)向功能型多功能化產(chǎn)品發(fā)展?？椢镌讷@得抗紫外隔熱性能的同時(shí)還具有自清潔、拒水拒油、抗菌、防靜電等性能，以滿足市場(chǎng)需求。

隔熱抗紫外涂層織物應(yīng)該向綠色環(huán)?；较虬l(fā)展。PU涂層所用的溶液大都是溶劑型的，以有機(jī)溶劑為主，對(duì)操作者危害較大，易燃易爆，還具有污染環(huán)境，溶劑回收難等問(wèn)題。研究完全水分散的涂層劑是當(dāng)前發(fā)展發(fā)展趨勢(shì)，其中，水性聚氨酯是以水為分散介質(zhì)的新型聚氨酯體系，具有無(wú)污染、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，將其用于隔熱抗紫外涂層織物整理，是一種新的發(fā)展方向。

隔熱抗紫外涂層織物應(yīng)向智能化發(fā)展。智能化是集感知、驅(qū)動(dòng)和信息處理于一體，具備自感知、自診斷、自適應(yīng)、自修復(fù)等智能性功能。例如防水透氣織物，是指織物既能防雨防風(fēng)，又能排汗、透氣、穿著舒適，在穿著過(guò)程中使水在一定壓力下不浸透織物，而人體散發(fā)的汗液等卻能以水蒸汽的形式通過(guò)織物傳導(dǎo)到外界，而不在人體表面與織物之間冷凝積聚，保持穿著者干爽、溫暖。若能將隔熱抗紫外和防水透氣這幾大功能結(jié)合于一體，這種智能化織物將具有更大發(fā)展前景。

隔熱抗紫外涂層織物還應(yīng)該向具有特殊功能的方向發(fā)展。例如，電磁輻射是人類健康的第4大危害，人們幾乎時(shí)刻處在電磁輻射的環(huán)境中，如果開(kāi)發(fā)出具有電磁波屏蔽作用等特殊功能的隔熱抗紫外涂層織物，將具有較大的應(yīng)用前景。

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作者簡(jiǎn)介：薛如意，女，1990年生，碩士在讀，主要從事納米材料的制備及性能研究。

作者單位：薛如意、鞠劍峰、徐山青，南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院；鞠劍峰，南通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院。

基金項(xiàng)目：教育部留學(xué)人員科研基金（教育部留學(xué)回國(guó)人員科研啟動(dòng)基金，編號(hào)2014-1685）；江蘇省教育廳自然科學(xué)研究項(xiàng)目（江蘇省自然科學(xué)基金，編號(hào)13KJB150032）。