防紫外線紡織品的研究現(xiàn)狀

周 琦

(九江學(xué)院，江西 九江 332000)

1 概述

1.1 紫外線對(duì)人體的影響

大量研究表明:小劑量的紫外線照射對(duì)動(dòng)植物免疫系統(tǒng)等各項(xiàng)機(jī)能均有增強(qiáng)作用，超量照射則有抑制作用。紫外線A可透入皮膚深處,令皮膚變黑，使皮下彈性纖維受損,進(jìn)而出現(xiàn)皺變松弛。夏季曬斑主要是紫外線B的作用,紫外線B令皮膚變紅、血管擴(kuò)張、生成紅斑,甚至發(fā)生炎癥。太陽(yáng)光中有大量紫外線,長(zhǎng)時(shí)間照射人體會(huì)使皮膚松弛下垂、衰老、產(chǎn)生雀斑等。紫外線C一方面具有良好的殺菌作用,另一方面也對(duì)人體有傷害。一般紫外線C無(wú)法到達(dá)地面[1]。一些病人出現(xiàn)免疫系統(tǒng)疾病，他們完全不能照射紫外線，否則會(huì)出現(xiàn)健康問(wèn)題，這類病人必須穿著具有很高防曬性能的防曬服[2]。據(jù)研究，紫外線對(duì)人體的傷害遠(yuǎn)大于有益影響。

1.2 國(guó)內(nèi)外防紫外線紡織品的研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)

防紫外紡織品是20世紀(jì)90年代新興起的功能性產(chǎn)品。目前，日本防紫外線紡織品研究最有成效，較短時(shí)間里，他們開發(fā)了多種防紫外線紡織品。通過(guò)控制這些紡織品的生產(chǎn)加工過(guò)程，來(lái)提高織物的防紫外線性能，實(shí)現(xiàn)防止紫外線過(guò)量輻射的目的，采取的手段為添加紫外線吸收劑或屏蔽劑。這些商品包括富士紡的“Refiruka”、日東紡的“Danshyain”、日本鐘紡的“Nabyburn”、東邦人造絲的“SamakatoUV”、尤尼吉卡的“Nanduran”、敷島的“Rikado”、東洋紡的“JuuyumineUV”、倉(cāng)敷紡的“Miruwaru”等。國(guó)外織物抗紫外線整理技術(shù)不斷發(fā)展，已經(jīng)進(jìn)入商品開發(fā)階段。各國(guó)都加強(qiáng)對(duì)UV吸收劑的研究,使紫外線A和B的屏蔽效果達(dá)到90%以上。一些先進(jìn)的公司開發(fā)高性能的防紫外線纖維，使其具有優(yōu)良的加工性、溶解性、乳化性和分散穩(wěn)定性[3]。

我國(guó)防紫外線紡織品的研究起步較晚。大量氟利昂的排放使地球上空的臭氧層出現(xiàn)空洞，減弱了大氣對(duì)地球表面紫外線的屏蔽，人們開始意識(shí)到對(duì)紫外線的防護(hù)至關(guān)重要。至2000年我國(guó)面向市場(chǎng)的防紫外線紡織品受到消費(fèi)者歡迎，國(guó)內(nèi)廠家已大致熟悉了防紫外線紡織品的加工技術(shù)，大多在紡絲過(guò)程中添加氧化物微?；蚪饘偬沾煞鄣?，或?qū)Ψ雷贤饩€紡織品進(jìn)行后整理。但我國(guó)目前面向市場(chǎng)的防紫外線紡織品數(shù)量少、質(zhì)量低，與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)相比，仍有差距。我國(guó)目前市場(chǎng)上的部分防曬服對(duì)紫外線的屏蔽率并沒有達(dá)到其聲稱的效果。開發(fā)具有抗紫外線性能的紡織品對(duì)防止人體受到侵害、改善人們生活質(zhì)量具有重要意義[4]。

2 防紫外線紡織品的分析研究

2.1 防紫外線紡織品的測(cè)試方法及評(píng)定指標(biāo)

2.1.1織物防紫外線性能的測(cè)試方法

測(cè)試方法有標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)法、分光光度法、皮膚直接照射法、變色褪色法、紫外線強(qiáng)度累計(jì)法[5]。

2.1.2織物防紫外線性能的評(píng)定指標(biāo)

(1)紫外線透射比(UVR)=有試樣時(shí)的UV透射通量/無(wú)試樣時(shí)的UV透射通量。

(2)紫外線屏蔽率=1-透射比。

(3)紫外線防護(hù)系數(shù)(UPF)=不使用防護(hù)品時(shí)的紫外線輻射效應(yīng)/使用防護(hù)品時(shí)的紫外線輻射效應(yīng)。

(4)穿透率=UPF值的倒數(shù)[6]。

其中，UPF>40，透過(guò)率≤2.5%為防紫外線效果很好。UPF數(shù)值和等級(jí)劃分如表1所示。

表1 UPF的數(shù)值及防護(hù)等級(jí)

2.2 防紫外線紡織品的防護(hù)機(jī)理

紫外線照射到織物上一部分被反射，一部分被吸收，其余部分透過(guò)織物[7]。所以，防紫外線紡織品，可以通過(guò)增大織物對(duì)紫外線的反射量和吸收量，來(lái)減小透過(guò)織物到達(dá)人體的紫外線量，以增強(qiáng)對(duì)紫外線的防護(hù)性能。對(duì)于透過(guò)織物的紫外線，由于織物與人體之間存在空隙，所以在織物與人體這一小環(huán)境內(nèi)，仍然存在紫外線反射量。

2.3 防紫外線紡織品的組成及影響因素

防紫外線紡織品由防紫外線纖維基材和防紫外線整理劑組成。其中，防紫外線纖維基材的影響因素包括：纖維的種類、纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)、織物緊密程度、織物組織結(jié)構(gòu)、厚度和顏色等。防紫外線整理劑有吸收劑和整理劑兩類。

2.3.1防紫外線纖維基材

(1)纖維種類

不同種類纖維結(jié)構(gòu)不同，對(duì)紫外線的吸收能力不同，防紫外線性能就不同。腈綸纖維結(jié)構(gòu)中的-CN基能吸收紫外線能量并轉(zhuǎn)化成熱能散失[8]。聚酯纖維中有苯環(huán)，羊毛、蠶絲等蛋白質(zhì)纖維分子中有芳香族氨基酸，均對(duì)紫外線有較強(qiáng)的吸收能力[9]。麻類纖維具有獨(dú)特的果膠質(zhì)斜偏孔結(jié)構(gòu)，內(nèi)部具有很多大小不一的空隙，纖維表面分布著溝槽、裂紋，這些結(jié)構(gòu)能吸收光波，故具有較強(qiáng)的防紫外線功能[10]。棉織物與羊毛、麻等纖維相比，防紫外線輻射性能較差，且棉織物使用最為廣泛，所以，當(dāng)前對(duì)棉織物的防紫外線整理研究較多。

海藻、甲殼素、蘆薈、黃岑、銀杏等天然動(dòng)植物，及維生素A和E都具有良好的紫外線吸收性能。

(2)纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)

聚酯纖維和羊毛纖維截面呈圓形，對(duì)光的反射強(qiáng)，能降低紫外線的透過(guò)率。此外，纖維直徑變小使反射增強(qiáng)，所以超細(xì)纖維織物具有良好的防紫外線性能。

(3)織物的組織結(jié)構(gòu)、緊密程度、厚度

織物組織結(jié)構(gòu)、緊密程度和厚度決定了織物的孔隙率，孔隙率越低，防紫外線效果越好。

(4)織物染色用染料顏色

不同顏色的同種織物防紫外線性能明顯不同。因?yàn)橛行┤玖系奈諑Э缮煺沟阶贤夤庾V區(qū)，能吸收部分紫外線。通常織物顏色越深，對(duì)紫外線防護(hù)性能越好。

(5)其他因素

同一件衣服濕態(tài)時(shí)比干燥時(shí)的防紫外效果明顯低。這是因?yàn)樵诩喚€和纖維的空隙中的水分降低了光的分散作用，防紫外線效果變差。

紡織品防紫外線性能一般短纖織物優(yōu)于長(zhǎng)絲織物；加工產(chǎn)品優(yōu)于原產(chǎn)品；細(xì)纖維織物比粗纖維織物好；扁平異形化纖織物優(yōu)于圓形截面化纖織物；梭織物優(yōu)于針織物。

2.3.2紡織品整理劑

防紫外線整理的關(guān)鍵是紫外線屏蔽劑。可分為2種:一種為紫外線反射劑，能反射紫外線；另一種為紫外線吸收劑，能吸收紫外線，將能量轉(zhuǎn)化為其他能量，從而減少透過(guò)量。

(1)紫外線吸收劑

紫外線吸收劑指能吸收波長(zhǎng)為270～300 nm紫外線的有機(jī)化合物。紫外線吸收劑在各領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，最主要用于高分子材料和紡織品加工領(lǐng)域[11]。合成紫外線吸收劑多是具有共扼體系的化合物，主要有以下幾類：金屬離子化合物類、水楊酸酯類、對(duì)甲氧基肉桂酸酯類、二苯甲酮類、甲烷衍生物、苯并三唑類。其中，苯并三唑類紫外線吸收劑與聚合物的相容性較好、穩(wěn)定性較佳，廣泛用于各種合成材料和涂層制品中[12]。這些有機(jī)化合物都含有羥基，在形成氫鍵、氫鍵鰲合環(huán)等過(guò)程中能吸收能量轉(zhuǎn)化為熱能散失，所以到達(dá)高聚物中的能量減少，起到防紫外線輻射的作用。其能量轉(zhuǎn)換圖見圖1。

圖1 紫外線吸收劑能量轉(zhuǎn)換圖

(2)紫外線反射劑

紫外線反射劑通過(guò)對(duì)紫外線反射或折射，達(dá)到防紫外線的目的。它們利用陶瓷或金屬氧化物等細(xì)粉與纖維或織物結(jié)合，增強(qiáng)織物表面對(duì)紫外線的反射和散射作用，以防止紫外線透過(guò)織物。目前的無(wú)機(jī)防紫外線添加劑多采用納米粉體[13]。

3 防紫外線紡織品的設(shè)計(jì)

防紫外線紡織品的設(shè)計(jì)目標(biāo)是增強(qiáng)紡織品的防紫外線功能，使紡織品對(duì)紫外線的屏蔽率達(dá)到90%以上，甚至更高。對(duì)防紫外線紡織品的設(shè)計(jì)包括：一是合理利用紡織品原有的防紫外線功能；二是利用紫外線屏蔽劑形成防紫外輻射功能對(duì)紡織品進(jìn)行后整理。但這種方法一方面會(huì)增加織物的厚度，增加夏季高溫環(huán)境中的不舒適度，另一方面也會(huì)給后期紡織品的護(hù)理帶來(lái)難題。由于紡織品既有防紫外線功能有限，所以可采用一定的制備工藝將兩者結(jié)合起來(lái)，獲得具有滿意防紫外線功能的紡織品。

3.1 防紫外線纖維法

防紫外線纖維法是在纖維中添加紫外線吸收劑或屏蔽劑或兩者均添加，得到防紫外線纖維，進(jìn)而將其制成防紫外線織物。主要是利用化纖改性技術(shù)，采用共混、共聚和復(fù)合紡絲法，用防紫外線整理劑實(shí)現(xiàn)纖維改性，制備防紫外線纖維。

3.1.1共混法

在紡絲過(guò)程中，將防紫外線整理劑加到聚合物中，進(jìn)行混合紡絲。制得的防紫外線紡織品相比后整理法制成的紡織品，其防紫外線功能持久，耐洗性好，手感柔軟，易于染色[14]。

3.1.2共聚法

將防紫外線物質(zhì)和成纖高聚物單體一起共聚，制成防紫外線共聚物，然后紡成防紫外線纖維。

3.1.3復(fù)合紡絲法

利用復(fù)合紡絲技術(shù)，將整理劑加到纖維皮層，不僅節(jié)約原料，還有利于保持纖維原有優(yōu)質(zhì)性能。

3.2 防紫外線后整理法

防紫外線后整理法是在織物后整理時(shí)，用紫外線散射劑和吸收劑處理，以減少紫外線透過(guò)織物的量，達(dá)到防紫外線效果。后整理法操作簡(jiǎn)單，但存在不易保養(yǎng)，多次洗滌之后防紫外線效果明顯降低的缺點(diǎn)，分為吸盡法、涂層法和浸漬法。

3.2.1吸盡法

對(duì)于大多合成纖維織物，可在高溫高壓下處理，防紫外線整理劑可溶于纖維內(nèi)部。對(duì)于一些水溶性的整理劑，處理棉、羊毛、蠶絲等纖維時(shí)，可常壓下用其水溶液進(jìn)行處理。

3.2.2涂層法

將防紫外線整理劑加到涂層劑中，覆蓋在織物上形成薄膜，達(dá)到防紫外線功能。涂層法適用的纖維種類廣、對(duì)技術(shù)和設(shè)備要求較低。但該整理劑耐磨性、抗皺性較差，耐洗性差，透濕透氣性不好，一般用于工業(yè)化產(chǎn)品，如窗簾等。涂層法使用的紫外線屏蔽劑，多是高折射的無(wú)機(jī)化合物，它們幾乎不溶于水，一般先進(jìn)行乳化處理，使屏蔽劑均勻分散于水相中，并能較穩(wěn)定保持屏蔽作用，對(duì)織物進(jìn)行整理；或改變紫外線屏蔽劑分子結(jié)構(gòu)，賦予其水溶性。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。

3.2.3浸漬法

浸漬法是將無(wú)機(jī)防紫外線整理劑做成乳膠，與其他整理劑混合后，將織物浸入其中進(jìn)而獲得防紫外線功效的整理法。

3.2.4其他加工技術(shù)

微膠囊技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用。它是將防紫外線整理劑注入膠囊內(nèi)，使服裝在服用過(guò)程中，微膠囊表層摩擦破損，防紫外線整理劑緩慢釋放[15-16]。

3.3 防紫外線纖維與織物后整理相結(jié)合

紫外線吸收劑與反射劑在纖維或織物上同時(shí)應(yīng)用，防護(hù)效果更為優(yōu)越。如尤尼卡公司的防紫外線紡織品用含陶瓷粉的聚酯長(zhǎng)絲制成織物后，再進(jìn)行防紫外線后整理，所得織物的紫外線屏蔽率達(dá)90%以上[17]。

4 展望

目前防紫外線紡織品的紫外線屏蔽率已經(jīng)可以高達(dá)99%以上,但應(yīng)用在服裝領(lǐng)域,在其舒適性方面仍然存在穿著悶熱等不足，在提高紡織品抗紫外線性能的同時(shí)，提高紡織品的透濕透氣性也至關(guān)重要，未來(lái)，防紫外線紡織品將朝著越來(lái)越舒適的方向發(fā)展，這有待于廣大研究者進(jìn)行研究。