紡織品紫外線防護性能分析*

陳 東 石程玉 徐 麗 劉洪玲

東華大學紡織學院， 上海 201620

紡織品紫外線防護性能分析*

陳 東 石程玉 徐 麗 劉洪玲

東華大學紡織學院， 上海 201620

比較并分析織物組織、厚度、經(jīng)緯密和緊度對紡織品的紫外線透過率和紫外線防護系數(shù)(UPF值)的影響。結(jié)果表明：在其他參數(shù)接近的情況下，斜紋織物的抗紫外線性能優(yōu)于平紋織物，平紋織物又優(yōu)于平紋地提花組織織物；織物越厚，其紫外線透過率越小，抗紫外線性能越好；隨著織物經(jīng)緯密和緊度增加，其紫外線透過率減小，UPF值增加，抗紫外線性能提高。

紡織品， 紫外線透過率， 紫外線防護系數(shù)

隨著生活水平的提高和環(huán)境污染的加重，人們對紡織品防護功能的要求越來越高，對有關(guān)的功能整理的需求越來越迫切，織物的紫外線防護處理就是其中之一。雖然適量的紫外線照射可以促進人體對維生素D的吸收，但是過量的紫外線會破壞人體皮膚細胞中的膠質(zhì)原和彈性纖維，引發(fā)皮膚病甚至皮膚癌[1]141。因此，人們開始研究紫外線防護產(chǎn)品，包括纖維原料的選擇、紡紗方式、織物結(jié)構(gòu)和后整理等對織物的抗紫外線性能的影響[2]。Zimniewska等[1]141的研究表明，天然纖維(如漢麻和亞麻)中包含的化學組分——天然色素、木質(zhì)素、蠟和果膠，是天然的紫外線吸收劑，有利于提高織物的抗紫外性能；另外，他們比較了不同組織結(jié)構(gòu)的織物的UPF值，得出了緞紋組織織物的抗紫外性能優(yōu)于斜紋組織織物，而斜紋組織織物的抗紫外性能優(yōu)于平紋組織織物的結(jié)論。Kan等[3]的研究表明，無扭矩環(huán)錠紗制成的針織物比常規(guī)環(huán)錠紗制成的針織物擁有更好的抗紫外線性能，但將2種織物經(jīng)紫外線吸收劑和生物拋光處理后，常規(guī)環(huán)錠紗制成的針織物表現(xiàn)出更好的抗紫外性性能。Grifoni等[4]89的研究表明，亞麻織物用明礬媒染和蠟菊屬植物染色，會獲得很好的抗紫外性能。

紫外線是指電磁波譜中100～400 nm波長范圍內(nèi)的一段。通常，波長在320～400 nm范圍內(nèi)的稱為UVA，約98.8%的UVA波段的紫外線能夠穿透人體肌膚的真皮層，并對真皮層的彈性纖維和膠原蛋白纖維造成一定損害。波長在290～320 nm范圍的稱為UVB，其大部分被臭氧層吸收，只有約1.1%能到達地球表面，但該波段的紫外線對人體的傷害程度約為UVA的1 000倍，可導(dǎo)致皮膚老化、皮膚疾病及引起基因突變和腫瘤等。波長在290 nm以下的稱為UVC，其在經(jīng)過地球表面同溫層時幾乎被臭氧層完全吸收，對人類不會造成傷害[1]142， [5]。當紫外線照射到人們穿著的服裝上時，其中一部分被織物表面所吸收，另外一部分被織物反射，還有一部分會透過織物，而透過織物的這部分紫外線將對織物里面的人體皮膚產(chǎn)生不良影響[6]。紫外線防護系數(shù)(即UPF值)是指當皮膚無防護時計算出的紫外線輻射平均效應(yīng)與皮膚受到防護品防護時計算出的紫外線輻射平均效應(yīng)的比值。防護品的UPF值越大，表明其抗紫外線效果越好[7]。

本試驗從面料市場上采購了多種織物，從中選出具有代表性的9種織物，每種織物按需取小樣進行分析，探討織物組織、厚度、經(jīng)緯密和緊度等基本參數(shù)對織物的抗紫外線性能的影響。

1 試驗部分

1.1 材料

本試驗選用9種織物作為樣品(編號為1～9)，各取5塊小樣。厚度，用織物厚度儀測量；經(jīng)緯密，用照布鏡計數(shù)緯向、經(jīng)向10 cm長度內(nèi)的紗線根數(shù)而得到；紗線直徑，用Nikon生物顯微鏡對織物拍照，然后使用Nano Measurer軟件進行測量；緊度，根據(jù)經(jīng)緯密和紗線直徑計算得到。各基本參數(shù)以5塊小樣的測試值的平均值作為測試結(jié)果(表1)，樣品外觀如圖1所示。

表1 樣品基本參數(shù)測試結(jié)果

1號

2號

3號

4號

5號

6號

7號

8號

9號

1.2 紫外線透過率測試

本試驗采用日立U-4100型紫外分光光度計獲得各樣品的分光透過率曲線，進而得到各樣品在290～400 nm波長范圍內(nèi)的紫外線透過率。測試前，樣品須放在溫度(20±2)℃、相對濕度(65±2)%的恒溫恒濕室內(nèi)調(diào)濕24 h。

1.3 紫外線防護效果評價

本試驗采用澳大利亞/新西蘭標準(AS/NZS 4399-l996)，評價樣品的紫外線防護效果。

根據(jù)測得的樣品的紫外線透過率，計算UVA和UVB波段的平均透過率[T(UVA)AV和T(UVB)AV]，再計算出UPF值：

(1)

(2)

(3)

式中：Eλ為相對紅斑量光譜影響力；Sλ為太陽光譜輻射度，W/(m2·nm)；Tλ為某一波段上紫外線透過織物的百分數(shù)，%；λ為波長，nm；△λ為波長間隔，nm。

表2給出了UPF值與防護等級的關(guān)系[4]91，由此可以得到樣品的紫外線防護效果。

表2 UPF值與防護等級的關(guān)系

2 結(jié)果與分析

2.1 織物組織對紡織品抗紫外線性能的影響

為探討織物組織對紡織品抗紫外線性能的影響，選取3種織物組織不同但厚度和經(jīng)緯密相近的1、 2、 7號樣品進行分析，且1、 2號樣品的緊度相近。圖2和表3分別是1、 2、 7號樣品的紫外光譜圖及紫外線透過率與UPF值。

圖2 1、 2、 7號樣品的紫外光譜圖

表3 1、 2、 7號樣品的紫外線透過率與UPF值

由圖2可以看出，無論在UVA波段還是UVB波段，7號樣品的紫外線透過率都高于1、 2號樣品，即其紫外線防護性能較1、 2號樣品差，UPF值最小。由表1可見，7號樣品為平紋地提花組織織物，再依據(jù)圖1，其表面的凹凸不平現(xiàn)象明顯，這使得其漫反射增加，而沿著法線方向的正反射減少，造成織物的抗紫外線性能下降。另外，從表1可知7號樣品的緊度為86.76%，小于1、 2號樣品，這也是其紫外線透過率較大、遮蔽性能較差的原因之一。

從表3可以看出2號樣品(斜紋組織織物)的紫外線防護效果優(yōu)于1號樣品(平紋組織織物)。在織物厚度、經(jīng)緯密和緊度接近的情況下，平紋組織的交織次數(shù)較多，紗線與紗線之間的縫隙較多，而斜紋組織的浮線較長、交織次數(shù)較少，紗線之間更容易相互靠緊，故縫隙較小[8]，因此2號樣品的紫外線防護效果優(yōu)于1號樣品。

由此可見，當織物厚度、經(jīng)緯密和緊度相近時，斜紋組織織物的抗紫外線性能優(yōu)于平紋組織織物，平紋組織織物又優(yōu)于平紋地提花組織織物。

2.2 織物厚度對紡織品抗紫外線性能的影響

為探討織物厚度對紡織品抗紫外性能的影響，選取織物厚度差異較大的3種樣品(2、 3、 8號)進行分析，其中2、 3號樣品為斜紋組織織物、8號樣品為緞紋組織織物，且它們的經(jīng)密、緯密和緊度相近。圖3和表4分別是2、 3、 8號樣品的紫外光譜圖及紫外線透過率與UPF值。

圖3 2、 3、 8號樣品的紫外光譜圖

表4 2、 3、 8號樣品的紫外線透過率與UPF值

從圖3可見，3號樣品的紫外線透過率遠遠大于2、 8號樣品，其最低的紫外線透過率在15.00%以上，而2、 8號樣品的最高的紫外線透過率分別在1.00%、 5.00%以下，說明它們的抗紫外性能差異明顯。由表1可知，2、 8號樣品的厚度較大，分別為0.755、 0.511 mm，3號樣品的厚度最小，僅為0.235 mm， 說明3種樣品的紫外線透過率隨織物厚度增加而減小。從表4可見，2、 3、 8號樣品的UPF值相差甚多，依次為157.07、 4.94和33.54。從織物組織分析，當其他參數(shù)接近時，緞紋組織織物的抗紫外性能應(yīng)優(yōu)于斜紋組織織物，但8號樣品(緞紋組織織物)的UPF值小于2號樣品(斜紋組織織物)，由此可見織物厚度對織物的抗紫外線性能的影響非常明顯。其原因不難理解，當織物厚度增加時，織物中的纖維層數(shù)增加，紫外線照射到織物上時會發(fā)生多次反射和折射，這導(dǎo)致更多的紫外線被纖維反射和吸收，所以從織物中透過的紫外線減少，因此織物的抗紫外線性能增強[9]，紫外線防護效果越好，即防護等級越高。

2.3 經(jīng)緯密對紡織品抗紫外線性能的影響

為探討織物經(jīng)緯密對紡織品抗紫外線性能的影響，選取緊度和織物組織相近的5、 6、 9號樣品進行分析，且6、 9號樣品的厚度相近。圖4和表5分別是5、 6、 9號樣品的紫外光譜圖及紫外線透過率與UPF值。

圖4 5、 6、 9號樣品的紫外光譜圖

表5 5、 6、 9號樣品的紫外線透過率與UPF值

如圖4所示，5號樣品的紫外線透過率為10.00%～ 15.00%，6號樣品的紫外線透過率在6.00% 以下，而9號樣品的紫外線透過率小于5.00%。 研究表明，紫外線透過率在5.00%以下的織物有很好的抗紫外線性能[10]，說明9號樣品的紫外線防護性能很好。從表5可以看到，5、 6、 9號樣品的UPF值隨著經(jīng)緯密的增大而提高，分別為7.52、 19.83、 28.13，相應(yīng)的防護等級為一般、良好、很好。從表1可知，5號樣品的厚度大于6、 9號樣品，由此可看出經(jīng)緯密對織物的抗紫外線性能的影響非常顯著。經(jīng)緯密越大，織物更加緊密且縫隙更小，織物遮擋和吸收的紫外線增多，紫外線透過率就下降，織物的抗紫外線性能越好。

2.4 緊度對紡織品抗紫外線性能的影響

為探討織物緊度對紡織品抗紫外線性能的影響，選取厚度和織物組織相近的4、 6、 9號樣品進行分析。圖5和表6分別是4、 6、 9號樣品的紫外光譜圖及紫外線透過率與UPF值。

圖5 4、 6、 9號樣品的紫外光譜圖

表6 4、 6、 9號樣品的紫外線透過率與UPF值

根據(jù)圖5、表6，可以看出，無論在UVA波段還是UVB波段，緊度最小的4號樣品的UPF值都遠遠小于緊度較大的6、9號樣品，未能達到防護效果良好的防護等級。其原因是緊度小的織物中經(jīng)緯紗覆蓋面積小，織物遮擋和吸收的紫外線減少，透過織物的紫外線增多，織物的抗紫外線性能下降[11]。一般來說，織物緊度在92.00%以上就具備很好的紫外線防護效果[1]150。9號樣品的緊度為93.73%，UPF值為28.13，達到了防護效果很好的防護等級。由此可知，當厚度和織物組織相近時，織物緊度越大，其經(jīng)緯紗覆蓋面積增大，對紫外線的遮擋和吸收增加，透過織物的紫外線就越少，織物的抗紫外線性能越好。

3 結(jié)論

本文測試了不同組織結(jié)構(gòu)、厚度、經(jīng)緯密和緊度的織物的紫外線透過率和紫外線防護系數(shù)，分析了織物組織、厚度、經(jīng)緯密和緊度對紡織品抗紫外線性能的影響，得出：

(1) 當其他基本參數(shù)相近時，斜紋組織織物的抗紫外線性能優(yōu)于平紋組織織物，而平紋組織織物又優(yōu)于平紋地提花組織織物。

(2) 當其他基本參數(shù)相近時，織物越厚，紫外線透過率越小，織物的抗紫外性能越好。

(3) 當其他基本參數(shù)相近時，經(jīng)緯密越大，織物更加緊密且紗線間縫隙更小，紫外線透過率越小，織物的抗紫外性能越好。

(4) 當其他基本參數(shù)相近時，織物緊度越大，表明經(jīng)緯紗覆蓋面積越大，織物對紫外線的遮擋和吸收越多，透過織物的紫外線就越少，織物的抗紫外性能越好。

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Analysis on ultraviolet resistance properties of textiles

ChenDong，ShiChengyu，XuLi，LiuHongling

College of Textiles， Donghua University， Shanghai 201620， China

The influences of weave structure， thickness， warp density， weft density and tightness of fabric on the transmittance of ultraviolet and the ultraviolet protection factor(UPFvalue) of textiles were compared and analyzed. The results showed that， in the case of the closeness of other parameters， the resistance to ultraviolet of twill fabrics was better than that of plain fabrics， while the resistance to ultraviolet of plain fabrics was better than that of plain jacquard fabrics； the thicker the fabric was， the smaller the transmittance of ultraviolet of the fabric was， and the better the resistance to ultraviolet of the fabric was. With the increasing of warp density， weft density and tightness of fabrics， the transmittance of ultraviolet of the fabric decreased， theUPFvalue of the fabric increased， and the resistance to ultraviolet of the fabric improved.

textile， transmittance of ultraviolet， ultraviolet protection factor

*上海市大學生創(chuàng)新訓(xùn)練項目(sh201510255110)

2016-07-02

陳東，女，1995年生，在讀本科生，主要研究方向為紡織材料改性

劉洪玲，Email： hlliu@dhu.edu.cn

TS101.923

A

1004-7093(2017)04-0022-06