紡織品的防紫外線輻射

1、紡織品的防紫外線輻射整理李昕 天津工業(yè)大學(xué)(300160)原載：染整科技2003/No.4;4-11 摘要紫外線對(duì)人體的輻射危害已引起了世界各國的高度重視。本文闡述了紡織品防紫外線輻射的機(jī)理，影響紡織品防紫外線輻射功能的因素，紫外線屏蔽劑，提高紡織品防紫外線輻射功能的途徑及防紫外線輻射效果的評(píng)價(jià)方法，并介紹了國內(nèi)外防紫外線輻射紡織品的發(fā)展動(dòng)態(tài)。 關(guān)鍵詞紫外線機(jī)理 屏蔽劑 整理評(píng)價(jià) 發(fā)展動(dòng)態(tài) 1 前言 上世紀(jì)20年代以來，由于碳氟系溶劑和氟利昂的大量使用，地球大氣層中臭氧層遭到嚴(yán)重破壞，使到達(dá)地球表面的紫外線不斷增加。紫外線是波長200-40Onm電磁波，波長400-32Onm區(qū)域稱UV-A;波

2、長320-28Onm區(qū)域稱UV-B;波長280-200nm的區(qū)域稱UV-C。UV-C波長較短，在空氣中己被吸收，不能到達(dá)地球表面。紫外線在日光中約占6%，其中UV-A比例較大，UV-B比例較小。UV-A會(huì)透過表皮組織，使肌肉失去彈性，皮膚粗糙，形成皺紋。UV-B則和致癌物質(zhì)有聯(lián)系。因此要能有效地屏蔽UV-B和UV-A中短波長部分。 一般來講，適量的紫外線輻射具有殺菌作用并能促進(jìn)維生素D的合成，有利于人體健康。但在烈日持續(xù)照射下，人體皮膚會(huì)失去抵御能力，易發(fā)生灼傷，出現(xiàn)紅斑或水泡。過量的紫外線照射還會(huì)誘發(fā)皮膚病(如皮炎、色素干皮癥)，甚至皮膚癌，促進(jìn)白內(nèi)障的生成并降低人體的免疫功能。有資料顯示，

3、臭氧層每減少1%，紫外線輻射強(qiáng)度就增大2%，患皮膚癌的可能性將提高3%。因此，為了保護(hù)人體避免過量紫外線輻射，紡織品防紫外線輻射整理已刻不容緩。2 國內(nèi)外抗紫外線紡織品發(fā)展動(dòng)態(tài) 最早開發(fā)的防紫外線商品是防紫外線化妝品。90年代后，防紫外線織物驟然興起，其中以日本公司最為突出，他們相繼推出具有防紫外線輻射功能的運(yùn)動(dòng)服、襯衫、長筒襪、帽子和太陽傘等制品，受到廣大消費(fèi)者的青睬。以澳大利亞為例的地處低緯度、日照較強(qiáng)的國家，率先開發(fā)抗紫外線紡織品對(duì)人體進(jìn)行防護(hù)，并使抗紫外線紡織品進(jìn)入了商品化階段。他們通常采用添加抗紫外線整理劑和紫外線屏蔽劑的方法。另外，也有將紫外線吸收劑和反射劑同時(shí)應(yīng)用在織物上，以使對(duì)

4、紫外線的防護(hù)效果更為優(yōu)越，如尤尼卡公司的托納多UV先將含有特殊陶瓷粉的聚酯長絲制成織物，再以紫外線吸收劑進(jìn)行處理，所得織物的紫外線屏蔽率高達(dá)97%。此外，還有將納米技術(shù)應(yīng)用到抗紫外線紡織品中，如利用納米粉體的量子尺寸效應(yīng)，使其對(duì)某種波長的光吸收帶有藍(lán)移現(xiàn)象和對(duì)各種波長的吸收有寬化現(xiàn)象，導(dǎo)致對(duì)紫外光的吸收效果顯著增強(qiáng)，保證產(chǎn)品的紫外線屏蔽效果。當(dāng)前，最常用的幾種吸收紫外線的納米材料有:30-4Onm的TiO2它對(duì)400nm以下的紫外線有極強(qiáng)的吸收能力;A1203納米粉體對(duì)波長250nm以下的紫外線有很強(qiáng)的吸收能力;SiO2對(duì)波長40Onm以下的紫外線反射率高達(dá)95%。 目前，國內(nèi)對(duì)抗紫外線紡織品

5、的研究才剛剛起步。天津石化公司研究所用陶瓷粉研制出了抗紫外線滌綸短纖維和網(wǎng)絡(luò)低彈絲;上?；w十一廠開發(fā)了抗紫外線滌綸短纖維;東華大學(xué)化纖工程研究中心研制出化纖級(jí)抗紫外線超微粉體和母粒;山東巨龍化工公司將紫外線吸收劑和屏蔽劑合理配合，研制成功用于棉織物的抗紫外線整理劑;廈門華普高技術(shù)產(chǎn)業(yè)有限公司開發(fā)的納米級(jí)陶瓷棉紡織品，同時(shí)具有抗紫外線、抗菌及遠(yuǎn)紅外保溫功能;西安華捷科技發(fā)展公司采用超微粉材料摻入纖維制成的服裝，能吸收、隔離95%以上的紫外線，有效地阻止其對(duì)人體的傷害。3 紡織品防紫外線輻射整理機(jī)理 紡織品防紫外線輻射整理的機(jī)理，是在紡織品上施加一種能反射和，或有強(qiáng)烈選擇性吸收紫外線，并能進(jìn)行能

6、量轉(zhuǎn)換，以熱能或其他無害低能輻射，將能量釋放或消耗的物質(zhì)。施加這些物質(zhì)后的紡織品，對(duì)織物各項(xiàng)服用性無不良影響，并達(dá)到使用要求。因此，紡織品防紫外線輻射整理與高分子的耐光穩(wěn)定性有相似之處。不過，耐光性是保護(hù)高分子化合物，防紫外線照射后引起的自動(dòng)氧化，導(dǎo)致聚合物的降解，使外觀和結(jié)構(gòu)性能變化;而防紫外線輻射整理是防護(hù)人體免使過量的紫外線照射引起的傷害。 從光學(xué)原理上講，光射到物體上，有一部分在表面反射，部分被物體吸收，其余的則透過物體?？墒?，經(jīng)防紫外線輻射整理的織物，光射到織物上，一部分通過織物的間隙透過織物，織物上的紫外線屏蔽劑不是將紫外線反射，就是選擇性吸收并將其能量轉(zhuǎn)換成低能而釋放，以致將紫外

7、線遮蔽。4 紡織品防紫外線輻射功能的影響因素織物防紫外線的能力，主要取決于織物本身的屏蔽紫外線的能力?？椢锿ǔ＞哂斜容^復(fù)雜的表面，它們除了吸收光之外，還有散射和反射光線的作用。而散射和反射作用則因單纖維表面形態(tài)、織物組織規(guī)格、色澤深淺差異和印染后整理方法不同而有顯著的變化。因此，研究紡織品防紫外線輻射性能時(shí)，要綜合考慮各種因素。41纖維種類 纖維種類不同，其紫外線透過率、紫外線防護(hù)系數(shù)(UPF)也不同。聚酯、羊毛纖維等比棉、粘膠纖維的紫外線透過率低、紫外線防護(hù)系數(shù)小。因聚酯結(jié)構(gòu)中的苯環(huán)和羊毛蛋白質(zhì)分子中的芳香族氨基酸，對(duì)小于300nm 的光都具有很大的吸收性。所以具有防紫外線功能的毛、麻類、蠶

8、絲、滌綸、防紫外化纖等作為首選原料。而棉織物防紫外線的能力相對(duì)較差，是紫外線最易透過的面料。因此，對(duì)棉織物進(jìn)行防紫外線輻射整理最為迫切。 表1 不同纖維未染織物的UPF值纖維種類 織物類型 厚度(mm) 克重(g/m2) UPF值 棉 府綢(未漂) 0.18 107 6 棉 府級(jí)(漂白) 0.22 110 2 麻 平布 0.14 89 18 蠶絲 緞紋縐 0.20 84 6 毛 試驗(yàn)織物 0.28 125 24 滌綸 試驗(yàn)織物 0.29 165 13 粘膠 試驗(yàn)織物 0.11 92 4 4.2 織物結(jié)構(gòu) 織物結(jié)構(gòu)決定了織物的幾何形態(tài)和它的多孔結(jié)構(gòu)。織物結(jié)構(gòu)包括厚度、緊密度(覆蓋系數(shù)或空隙率)等

9、。緊密的結(jié)構(gòu)需要大量的經(jīng)緯紗，覆蓋系數(shù)大，UV透射率低，防護(hù)作用就大。稀松織物的覆蓋系數(shù)低，光線不易受到遮蔽，其防護(hù)作用就小。紫外線防護(hù)系數(shù)(UPF)隨著織物的密度而增加。對(duì)于織物重量較重的厚重織物也有相似的情況。 表2 織物參數(shù)與紫外線透射率纖維種類 經(jīng)緯密度(根/英吋) 厚度(英吋) 緊度(%) 覆蓋度(%) 透射率(%) 棉 147 0.011 20.7 88.8 25.1 粘膠 155 0.010 19.4 86.0 27.3 尼龍 163 0.009 18.2 89.2 24.1 毛 101 0.022 20.6 93.1 8.6 絲 179 0.010 18.6 90.0 14.6

10、 滌綸 146 0.009 17.9 79.5 23.2 4.3織物色澤織物上的染料對(duì)織物紫外線透過率有相當(dāng)大的影響。這是由于為得到某一色澤，染料必須選擇性地吸收可見光輻射，而有些染料的吸收帶伸展到紫外光譜區(qū)域，因此它起著紫外線吸收劑的作用。一般來說，隨著紡織品色澤的加深，織物紫外線透過率隨之減少，防紫外線輻射性能提高。此外，化學(xué)纖維的消光處理也影響其紫外線透過率。不同染料與紫外線透過率的關(guān)系見表3。 表3 不同染料與紫外線透射率的關(guān)系 染料 0.5%owf染浴 1.0%owf染浴 吸盡率(%) 透射率(%) 吸盡率(%) 透射率(%) 直接黃12 60 13.1 58 18.6 直接黃28

11、80 19.9 86 29.3 直接黃44 58 18.4 61 28.6 直接黃l06 68 19.3 58 27.6 直接紅24 80 27.6 74 37.1 直接紅28 88 38.7 89 50.7 直接紅80 74 17.3 73 24.7 直接紫9 80 20.9 75 28.8 直接藍(lán)1 76 21.5 70 30.2 直接藍(lán)86 36 16.2 33 18.6 直接藍(lán)218 68 13.1 67 19.0 直接綠26 72 22.3 65 29.2 直接棕154 82 22.8 80 30.6 直接黑38 76 29.8 77 40.3 4.4 織物印染后整理方法抗紫外線后整

12、理的方式與產(chǎn)品的最終用途有關(guān)。作為服裝面料，考慮到夏季穿著時(shí)對(duì)柔軟性和舒適性的要求，對(duì)于滌綸、氨綸等合成纖維織物，可選擇適當(dāng)?shù)淖贤饩€吸收劑，并與分散性染料一起，進(jìn)行高溫高壓染色，使紫外線吸收劑分子融入纖維內(nèi)部;對(duì)于棉、麻類織物，可用浸軋法，經(jīng)烘干和熱處理后，將紫外線吸收劑固著在織物表面。對(duì)于裝飾用、產(chǎn)業(yè)用紡織品，可選用涂料印花或涂層法，將具有抗紫外線效果的反光陶瓷材料粘合劑涂印在織物表面，形成一層防護(hù)薄膜;也可用紫外線屏蔽劑或紫外線吸收劑對(duì)織物表面進(jìn)行精密涂層，經(jīng)烘干和熱處理后，在織物表面形成一層薄膜。涂層劑可選用PVC、PA、PU等，也可與陶瓷微粉共混涂層。此外，應(yīng)用納米技術(shù)及微膠囊技術(shù)，也

13、可增強(qiáng)織物的抗紫外線功能。不同織物抗紫外線整理前后的紫外線透射率見表4。表4 不同織物整理前后的紫外線透射 布樣 針織物 平紋織物 斜紋織物 緞紋織物 整理前 整理后 整理前 整理后 整理前 整理后 整理前 整理后 透射率（%） 18.64 11.43 18.65 0.04 15.70 0.01 6.84 0.01 45其他因素 紡織品防紫外線輻射性能的一般規(guī)律:短纖織物優(yōu)于長絲織物;加工絲產(chǎn)品優(yōu)于化纖原絲產(chǎn)品，細(xì)纖維織物比粗纖維織物好;扁平異型化纖織物優(yōu)于圓型截面化纖織物;機(jī)織物優(yōu)于針織物。5 紫外線屏蔽劑 所謂紫外線屏蔽劑，即具有吸收或反射紫外線作用的物質(zhì)。紫外線屏蔽劑可分為無機(jī)和有機(jī)兩類

14、化合物。5.1 無機(jī)類紫外線屏蔽劑 無機(jī)類紫外線屏蔽劑，也稱紫外線反射劑，主要通過對(duì)入射紫外線反射或折射，而達(dá)到防紫外線輻射的目的。它們沒有光能的轉(zhuǎn)化作用，只是利用陶瓷或金屬氧化物等細(xì)粉與纖維或織物結(jié)合，增加織物表面對(duì)紫外線反射和散射作用，以防止紫外線透過織物而損害人體皮膚。這些粉末包括高嶺土、碳酸鈣、滑石粉、氧化鐵、氧化鋅、氧化亞鉛等。經(jīng)試驗(yàn)，在310-370nm波長區(qū)，對(duì)紫外線的反射或防護(hù)效果，以氧化鋅和氧化亞鉛為好，二氧化鐵和高嶺土也有一定的作用。這些無機(jī)組分與有機(jī)類紫外線屏蔽劑相比有一定優(yōu)點(diǎn)，除耐光與防紫外線比較優(yōu)越外，耐熱性能也比較突出。特別是氧化鋅還具有抗菌防臭功能。5.2 有機(jī)類

15、紫外線屏蔽劑 有機(jī)類紫外線屏蔽劑，也稱紫外線吸收劑，主要是吸收紫外線并進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，將紫外線變成低能量的熱能或波長較短的電磁波，從而達(dá)到防紫外線輻射的目的。作為紡織品用的紫外線吸收劑應(yīng)具有: (1)安全無毒，特別對(duì)皮膚應(yīng)無刺激和過敏反應(yīng); (2)吸收紫外線范圍廣和效果良好; (3)對(duì)熱、光和化學(xué)品穩(wěn)定，無光催化作用; (4)吸收紫外線后無變色現(xiàn)象; (5)不影響或少影響紡織品的色牢度、白度、強(qiáng)力和手感等; (6)耐常用溶劑和耐洗性良好。 國內(nèi)外紫外線吸收劑品種很多，常用的第一代產(chǎn)品有水楊酸酯類化合物、金屬離子整合物、薄荷酯類、苯并三唑類和二苯甲酮類等。這些紫外線吸收劑沒有反應(yīng)性官能團(tuán)，不易固著

16、，很易擴(kuò)散。第二代吸收劑包括瑞士汽巴嘉基公司開發(fā)的鄰-羥基苯-二苯基三唑的衍生物，是一種陽離子自分散型配方，可用于高溫染色、軋染、印花等，有優(yōu)良的升華牢度和熱固著性能。瑞士科萊恩公司開發(fā)的Rayosan 系列可與纖維素纖維上的羥基和聚酰胺上的氨基反應(yīng)，不改變織物外觀、手感、透氣性，也有耐光和耐水洗牢度。 紫外線吸收劑可使紫外線能量轉(zhuǎn)化為光、熱等形式釋放，在一定程度上是穩(wěn)定的，但長時(shí)間、大劑量的紫外線照射會(huì)引起吸收劑分子分解。因此，為提高整理效果的耐久性，通?？刹捎梦⒛z囊技術(shù)，將吸收劑裝入微膠囊中，對(duì)織物進(jìn)行后整理。 總之，對(duì)紫外線屏蔽劑的研究應(yīng)注重于提高織物的防紫外線輻射性能及耐久性，適用于各

17、種不同纖維原料的織物，不影響織物的柔軟度、色牢度及強(qiáng)力，并盡量保證整理劑本身及對(duì)人體、織物、環(huán)境不產(chǎn)生危害和污染。還應(yīng)研究整理劑濃度與不同織物品種之間的一般規(guī)律，加強(qiáng)加工工藝研究，在滿足紡織品的防紫外性能指標(biāo)要求的基礎(chǔ)上，盡可能地降低生產(chǎn)成本。6 提高紡織品防紫外線輻射功能的途徑 為減少紫外線對(duì)皮膚的傷害，必須減少紫外線透過織物的量。而減少紫外線的透過量主要有以下三種途徑。61防紫外線纖維 主要指在合成纖維生產(chǎn)過程中，摻入紫外線屏蔽劑，用共混和芯鞘等方法紡絲，使纖維具有遮蔽紫外線的功能。這種方法所得到的織物效果持久且手感較好，但對(duì)處理技術(shù)要求高，成本大，且有不易用于天然纖維及在混紡時(shí)效果難以控

18、制等弱點(diǎn)。 日本可樂麗公司于90年代初首家推出具有防紫外線功能的Esmo纖維，即在PET聚合物熔體中均勻摻入細(xì)陶瓷粉末紡制成滌綸纖維。近年來，發(fā)現(xiàn)將特殊結(jié)構(gòu)的陶瓷超細(xì)微?；烊肜w維內(nèi)制成的纖維，不僅能屏紫外線，又有隔熱作用(即反射可見光和紅外線)。62 防紫外線輻射整理 紡織品防紫外線輻射整理的整理工藝與其最終用途有關(guān)，其整理工藝大致有以下四種:621高溫高壓吸盡法 對(duì)滌綸、耐綸等合成纖維織物的紫外線屏蔽整理，可以與分散性染料高溫高壓染色時(shí)同浴進(jìn)行。這時(shí)紫外線吸收劑分子溶入纖維內(nèi)部，只要選擇合適的(包括皮膚毒性低)紫外線吸收劑就可以。622 常壓吸盡法 對(duì)于一些水溶性的吸收劑處理羊毛、蠶絲、棉以

19、及錦綸紡織品，則只需在常壓下于其水溶液中處理，類似水溶性染料染色。有些吸收劑也可以采用和染料同浴進(jìn)行一浴法染色整理加工。623浸軋法 由于紫外線屏蔽劑大多不溶于水，又對(duì)棉、麻等天然纖維缺乏親和力，因此不能用吸盡法，而采用與樹脂(或粘合劑)同浴，將屏蔽劑固著在織物(纖維)表面。浸軋液由紫外線屏蔽劑、樹脂、柔軟劑等組成。但經(jīng)干熱處理后，織物上孔眼易被樹脂(粘合劑)所覆蓋，會(huì)影響整理織物的風(fēng)格、吸水性和透氣性。624 涂層法 一般在涂層劑中加入適量紫外線屏蔽劑，藉涂布器(如懸浮刮刀、圓網(wǎng)等)在織物表面進(jìn)行涂層，然后經(jīng)烘干及必要的熱處理，在織物表面形成一層薄膜。這類方法雖使耐洗牢度及手感受到影響，但對(duì)

20、纖維種類的適用性廣，處理成本低，對(duì)應(yīng)用的技術(shù)和設(shè)備要求不高。涂層法使用的紫外線屏蔽劑，大多是一些高折射的無機(jī)化合物，它們吸收紫外線效果與其顆粒大小有關(guān)。 由于紫外線屏蔽劑幾乎不溶于水，如把屏蔽劑溶于非水溶劑中進(jìn)行整理加工，不僅操作不便，而且污染環(huán)境，一般大多采用對(duì)紫外線屏蔽劑進(jìn)行乳化處理，使屏蔽劑均勻分散于水相中，并能較穩(wěn)定保持紫外線屏蔽作用，對(duì)織物進(jìn)行整理;或通過改變紫外線屏蔽劑分子結(jié)構(gòu)，從而賦予屏蔽劑以水溶性，但由于母體分子結(jié)構(gòu)小，影響了整理劑結(jié)構(gòu)，提高了成本。63 防紫外線纖維與織物后整理相結(jié)合 紫外線吸收劑與紫外線反射劑在纖維或織物上同時(shí)應(yīng)用，則可以增效，防護(hù)效果更為優(yōu)越，如尤尼卡公司

21、的托納多UV先用含特殊陶瓷粉的聚酯長絲制成織物，再以紫外線吸收劑進(jìn)行后整理，所得織物的紫外線屏蔽率達(dá)90%以上。7 防紫外線輻射整理紡織品性能的效果評(píng)價(jià)目前，防紫外線織物國際上尚無統(tǒng)一的測(cè)試方法和標(biāo)準(zhǔn)，常用的測(cè)試方法有以下4種:71紫外分光光度計(jì)法 用紫外分光光度計(jì)法或紫外線強(qiáng)度計(jì)測(cè)定各種防紫外線試樣的分光透過率曲線，可以判斷各波長的透過率，并可用面積比求出某一紫外線區(qū)域的平均透過率，評(píng)價(jià)防護(hù)效果。但這種方法有其不完善之處。因此纖維織物大都呈半透明狀，表面凹凸不平，因此光在織物中透過情況較復(fù)雜，除部分光被材料吸收外，還有光的折射和反射，折射反射量和單纖維的表面形態(tài)、織物組織結(jié)構(gòu)和厚度密切相關(guān)，

22、因而測(cè)出的透過率偏低。只有采用較完善的測(cè)試手段，如使用有積分球捕集裝置或乳白玻璃消除擴(kuò)散法，以及用END-ON型光電倍增管的分光光度計(jì)將所有方向的光加以捕集，才有可能獲得準(zhǔn)確值。 織物經(jīng)整理后，防紫外線福射的效果比原織物有所改進(jìn)，因此除測(cè)定絕對(duì)值外，一般還可作空白試驗(yàn)，用以相對(duì)比較其紫外線透過的降低百分率，表示整理織物的防紫外線效果。72 皮膚直接照射法 在同一皮膚相近部位，以一塊或幾塊織物覆蓋皮膚，用紫外線直接照射，記錄和比較出現(xiàn)的時(shí)間以進(jìn)行評(píng)定。 測(cè)定陽光防曬因素(Sun Protection Factor)。為適應(yīng)防護(hù)紫外線輻射的嚴(yán)格科學(xué)意義，現(xiàn)已逐漸改用紫外線輻射防護(hù)系列UPF(Ult

23、ra violet protection Factor)，它指防護(hù)品被采用后，紫外輻射使皮膚達(dá)到出現(xiàn)紅斑的臨界劑量所需時(shí)間和不用防護(hù)品時(shí)達(dá)到同等傷害程度的時(shí)間值之比。根據(jù)UPF的測(cè)量結(jié)果評(píng)價(jià)織物抗紫外線輻射的防護(hù)效果。UPF值越大，即表示防護(hù)效果越好。(見表5)表5 UPF范圍 防護(hù)等級(jí)(Protection Category) 15-24 防護(hù)效果良好(Good Protection) 25-39 防護(hù)效果很好(Very Good Protection) 40-50，50+ 防護(hù)效果極佳(Excellent Protection) 73 變色褪色法 利用光敏染料染色的基布，放在標(biāo)準(zhǔn)紫外光光源下，上面覆蓋待測(cè)織物，開啟光源，光照一定時(shí)間后，然后觀察覆蓋物下面光敏染料染色基布的顏色變化情況，顏色變化越小，說明待測(cè)織物阻隔紫外線的效果越好。74 紫外線強(qiáng)度累計(jì)法 利用紫外光照射放在紫外線強(qiáng)度累計(jì)儀