防紫外线纺织品的研究现状

2019-10-29周琦

纺织科技进展 2019年10期

周琦

(九江学院，江西九江 332000)

1 概述

1.1 紫外线对人体的影响

大量研究表明:小剂量的紫外线照射对动植物免疫系统等各项机能均有增强作用，超量照射则有抑制作用。紫外线A可透入皮肤深处,令皮肤变黑，使皮下弹性纤维受损,进而出现皱变松弛。夏季晒斑主要是紫外线B的作用,紫外线B令皮肤变红、血管扩张、生成红斑,甚至发生炎症。太阳光中有大量紫外线,长时间照射人体会使皮肤松弛下垂、衰老、产生雀斑等。紫外线C一方面具有良好的杀菌作用,另一方面也对人体有伤害。一般紫外线C无法到达地面[1]。一些病人出现免疫系统疾病，他们完全不能照射紫外线，否则会出现健康问题，这类病人必须穿着具有很高防晒性能的防晒服[2]。据研究，紫外线对人体的伤害远大于有益影响。

1.2 国内外防紫外线纺织品的研究现状及趋势

防紫外纺织品是20世纪90年代新兴起的功能性产品。目前，日本防紫外线纺织品研究最有成效，较短时间里，他们开发了多种防紫外线纺织品。通过控制这些纺织品的生产加工过程，来提高织物的防紫外线性能，实现防止紫外线过量辐射的目的，采取的手段为添加紫外线吸收剂或屏蔽剂。这些商品包括富士纺的“Refiruka”、日东纺的“Danshyain”、日本钟纺的“Nabyburn”、东邦人造丝的“SamakatoUV”、尤尼吉卡的“Nanduran”、敷岛的“Rikado”、东洋纺的“JuuyumineUV”、仓敷纺的“Miruwaru”等。国外织物抗紫外线整理技术不断发展，已经进入商品开发阶段。各国都加强对UV吸收剂的研究,使紫外线A和B的屏蔽效果达到90%以上。一些先进的公司开发高性能的防紫外线纤维，使其具有优良的加工性、溶解性、乳化性和分散稳定性[3]。

我国防紫外线纺织品的研究起步较晚。大量氟利昂的排放使地球上空的臭氧层出现空洞，减弱了大气对地球表面紫外线的屏蔽，人们开始意识到对紫外线的防护至关重要。至2000年我国面向市场的防紫外线纺织品受到消费者欢迎，国内厂家已大致熟悉了防紫外线纺织品的加工技术，大多在纺丝过程中添加氧化物微粒或金属陶瓷粉等，或对防紫外线纺织品进行后整理。但我国目前面向市场的防紫外线纺织品数量少、质量低，与国外先进技术相比，仍有差距。我国目前市场上的部分防晒服对紫外线的屏蔽率并没有达到其声称的效果。开发具有抗紫外线性能的纺织品对防止人体受到侵害、改善人们生活质量具有重要意义[4]。

2 防紫外线纺织品的分析研究

2.1 防紫外线纺织品的测试方法及评定指标

2.1.1织物防紫外线性能的测试方法

测试方法有标准检测法、分光光度法、皮肤直接照射法、变色褪色法、紫外线强度累计法[5]。

2.1.2织物防紫外线性能的评定指标

(1)紫外线透射比(UVR)=有试样时的UV透射通量/无试样时的UV透射通量。

(2)紫外线屏蔽率=1-透射比。

(3)紫外线防护系数(UPF)=不使用防护品时的紫外线辐射效应/使用防护品时的紫外线辐射效应。

(4)穿透率=UPF值的倒数[6]。

其中，UPF>40，透过率≤2.5%为防紫外线效果很好。UPF数值和等级划分如表1所示。

表1 UPF的数值及防护等级

2.2 防紫外线纺织品的防护机理

紫外线照射到织物上一部分被反射，一部分被吸收，其余部分透过织物[7]。所以，防紫外线纺织品，可以通过增大织物对紫外线的反射量和吸收量，来减小透过织物到达人体的紫外线量，以增强对紫外线的防护性能。对于透过织物的紫外线，由于织物与人体之间存在空隙，所以在织物与人体这一小环境内，仍然存在紫外线反射量。

2.3 防紫外线纺织品的组成及影响因素

防紫外线纺织品由防紫外线纤维基材和防紫外线整理剂组成。其中，防紫外线纤维基材的影响因素包括：纤维的种类、纤维的形态结构、织物紧密程度、织物组织结构、厚度和颜色等。防紫外线整理剂有吸收剂和整理剂两类。

2.3.1防紫外线纤维基材

(1)纤维种类

不同种类纤维结构不同，对紫外线的吸收能力不同，防紫外线性能就不同。腈纶纤维结构中的-CN基能吸收紫外线能量并转化成热能散失[8]。聚酯纤维中有苯环，羊毛、蚕丝等蛋白质纤维分子中有芳香族氨基酸，均对紫外线有较强的吸收能力[9]。麻类纤维具有独特的果胶质斜偏孔结构，内部具有很多大小不一的空隙，纤维表面分布着沟槽、裂纹，这些结构能吸收光波，故具有较强的防紫外线功能[10]。棉织物与羊毛、麻等纤维相比，防紫外线辐射性能较差，且棉织物使用最为广泛，所以，当前对棉织物的防紫外线整理研究较多。

海藻、甲壳素、芦荟、黄岑、银杏等天然动植物，及维生素A和E都具有良好的紫外线吸收性能。

(2)纤维形态结构

聚酯纤维和羊毛纤维截面呈圆形，对光的反射强，能降低紫外线的透过率。此外，纤维直径变小使反射增强，所以超细纤维织物具有良好的防紫外线性能。

(3)织物的组织结构、紧密程度、厚度

织物组织结构、紧密程度和厚度决定了织物的孔隙率，孔隙率越低，防紫外线效果越好。

(4)织物染色用染料颜色

不同颜色的同种织物防紫外线性能明显不同。因为有些染料的吸收带可伸展到紫外光谱区，能吸收部分紫外线。通常织物颜色越深，对紫外线防护性能越好。

(5)其他因素

同一件衣服湿态时比干燥时的防紫外效果明显低。这是因为在纱线和纤维的空隙中的水分降低了光的分散作用，防紫外线效果变差。

纺织品防紫外线性能一般短纤织物优于长丝织物；加工产品优于原产品；细纤维织物比粗纤维织物好；扁平异形化纤织物优于圆形截面化纤织物；梭织物优于针织物。

2.3.2纺织品整理剂

防紫外线整理的关键是紫外线屏蔽剂。可分为2种:一种为紫外线反射剂，能反射紫外线；另一种为紫外线吸收剂，能吸收紫外线，将能量转化为其他能量，从而减少透过量。

(1)紫外线吸收剂

紫外线吸收剂指能吸收波长为270～300 nm紫外线的有机化合物。紫外线吸收剂在各领域被广泛应用，最主要用于高分子材料和纺织品加工领域[11]。合成紫外线吸收剂多是具有共扼体系的化合物，主要有以下几类：金属离子化合物类、水杨酸酯类、对甲氧基肉桂酸酯类、二苯甲酮类、甲烷衍生物、苯并三唑类。其中，苯并三唑类紫外线吸收剂与聚合物的相容性较好、稳定性较佳，广泛用于各种合成材料和涂层制品中[12]。这些有机化合物都含有羟基，在形成氢键、氢键鳌合环等过程中能吸收能量转化为热能散失，所以到达高聚物中的能量减少，起到防紫外线辐射的作用。其能量转换图见图1。

图1 紫外线吸收剂能量转换图

(2)紫外线反射剂

紫外线反射剂通过对紫外线反射或折射，达到防紫外线的目的。它们利用陶瓷或金属氧化物等细粉与纤维或织物结合，增强织物表面对紫外线的反射和散射作用，以防止紫外线透过织物。目前的无机防紫外线添加剂多采用纳米粉体[13]。

3 防紫外线纺织品的设计

防紫外线纺织品的设计目标是增强纺织品的防紫外线功能，使纺织品对紫外线的屏蔽率达到90%以上，甚至更高。对防紫外线纺织品的设计包括：一是合理利用纺织品原有的防紫外线功能；二是利用紫外线屏蔽剂形成防紫外辐射功能对纺织品进行后整理。但这种方法一方面会增加织物的厚度，增加夏季高温环境中的不舒适度，另一方面也会给后期纺织品的护理带来难题。由于纺织品既有防紫外线功能有限，所以可采用一定的制备工艺将两者结合起来，获得具有满意防紫外线功能的纺织品。

3.1 防紫外线纤维法

防紫外线纤维法是在纤维中添加紫外线吸收剂或屏蔽剂或两者均添加，得到防紫外线纤维，进而将其制成防紫外线织物。主要是利用化纤改性技术，采用共混、共聚和复合纺丝法，用防紫外线整理剂实现纤维改性，制备防紫外线纤维。

3.1.1共混法

在纺丝过程中，将防紫外线整理剂加到聚合物中，进行混合纺丝。制得的防紫外线纺织品相比后整理法制成的纺织品，其防紫外线功能持久，耐洗性好，手感柔软，易于染色[14]。

3.1.2共聚法

将防紫外线物质和成纤高聚物单体一起共聚，制成防紫外线共聚物，然后纺成防紫外线纤维。

3.1.3复合纺丝法

利用复合纺丝技术，将整理剂加到纤维皮层，不仅节约原料，还有利于保持纤维原有优质性能。

3.2 防紫外线后整理法

防紫外线后整理法是在织物后整理时，用紫外线散射剂和吸收剂处理，以减少紫外线透过织物的量，达到防紫外线效果。后整理法操作简单，但存在不易保养，多次洗涤之后防紫外线效果明显降低的缺点，分为吸尽法、涂层法和浸渍法。

3.2.1吸尽法

对于大多合成纤维织物，可在高温高压下处理，防紫外线整理剂可溶于纤维内部。对于一些水溶性的整理剂，处理棉、羊毛、蚕丝等纤维时，可常压下用其水溶液进行处理。

3.2.2涂层法

将防紫外线整理剂加到涂层剂中，覆盖在织物上形成薄膜，达到防紫外线功能。涂层法适用的纤维种类广、对技术和设备要求较低。但该整理剂耐磨性、抗皱性较差，耐洗性差，透湿透气性不好，一般用于工业化产品，如窗帘等。涂层法使用的紫外线屏蔽剂，多是高折射的无机化合物，它们几乎不溶于水，一般先进行乳化处理，使屏蔽剂均匀分散于水相中，并能较稳定保持屏蔽作用，对织物进行整理；或改变紫外线屏蔽剂分子结构，赋予其水溶性。但由于母体分子结构小，影响了整理剂结构，提高了成本。

3.2.3浸渍法

浸渍法是将无机防紫外线整理剂做成乳胶，与其他整理剂混合后，将织物浸入其中进而获得防紫外线功效的整理法。

3.2.4其他加工技术

微胶囊技术目前已广泛应用。它是将防紫外线整理剂注入胶囊内，使服装在服用过程中，微胶囊表层摩擦破损，防紫外线整理剂缓慢释放[15-16]。