防紫外線(xiàn)面料技術(shù)和原理

紫外線(xiàn)是一種波長(zhǎng)400～100nm的輻射線(xiàn)。適量的紫外線(xiàn)照射能夠增強(qiáng)人的體質(zhì)和抵御傳染病的能力，促進(jìn)體內(nèi)維生素D3的合成，維持正常的鈣磷代謝和骨骼的生長(zhǎng)發(fā)育，加速傷口的愈合，提高免疫力。當(dāng)紫外線(xiàn)強(qiáng)烈作用于皮膚時(shí)，可發(fā)生光照性皮炎，皮膚上出現(xiàn)紅斑、癢、水皰、水腫等；嚴(yán)重的還可引起皮膚癌。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自1983年以來(lái)，全球皮膚癌患者每年以5％的速度增加。這與臭氧層減少有關(guān)，臭氧層濃度每減少10％，人類(lèi)皮膚癌發(fā)病率將增加26％。

陽(yáng)光中的紫外線(xiàn)根據(jù)波長(zhǎng)可分為3部分：UVA(315～400 nm)，UVB(280～315 nm)，UVC(100～280nm)。Uvc到達(dá)地面前基本被吸收，直接作用于地表的紫外線(xiàn)主要是UVA和IUVB，即波長(zhǎng)280～400nm的紫外線(xiàn)部分。因此，對(duì)這一波段紫外線(xiàn)的防護(hù)尤為重要。服裝作為人體的第二皮膚，應(yīng)具有一定的保護(hù)人體盡量免受外界惡劣環(huán)境侵害的功能。 隨著人類(lèi)對(duì)紫外線(xiàn)危害認(rèn)識(shí)的深入，加強(qiáng)研究防紫外線(xiàn)紡織品勢(shì)在必行。

普通紡織品的防護(hù)效果不是很理想，這就要求染整工作者采用一定的技術(shù)和工藝，開(kāi)發(fā)出有效防御紫外線(xiàn)照射的功能整理劑。

1 抗紫外線(xiàn)機(jī)理

紡織品對(duì)紫外線(xiàn)防護(hù)的機(jī)理，分為反射和吸收兩種。紫外線(xiàn)照射到織物上，一部分被纖維吸收，一部分被反射，還有一部分從織物纖維問(wèn)的孔隙中透射，也有可能直接通過(guò)纖維本身。只有透過(guò)織物的紫外線(xiàn)才可輻射到人體，而且大部分是直接輻射至人體的，其余的是通過(guò)散射輻射到達(dá)的。因此，抗紫外線(xiàn)織物主要是用屏蔽劑對(duì)纖維或織物進(jìn)行防紫外線(xiàn)處理，來(lái)增強(qiáng)紡織品吸收或反射紫外線(xiàn)的能力。常用的紫外線(xiàn)屏蔽劑有無(wú)機(jī)和有機(jī)兩大類(lèi)。

1．1無(wú)機(jī)類(lèi)紫外線(xiàn)屏蔽劑

無(wú)機(jī)紫外線(xiàn)屏蔽劑也稱(chēng)紫外線(xiàn)反射劑，具有較高的折射率，主要通過(guò)對(duì)入射紫外線(xiàn)反射或折射，而達(dá)到防紫外線(xiàn)輻射的目的。

有些超細(xì)粒子(如納米粉體)由于小尺寸效應(yīng)等特性而導(dǎo)致其優(yōu)異的抗紫外性能。作為染整助劑，為了不影響紡織品的色彩效應(yīng)，最好選用具有透明性或白質(zhì)材料，所以一般選用金屬氧化物的粉體，如三氧化二鋁(Al203)、氧化鎂(MgO)、氧化鋅(zno)、二氧化鈦(Ti02)、高嶺土等，它們屏蔽紫外線(xiàn)的功料與結(jié)構(gòu)中的禁止帶間隙密切相關(guān)。如Ti02的電子結(jié)構(gòu)，由充滿(mǎn)電子的價(jià)電子帶和沒(méi)有電子的道形成的傳導(dǎo)帶構(gòu)成，存在禁止帶間隙。禁止帶間隙約為3．2eV，相當(dāng)于約410nm波長(zhǎng)的光能，當(dāng)納米二氧化鈦受光照射時(shí)，能量與禁止帶間隙相同或比禁止帶間隙能量稍大的光被吸收，價(jià)電子帶的電子激發(fā)至傳導(dǎo)帶，因而對(duì)紫外線(xiàn)部分產(chǎn)生吸收。研究表明，粒徑小于100nm的Ti02紫外線(xiàn)透過(guò)率低于20％。ZnO廉價(jià)無(wú)毒，屏蔽紫外線(xiàn)波長(zhǎng)范圍比Ti02寬，折光率(n=1．9)也比Ti02(n=2．6)小，對(duì)光線(xiàn)的漫散射率低，透明度也高。ZnO還被證實(shí)具有抗菌防霉防臭功能，因而應(yīng)用前景更廣。

多種納米粉體共同添加對(duì)紫外線(xiàn)有更好的屏蔽作用。如二氧化鈦、氧化鋅和二氧化硅混合，其中前2者只針對(duì)uvA和uVB處吸收，而二氧化硅則在uVA和uvB的范圍內(nèi)對(duì)紫外線(xiàn)的反射率高達(dá)85％，并在紫外線(xiàn)和可見(jiàn)光范圍內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)很長(zhǎng)的高反射平臺(tái)。

1．2有機(jī)類(lèi)紫外線(xiàn)屏蔽劑

有機(jī)防紫外線(xiàn)整理劑也稱(chēng)為紫外線(xiàn)吸收劑,通常是指能吸收波長(zhǎng)為270~400nm紫外線(xiàn)的有機(jī)化合物。

國(guó)內(nèi)外紫外線(xiàn)吸收劑品種較多，常用的產(chǎn)品主要有非反應(yīng)性、小分子紫外線(xiàn)吸收劑如水楊酸酯類(lèi)化合物、二苯甲酮類(lèi)、苯并三唑類(lèi)、取代三嗪類(lèi)、取代丙烯腈類(lèi)以及聚合物型紫外吸收劑。水楊酸酯類(lèi)化合物使用得較早，因其穩(wěn)定性較差而在應(yīng)用方面有所局限；取代三嗪與取代丙烯腈類(lèi)用于高聚物的光穩(wěn)定劑較多；目前最有發(fā)展前景的當(dāng)屬二苯甲酮類(lèi)及苯并二唑類(lèi)。這兩者因其自身有效吸收波長(zhǎng)范圍廣、相容性好等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用很廣泛，目前正嘗試將其化學(xué)結(jié)合入高分子骨架以避免它自身的某些缺點(diǎn)，有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用前景。

1．2．1 非反應(yīng)性紫外線(xiàn)吸收劑

(1)水楊酸酯及其衍生物

聚合物加工和織物后整理過(guò)程中應(yīng)用最早的一類(lèi)紫外線(xiàn)吸收劑，可用于聚乙烯、聚丙烯、聚氧乙烯、聚酰胺等纖維及其塑料薄膜產(chǎn)品，有效吸收波長(zhǎng)范圍為290～320nm。代表性化合物有水楊酸苯酯、水楊酸對(duì)叔丁基苯酯等。產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)為低毒，凝同點(diǎn)低，有紫外線(xiàn)吸收與消毒防腐作用；缺點(diǎn)是升華性強(qiáng)，光穩(wěn)定性能較差，對(duì)紫外線(xiàn)的吸收波長(zhǎng)范圍較窄，因而應(yīng)用方面具有局限性。

(2)二苯甲酮及其衍生物

二苯甲酮及其衍生物不溶于水,易溶于甲醇、乙醇等有機(jī)溶劑,這一特性使其與油溶性材料或高分子材料的物理兼容性較好,故可用于塑料、油墨、化妝品、防曬劑等配方中。但此類(lèi)產(chǎn)品用于織物整理,分子與纖維之間只存在物理吸附以及氫鍵作用,而無(wú)化學(xué)結(jié)合,故整理的織物耐曬性良好、但耐洗性卻差。

(3)苯并三唑及其衍生物

苯并二唑類(lèi)紫外吸收劑的特點(diǎn)是毒性小，與樹(shù)脂的相容性好，可用作包裝食品的聚乙烯、聚丙烯以及聚丁烯、聚苯乙烯、聚氨酯、環(huán)氧樹(shù)脂及涂料、染料、顏料等的光穩(wěn)定劑，故在紡織、塑料、汽車(chē)涂料等方面有廣泛應(yīng)用。

(4)取代二嗪及其衍生物

在二嗪衍生物中取代苯環(huán)上的羥基與二嗪環(huán)上的氮原子存在分子內(nèi)鍵的鍵合與斷開(kāi)反應(yīng)，從而轉(zhuǎn)化紫外能量，使此類(lèi)化合物具備吸收紫外線(xiàn)能量的功能而被用作紫外線(xiàn)吸收劑。因此，這類(lèi)化合物吸收紫外線(xiàn)效果與鄰羥基的個(gè)數(shù)有關(guān)，鄰羥基個(gè)數(shù)越多，吸收紫外線(xiàn)的能力越強(qiáng)，引入不同取代基，能降低均二嗪環(huán)的堿性，因此可改善此類(lèi)化合物的耐光堅(jiān)牢性及其與樹(shù)脂的相容性。它的缺點(diǎn)是與高聚物的相容性差，使用過(guò)程中易導(dǎo)致整理的織物著色。

(5)取代丙烯腈及其衍生物

此類(lèi)紫外線(xiàn)吸收劑雖然僅能吸收31O～320nm的紫外線(xiàn)，但因其不含酚式羥基，故具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和與高聚物的相容性。

1．2．2 聚合物型紫外吸收劑

非反應(yīng)性、小分子紫外線(xiàn)吸收劑整理的織物耐洗牢度差，抗紫外線(xiàn)效果難以持久，而且織物的透氣性、手感、衛(wèi)生性能受到影響。反應(yīng)性紫外線(xiàn)吸收劑可解決結(jié)合牢度等問(wèn)題，但僅適用于高分子材料、化學(xué)纖維的合成或紡絲，在天然纖維或生態(tài)纖維的后整理方面其應(yīng)用受到一定限制。所以開(kāi)發(fā)對(duì)人體低毒或無(wú)毒，與纖維結(jié)合牢度高，又符合綠色生態(tài)環(huán)保需求的高分子紫外吸收劑已勢(shì)在必行。

聚有機(jī)硅氧烷是一類(lèi)特種高分子材料，表面能低、易成膜，具有優(yōu)異的耐高低溫性能耐輻射性、耐氧化性、透氣性、耐候性等。事實(shí)上氨烴基、環(huán)氧基、羧烴基、聚醚基等改性聚二甲基硅氧烷，是目前紡織工業(yè)大量使用的柔軟整理劑。所以，若在聚二甲基硅氧烷的側(cè)鏈或主鏈上，化學(xué)鍵合入二苯甲酮、苯并三氮唑等紫外吸收基團(tuán)，則可望獲得兼具二者綜合性能的新型紫外吸收劑。

羧烴基硅油與水楊酸經(jīng)高溫酯化反應(yīng)合成的水楊酸酯烴基聚硅氧烷，用于護(hù)膚、毛發(fā)以及蛋白纖維的防護(hù)保養(yǎng)，則能賦予基質(zhì)持久的抗紫外線(xiàn)效果。

攜帶有2，2，6，6-四甲基派啶及其衍生物側(cè)基的聚有機(jī)硅氧烷，本身雖無(wú)吸收紫外線(xiàn)的能力，但可捕獲光氧化反應(yīng)或者聚合物降解過(guò)程中產(chǎn)生的自由基，分解氫過(guò)氧化物并傳遞激發(fā)態(tài)分子能量，因而具有光穩(wěn)定效果。

將Zn0等無(wú)機(jī)納米抗紫外線(xiàn)粉體與氨基硅乳柔軟劑復(fù)配，用于織物整理，可使棉織物獲得抗紫外線(xiàn)與柔軟等多重功能，而且經(jīng)此處理的織物耐水洗，纖維強(qiáng)度、拉伸性、色澤等不受影響。

2 防紫外線(xiàn)輻射整理方法及其工藝

織物紫外線(xiàn)屏蔽整理工藝與其最終用途有關(guān)。如作為服裝面料，夏季穿著的對(duì)柔軟性和舒適性要求高，以采用吸盡法或浸軋法施加紫外線(xiàn)吸收劑為好；如作為裝飾、家用或產(chǎn)業(yè)用紡織品，則強(qiáng)調(diào)其功能性要求，可選用涂層法；對(duì)于混紡織物的防紫外線(xiàn)整理，從技術(shù)角度來(lái)說(shuō)，還是以吸盡法和浸軋法為好，因?yàn)檫@種工藝對(duì)纖維性能、織物風(fēng)格、吸濕(水)性和強(qiáng)力影響較小，同時(shí)還可與其他功能性整理同浴進(jìn)行，如抗菌防臭、親水、防皺整理等。

2．1高溫高壓吸盡法

高溫高壓吸盡法類(lèi)似于滌綸的高溫高壓染色，這是由于一些不溶或難溶于水的紫外線(xiàn)吸收劑，它們的分子結(jié)構(gòu)利分散染料很接近，在高溫高壓的條件下可以進(jìn)入纖維內(nèi)部而固著。高溫高壓吸盡法適用于滌綸、錦綸等合纖類(lèi)織物，此法比較多地采用分散染料染色與抗紫外整理同浴進(jìn)行。

2．2常壓吸盡法

常壓吸盡法則主要適合于棉、麻、羊毛、蠶絲等天然纖維類(lèi)織物的抗紫外整理。常壓吸盡法須選用水溶性的紫外線(xiàn)吸收劑，如一些二苯甲酮類(lèi)的水溶性紫外線(xiàn)吸收劑的分子結(jié)構(gòu)中有多個(gè)羥基，對(duì)棉及其它天然纖維有較好的吸附能力，因此，可以在常壓下被用于此類(lèi)織物抗紫外整理。

2．3浸軋法

由于紫外線(xiàn)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(shù)胎同浴，將屏蔽劑聞著在織物表面。浸軋液由紫外線(xiàn)屏蔽劑、樹(shù)脂、柔軟劑等組成。但經(jīng)熱處理后，織物上空隙易被樹(shù)脂所覆蓋，會(huì)影響整理織物的風(fēng)格、吸水性和透氣性。用浸軋法對(duì)純棉織物進(jìn)行抗紫外線(xiàn)整理的工藝條件如圖1所示：

 2．4涂層法

一般在涂層劑中加入適量紫外線(xiàn)屏蔽劑，用涂布器在織物表面進(jìn)行精密細(xì)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(lèi)方法雖使耐洗牢度及手感受到影響，但對(duì)纖維種類(lèi)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(xiàn)屏蔽劑，大多是一些高折射的無(wú)機(jī)化合物。

2．5微膠囊技術(shù)和印花法

  微膠囊技術(shù)是一種微包裝技術(shù)，是用天然或合成高分子成膜材料把分散的固體、液體或氣體包覆，使形成微小粒子的方法。其實(shí)質(zhì)是通過(guò)密閉的或半透性的壁膜將芯材與外界環(huán)境隔離開(kāi)來(lái)，從而達(dá)到保護(hù)和穩(wěn)定芯材、屏蔽氣味和顏色、控制釋放芯材等目的。其制成品典型大小范圍在2~2000μm之間，壁的典型厚度在0．5~150μm之間�？蓪⒖棺贤饩�(xiàn)整理劑注入膠囊內(nèi)，這樣在服裝的服用過(guò)程中由于受到磨擦使膠囊外層破裂，達(dá)到抗紫外線(xiàn)整理劑緩釋的效果；如果膠囊內(nèi)加入光敏變色晶體則能使織物獲得變色功能。光敏變色服裝除了增加美感外，還增強(qiáng)了抗紫外線(xiàn)功能，可抵御長(zhǎng)時(shí)間紫外線(xiàn)輻射。

印花法就是將紫外線(xiàn)屏蔽劑或吸收劑調(diào)制在印花色漿中，印制后，采用汽蒸處理固著在織物上，此法適合于對(duì)紫外線(xiàn)屏蔽率要求不是很高的織物。

2．6溶膠一凝膠技術(shù)

一般的屏蔽劑的耐洗牢度都比較著，作為一種多用途的新工具，溶膠凝膠技術(shù)可在織物表面涂覆一層透明的金屬氧化物薄膜，極大地改善了耐洗牢度，同時(shí)抗紫外線(xiàn)性能也非常優(yōu)良。

3 防紫外線(xiàn)織物效能的評(píng)價(jià)及測(cè)試方法

目前織物抗紫外線(xiàn)效果評(píng)價(jià)方法有分光光度計(jì)法、紫外線(xiàn)強(qiáng)度累計(jì)法、變色褪色法和直觀(guān)法等，其中分光光度計(jì)法較優(yōu)。分光光度計(jì)可檢測(cè)各個(gè)不同波長(zhǎng)下的透射比，是目前國(guó)際上最流行和通用的方法。直觀(guān)法由于紫外線(xiàn)過(guò)量照射對(duì)人體有害，應(yīng)少采用為宜。目前國(guó)內(nèi)外的主要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)有：我國(guó)的GB／T18830–2002，澳大利亞／新西蘭的AS／ZS4399，美國(guó)的AATCCl83–1998、ASTM草案D13．65，英國(guó)的BS7914．1998、BS7974．1999以及歐盟的PrEN13758等。

3．1分光光度計(jì)法

采用積分球式紫外分光光度計(jì)測(cè)試織物的紫外線(xiàn)透過(guò)率。紫外線(xiàn)透過(guò)率越小，表明織物隔斷紫外線(xiàn)效果越好。

3．2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(kāi)啟光源，光照一定時(shí)問(wèn)，然后觀(guān)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(shuō)明待測(cè)織物阻隔紫外線(xiàn)的效果越好。

3．3紫外線(xiàn)強(qiáng)度累計(jì)法

利用紫外光照射放在紫外線(xiàn)強(qiáng)度累計(jì)儀上的織物，按給定時(shí)間照射，測(cè)定出通過(guò)織物的紫外線(xiàn)累計(jì)量然后進(jìn)行計(jì)算。

3．4直觀(guān)法

分別使用防紫外線(xiàn)織物和相同材質(zhì)的非防紫外線(xiàn)織物覆蓋皮膚，通過(guò)照射紫外線(xiàn)進(jìn)行直接對(duì)比觀(guān)察。

3．5織物抗紫外耐久性

實(shí)際應(yīng)用中，還要求抗紫外功能紡織品有優(yōu)良的耐久性能，即經(jīng)多次洗滌后仍然保持良好的抗紫外效果�？梢詤⒄諊�(guó)標(biāo)GB／T3921．3–1997，用下述條件對(duì)織物進(jìn)行洗滌：

皂液：標(biāo)準(zhǔn)皂片5g／L；

無(wú)水碳酸鈉：2g／L；

溫度：(60±2)℃；

時(shí)問(wèn)：30min；

浴比：50：1

然后測(cè)定織物的紫外透過(guò)率，依此來(lái)評(píng)定耐久性。

對(duì)于防紫外線(xiàn)織物質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)，現(xiàn)采用紫外線(xiàn)遮蔽率較多。日本提出了采用紫外線(xiàn)遮蔽率與紫外線(xiàn)透過(guò)量減少率相結(jié)合的標(biāo)準(zhǔn)。紫外線(xiàn)透過(guò)量減少率等于傳統(tǒng)織物透過(guò)量與防紫外線(xiàn)織物的差值與傳統(tǒng)織物透過(guò)量的百分比。日本提出的標(biāo)準(zhǔn)是，織物首先要滿(mǎn)足紫外線(xiàn)透過(guò)量減少率達(dá)到50％的要求，然后再根據(jù)絕對(duì)遮蔽率進(jìn)行等級(jí)劃分。一般分為3級(jí)，遮蔽率在90％以上者為A級(jí)，遮蔽率在80％～90％者為B級(jí)，遮蔽率在50％～80％者為c級(jí)。這對(duì)于國(guó)內(nèi)評(píng)價(jià)防紫外線(xiàn)織物的性能具有很好的借鑒作用。

 4 前景與展望

防紫外線(xiàn)織物符合人們愛(ài)美、保健的要求，同時(shí)也能提高產(chǎn)品的附加值，隨著人們生活水平的提高和保健意識(shí)的增強(qiáng)，防紫外線(xiàn)紡織產(chǎn)品具有極好的開(kāi)發(fā)價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景。國(guó)外起步已久，我們應(yīng)奮起直追，在研究開(kāi)發(fā)時(shí)，首先應(yīng)對(duì)紫外線(xiàn)遮蔽劑、防紫外線(xiàn)纖維進(jìn)行深入的研究開(kāi)發(fā)，形成工業(yè)化生產(chǎn)能力；其次應(yīng)針對(duì)產(chǎn)品的用途，采用不同的加工方法，以提高其服用性能。如用后處理法時(shí)，服裝用織物應(yīng)采用含浸處理，以提高其透氣性，而對(duì)遮陽(yáng)傘、窗簾用織物則可采用涂層處理；同時(shí)應(yīng)注意到，人們已開(kāi)始對(duì)合成纖維提出具有多種功能的要求，而且作為紫外線(xiàn)遮蔽劑用的陶瓷微粉和金屬氧化物在紡織品的抗菌防臭、遠(yuǎn)紅外保健等其他功能性加工中也有采用，因此在研制防紫外線(xiàn)纖維紡織品時(shí)，最好能賦予涼爽、抗菌防臭、遠(yuǎn)紅外保健或阻燃、防靜電等多種功能，以進(jìn)一步提高其使用價(jià)值。

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