PVC涂層玻璃纖維編織物抗紫外性能研究

李 堅(jiān)，王建明，任丹萍

（浙江西大門新材料股份有限公司，浙江紹興 312030）

紫外線是指在電磁波譜中波長為180～400 nm 的電磁波，其中波長在290 nm 以下的紫外線稱為短波紫外線或者極短紫外線，即UVC；波長在290～320 nm的紫外線稱為中波紫外線或者遠(yuǎn)波紫外線，即UVB；波長在320～400 nm 的紫外線稱為長波紫外線或者近紫外線，即UVA［1-2］。陽光中的UVB 和UVA 可以透過大氣臭氧層對人體皮膚造成傷害，過量的紫外線輻射會使皮膚曬傷、變黑甚至引起組織病變。UVC 波段的紫外光幾乎被大氣中的臭氧層全部吸收，研制防曬膏之類的化妝品和防紫外整理服裝，都是為了遮擋過度的紫外線照射，達(dá)到保護(hù)人體皮膚的作用。紡織品的防紫外性能因?yàn)槔w維種類和組織結(jié)構(gòu)差異而有較大不同，經(jīng)過長時間日曬，織物會褪色、泛黃、變脆，強(qiáng)力、防紫外性能也會大幅下降［3-4］。

紫外線輻射到織物上時會有反射、吸收、透過織物3 種結(jié)果［5-7］，所以，為了防止紫外光照射到皮膚上，需要增強(qiáng)紡織品對紫外光的吸收或者反射。利用紫外吸收劑可以吸收紫外線的特點(diǎn)，將紫外吸收劑整理到織物上，以此增強(qiáng)織物對紫外光的吸收，可以有效提高紡織品的防紫外性能。

本實(shí)驗(yàn)將水楊酸酯類、苯并三唑類和二苯甲酮類紫外吸收劑整理到PVC 涂層玻璃纖維編織物上，探究不同種類紫外吸收劑對PVC 涂層玻璃纖維編織物抗紫外線性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與儀器

材料：水楊酸苯酯、2-（2′-羥基-3′,5′-二叔丁基苯基）-5-氯代苯并三唑，2-羥基-4-正辛氧基二苯甲酮（分析純，上海泰坦科技股份有限公司），PVC 涂層的玻璃纖維編織物（浙江西大門新材料股份有限公司），黏合劑、增稠劑（傳化集團(tuán)有限公司），N,N-二甲基甲酰胺（分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）。

儀器：P4 型紫外-可見分光光度計(jì)（上海美譜達(dá)儀器有限公司），X-rite 型電腦測色配色儀（上海理彩實(shí)業(yè)有限公司），R-3 型焙烘機(jī)（臺灣瑞比染色試機(jī)有限公司），F(xiàn)T-IR 6600 型傅里葉變換紅外光譜儀（江蘇天瑞儀器股份有限公司），GZX-9240MBE 型電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠），EL204 型電子分析天平（瑞士METTLERTOLEDO 公司），G208E 型便攜式顯微鏡（錫萊亞太拉斯深圳有限公司），UV2000 型紫外透過率測試儀（上海羅中科技發(fā)展有限公司），YG461G-Ⅱ全自動透氣量儀（寧波大禾儀器有限公司）。

1.2 防紫外整理

防紫外整理劑漿料配方：水85%，增稠劑5%，黏合劑10%。

分別配制1%、5%、10%的2-羥基-4-正辛氧基二苯甲酮（HO）、水楊酸苯酯（PS）和2-（2′-羥基-3′,5′-二叔丁基苯基）-5-氯代苯并三唑（TBC）紫外吸收劑整理液，攪拌均勻；將防紫外整理劑整理后的織物樣品分別命名為HO-1%、HO-5%、HO-10%、PS-1%、PS-5%、PS-10%、TBC-1%、TBC-5%、TBC-10%，防紫外整理劑組成如表1所示。

表1 防紫外整理劑組成

1.3 測試

紅外光譜：分別使用研缽充分研細(xì)紫外吸收劑，過篩，將微量紫外吸收劑加入壓片機(jī)模具中壓片，制成透光薄片；采用傅里葉變換紅外光譜儀進(jìn)行表征，波數(shù)范圍為4 000～500 cm-1。

吸光度：分別將3 種紫外吸收劑溶解在N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中配制成溶液，使用紫外-可見分光光度計(jì)進(jìn)行測量，測量范圍280～400 nm。

微觀形貌：將防紫外整理的PVC 涂層玻璃纖維編織物放大至一定倍數(shù)，采用光學(xué)顯微鏡觀察表面涂層的形貌以及編織方式。

透氣性能：在防紫外整理的PVC 涂層玻璃纖維編織物的不同位置測量10 次，取平均值，測試壓力100 Pa，測試面積20 cm2。

抗紫外性能：根據(jù)GB/T 18830—2009［8］《紡織品防紫外線性能的評定》，采用紡織品防紫外性能測試儀測定紫外線透過率、紫外線防護(hù)因子以及窗簾布原布和光變色印花織物的紫外透過率，并繪制曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 表征

2.1.1 紅外光譜

由圖1a 可以看出，—CH3中的C—H 伸縮振動峰在2 953 cm-1處出現(xiàn)，在2 918、2 854 cm-1處出現(xiàn)的峰歸因于—CH2—中C—H 的伸縮振動，HO 中形成的分子內(nèi)氫鍵的CO 伸縮振動峰在1 628 cm-1處出現(xiàn)，同時在3 447 cm-1處出現(xiàn)的O—H 伸縮振動峰和在1 266 cm-1處出現(xiàn)的苯酚的C—O 伸縮振動峰也可以證實(shí)HO 形成了分子內(nèi)氫鍵。此外，在698、806 cm-1處為苯環(huán)上三取代后的C—H 面外彎曲振動，與HO 的分子結(jié)構(gòu)相吻合。

由圖1b 可以看出，1 184、3 189、1 681 cm-1處分別對應(yīng)苯酚中C—O 的伸縮振動峰、苯酚中羥基的伸縮振動峰和酯鍵中CO 的伸縮振動峰，為其形成可吸收紫外線的分子內(nèi)氫鍵結(jié)構(gòu)提供了理論支持。此外，1 482 cm-1處苯環(huán)骨架振動峰和748、694 cm-1處苯環(huán)二取代后C—H 的面外彎曲振動峰，均證實(shí)了PS對應(yīng)的分子結(jié)構(gòu)。

由圖1c 可以看出，3 002、1 047 cm-1處苯環(huán)的C—H 伸縮振動峰和C—N 伸縮振動峰證明苯并三唑結(jié)構(gòu)的存在。此外，3 447 cm-1處是羥基的伸縮振動峰，為TBC 分子內(nèi)形成分子內(nèi)氫鍵而產(chǎn)生螯合環(huán)結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)，2 959、1 390 cm-1處—CH3伸縮振動峰和面內(nèi)彎曲振動峰的出現(xiàn)以及1 434 cm-1處C—Cl 伸縮振動峰的出現(xiàn)證明了TBC 分子結(jié)構(gòu)。

圖1 HO、PS 和TBC 紫外吸收劑的紅外光譜圖

2.1.2 紫外光譜

由圖2a 可以看出，325、290 nm 處有2 個吸收峰，對紫外光吸收強(qiáng)烈。由圖2b 可以看出，309 nm 處有1個吸收峰，對紫外光的吸收較窄。由圖2c 可以看出，310、347 nm 處有2 個吸收峰，吸收峰強(qiáng)且寬，對紫外光吸收強(qiáng)烈。

圖2 HO、PS 和TBC 紫外吸收劑的紫外吸收光譜圖

HO 作為二苯甲酮類化合物，其分子中的羰基氧與羥基形成分子內(nèi)氫鍵結(jié)構(gòu)，構(gòu)成了分子內(nèi)的螯合環(huán)結(jié)構(gòu)。這種由分子內(nèi)氫鍵形成的螯合環(huán)結(jié)構(gòu)在紫外光的照射下會吸收紫外光能量；組成螯合環(huán)的分子內(nèi)氫鍵在紫外光的刺激下由于發(fā)生熱振蕩而被破壞，穩(wěn)定的螯合環(huán)結(jié)構(gòu)也隨之?dāng)嚅_，吸收的紫外光能量會被二苯甲酮類紫外吸收劑轉(zhuǎn)換成熱能釋放。由于紫外光能量的激發(fā)，其分子中的羰基也會參與吸收并耗散部分紫外光能量，被激活成其互變異構(gòu)體的烯醇式結(jié)構(gòu)。

PS 屬于水楊酸酯類化合物，此類紫外吸收劑內(nèi)部也存在分子內(nèi)氫鍵，但是對紫外光能量的吸收較低。在吸收紫外光能量后，其分子內(nèi)氫鍵被破壞，隨之發(fā)生分子重排，轉(zhuǎn)變?yōu)槎郊淄Y(jié)構(gòu)，故而增強(qiáng)對紫外光的吸收能力。

TBC 為苯并三唑類化合物，這類紫外吸收劑吸收紫外線的機(jī)理與二苯甲酮類化合物相似，結(jié)構(gòu)中也存在著由羥基氫與三唑基氮形成的分子內(nèi)氫鍵螯合環(huán)，當(dāng)TBC 吸收了紫外光能量后，氫鍵斷裂或者分子重排成互變異構(gòu)體，可以將部分紫外光吸收轉(zhuǎn)化成熱能釋放［9-11］。

具體防紫外線機(jī)理如下：

2.2 PVC 涂層玻璃纖維編織物性能

2.2.1 抗紫外性能

由圖3 可以看出，相比于PVC 涂層玻璃纖維編織物原布，HO、PS 以及TBC 整理的PVC 涂層玻璃纖維編織物紫外線透過率低很多，防紫外性能得到提升。另外，隨著紫外吸收劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，HO、PS 以及TBC 整理的PVC 涂層玻璃纖維編織物紫外線透過率下降，相對應(yīng)的防紫外性能提升。相較于HO 和PS 整理的PVC 涂層玻璃纖維編織物，TBC 整理的PVC 涂層玻璃纖維編織物在280～400 nm 波段的紫外線透過率低，防紫外性能最好；相比于PS 和TBC 整理的PVC涂層玻璃纖維編織物，HO 整理的PVC 涂層玻璃纖維編織物在360～400 nm 波段透過率高，吸收紫外線能力也較弱。

圖3 HO、PS 和TBC 整理PVC 涂層玻璃纖維編織物的紫外線透過率

從表2 可以看出，PVC 涂層玻璃纖維編織物原布的UPF 值只有19.63 且UVA、UVB 透過率均大于5%，未達(dá)到GB/T 18830—2009 的“防紫外線產(chǎn)品”標(biāo)準(zhǔn)。相比較而言，經(jīng)過HO、PS、TBC 整理的PVC 涂層玻璃纖維編織物，UVA、UVB 透過率均小于5%，UPF 值均大于40，可以被評價為“防紫外線產(chǎn)品”。隨著紫外吸收劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，UVA、UVB 透過率下降，UPF值升高，防紫外性能提高。

表2 PVC涂層玻璃纖維編織物防紫外整理前后的防紫外性能

2.2.2 組織結(jié)構(gòu)和透氣性能

為了觀察PVC 涂層玻璃纖維編織物和紫外吸收劑整理的PVC 涂層玻璃纖維編織物的組織結(jié)構(gòu)，將織物放大50 倍觀察表面形貌。由圖4 可以看出，PVC涂層玻璃纖維編織物的經(jīng)緯向白色編織結(jié)構(gòu)整齊、排列有序，且存在一定的孔隙，保證了PVC 涂層玻璃纖維編織物的透氣性。

圖4 PVC 涂層玻璃纖維編織物原布的組織結(jié)構(gòu)

由圖5 可以看出，經(jīng)紫外吸收劑整理得到的PVC涂層玻璃纖維編織物同樣結(jié)構(gòu)整齊，經(jīng)緯向分明，表面涂覆有漿料，織物孔隙也有所減小，表明紫外吸收劑已經(jīng)整理到PVC 涂層玻璃纖維編織物上。

圖5 HO、PS、TBC 整理PVC 涂層玻璃纖維編織物的組織結(jié)構(gòu)

由圖6a 可以看出，相比原布，HO 整理印花PVC涂層玻璃纖維編織物的透氣性能大幅下降，但是隨著紫外吸收劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，印花PVC 涂層玻璃纖維編織物的透氣性能略增強(qiáng)。

由圖6b 可以看出，PS 整理印花PVC 涂層玻璃纖維編織物的透氣性能不如原布，且隨著紫外吸收劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，印花PVC 涂層玻璃纖維編織物的透氣性能略增強(qiáng)，比HO 整理印花PVC 涂層玻璃纖維編織物的透氣性好，但是仍然不如原布。

由圖6c 可以看出，相比原布，TBC 整理印花PVC涂層玻璃纖維編織物的透氣性能大幅下降，而且隨著紫外吸收劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，透氣性能繼續(xù)下降，原因是織物的孔隙率最?。?2］。

圖6 HO、PS、TBC 整理印花PVC 涂層玻璃纖維編織物的透氣性能

3 結(jié)論

（1）紫外吸收劑混合印花漿料可以通過印花整理到織物上形成涂層，整理后的織物組織結(jié)構(gòu)緊密、孔隙變小。該方法工藝簡單、處理成本低，對設(shè)備和技術(shù)要求不高。

（2）紫外吸收劑整理后的織物防紫外性能都很優(yōu)秀，可被評價為“防紫外線產(chǎn)品”。且TBC 整理的織物防紫外性能更優(yōu)異，幾乎可以吸收280～400 nm 波段的全部紫外光。

（3）紫外吸收劑整理織物的透氣性能有很大下降，但HO 和PS 整理的織物，隨著紫外吸收劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的上升，透氣性能有一定的回升，而TBC 整理的織物透氣性能隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的上升繼續(xù)降低。