防紫外線面料技術(shù)和原理

紫外線是一種波長400～100nm的輻射線。適量的紫外線照射能夠增強(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發(fā)育，加速傷口的愈合，提高免疫力。當(dāng)紫外線強(qiáng)烈作用于皮膚時，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，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％，人類皮膚癌發(fā)病率將增加26％。

陽光中的紫外線根據(jù)波長可分為3部分：UVA(315～400nm)，UVB(280～315nm)，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主要是UVA和IUVB，即波長280～400nm的紫外線部分。因此，對這一波段紫外線的防護(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。隨著人類對紫外線危害認(rèn)識的深入，加強(qiáng)研究防紫外線紡織品勢在必行。

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，開發(fā)出有效防御紫外線照射的功能整理劑。

1抗紫外線機(jī)理

紡織品對紫外線防護(hù)的機(jī)理，分為反射和吸收兩種。紫外線照射到織物上，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的孔隙中透射，也有可能直接通過纖維本身。只有透過織物的紫外線才可輻射到人體，而且大部分是直接輻射至人體的，其余的是通過散射輻射到達(dá)的。因此，抗紫外線織物主要是用屏蔽劑對纖維或織物進(jìn)行防紫外線處理，來增強(qiáng)紡織品吸收或反射紫外線的能力。常用的紫外線屏蔽劑有無機(jī)和有機(jī)兩大類。

1．1無機(jī)類紫外線屏蔽劑

無機(jī)紫外線屏蔽劑也稱紫外線反射劑，具有較高的折射率，主要通過對入射紫外線反射或折射，而達(dá)到防紫外線輻射的目的。

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)，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)，由充滿電子的價電子帶和沒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波長的光能，當(dāng)納米二氧化鈦受光照射時，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，價電子帶的電子激發(fā)至傳導(dǎo)帶，因而對紫外線部分產(chǎn)生吸收。研究表明，粒徑小于100nm的Ti02紫外線透過率低于20％。ZnO廉價無毒，屏蔽紫外線波長范圍比Ti02寬，折光率(n=1．9)也比Ti02(n=2．6)小，對光線的漫散射率低，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紫外線有更好的屏蔽作用。如二氧化鈦、氧化鋅和二氧化硅混合，其中前2者只針對uvA和uVB處吸收，而二氧化硅則在uVA和uvB的范圍內(nèi)對紫外線的反射率高達(dá)85％，并在紫外線和可見光范圍內(nèi)出現(xiàn)一個很長的高反射平臺。

1．2有機(jī)類紫外線屏蔽劑

有機(jī)防紫外線整理劑也稱為紫外線吸收劑,通常是指能吸收波長為270~400nm紫外線的有機(jī)化合物。

國內(nèi)外紫外線吸收劑品種較多，常用的產(chǎn)品主要有非反應(yīng)性、小分子紫外線吸收劑如水楊酸酯類化合物、二苯甲酮類、苯并三唑類、取代三嗪類、取代丙烯腈類以及聚合物型紫外吸收劑。水楊酸酯類化合物使用得較早，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用于高聚物的光穩(wěn)定劑較多；目前有發(fā)展前景的當(dāng)屬二苯甲酮類及苯并二唑類。這兩者因其自身有效吸收波長范圍廣、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程中應(yīng)用早的一類紫外線吸收劑，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，有效吸收波長范圍為290～320nm。代表性化合物有水楊酸苯酯、水楊酸對叔丁基苯酯等。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，對紫外線的吸收波長范圍較窄，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

苯并二唑類紫外吸收劑的特點(diǎn)是毒性小，與樹脂的相容性好，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)氧樹脂及涂料、染料、顏料等的光穩(wěn)定劑，故在紡織、塑料、汽車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)鍵的鍵合與斷開反應(yīng)，從而轉(zhuǎn)化紫外能量，使此類化合物具備吸收紫外線能量的功能而被用作紫外線吸收劑。因此，這類化合物吸收紫外線效果與鄰羥基的個數(shù)有關(guān)，鄰羥基個數(shù)越多，吸收紫外線的能力越強(qiáng)，引入不同取代基，能降低均二嗪環(huán)的堿性，因此可改善此類化合物的耐光堅(jiān)牢性及其與樹脂的相容性。它的缺點(diǎn)是與高聚物的相容性差，使用過程中易導(dǎo)致整理的織物著色。

(5)取代丙烯腈及其衍生物

此類紫外線吸收劑雖然僅能吸收31O～320nm的紫外線，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、小分子紫外線吸收劑整理的織物耐洗牢度差，抗紫外線效果難以持久，而且織物的透氣性、手感、衛(wèi)生性能受到影響。反應(yīng)性紫外線吸收劑可解決結(jié)合牢度等問題，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。所以開發(fā)對人體低毒或無毒，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在必行。

聚有機(jī)硅氧烷是一類特種高分子材料，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，本身雖無吸收紫外線的能力，但可捕獲光氧化反應(yīng)或者聚合物降解過程中產(chǎn)生的自由基，分解氫過氧化物并傳遞激發(fā)態(tài)分子能量，因而具有光穩(wěn)定效果。

將Zn0等無機(jī)納米抗紫外線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防紫外線輻射整理方法及其工藝

織物紫外線屏蔽整理工藝與其終用途有關(guān)。如作為服裝面料，夏季穿著的對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；對于混紡織物的防紫外線整理，從技術(shù)角度來說，還是以吸盡法和浸軋法為好，因?yàn)檫@種工藝對纖維性能、織物風(fēng)格、吸濕(水)性和強(qiáng)力影響較小，同時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、蠶絲等天然纖維類織物的抗紫外整理。常壓吸盡法須選用水溶性的紫外線吸收劑，如一些二苯甲酮類的水溶性紫外線吸收劑的分子結(jié)構(gòu)中有多個羥基，對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織物抗紫外整理。

2．3浸軋法

由于紫外線屏蔽劑大多不溶于水，又對棉、麻等天然纖維缺乏親和力。因此不能用吸盡法，而采用與樹胎同浴，將屏蔽劑聞著在織物表面。浸軋液由紫外線屏蔽劑、樹脂、柔軟劑等組成。但經(jīng)熱處理后，織物上空隙易被樹脂所覆蓋，會影響整理織物的風(fēng)格、吸水性和透氣性。用浸軋法對純棉織物進(jìn)行抗紫外線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。這類方法雖使耐洗牢度及手感受到影響，但對纖維種類的適用性廣，處理成本低，對應(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。

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)是通過密閉的或半透性的壁膜將芯材與外界環(huán)境隔離開來，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€整理劑注入膠囊內(nèi)，這樣在服裝的服用過程中由于受到磨擦使膠囊外層破裂，達(dá)到抗紫外線整理劑緩釋的效果；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)了抗紫外線功能，可抵御長時間紫外線輻射。

印花法就是將紫外線屏蔽劑或吸收劑調(diào)制在印花色漿中，印制后，采用汽蒸處理固著在織物上，此法適合于對紫外線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，同時抗紫外線性能也非常優(yōu)良。

3防紫外線織物效能的評價及測試方法

目前織物抗紫外線效果評價方法有分光光度計(jì)法、紫外線強(qiáng)度累計(jì)法、變色褪色法和直觀法等，其中分光光度計(jì)法較優(yōu)。分光光度計(jì)可檢測各個不同波長下的透射比，是目前國際上流行和通用的方法。直觀法由于紫外線過量照射對人體有害，應(yīng)少采用為宜。目前國內(nèi)外的主要評價標(biāo)準(zhǔn)有：我國的GB／T18830–2002，澳大利亞／新西蘭的AS／ZS4399，美國的AATCCl83–1998、ASTM草案D13．65，英國的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)測試織物的紫外線透過率。紫外線透過率越小，表明織物隔斷紫外線效果越好。

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，上面覆蓋待測織物，開啟光源，光照一定時問，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，說明待測織物阻隔紫外線的效果越好。

3．3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)儀上的織物，按給定時間照射，測定出通過織物的紫外線累計(jì)量然后進(jìn)行計(jì)算。

3．4直觀法

分別使用防紫外線織物和相同材質(zhì)的非防紫外線織物覆蓋皮膚，通過照射紫外線進(jìn)行直接對比觀察。

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諊鴺?biāo)GB／T3921．3–1997，用下述條件對織物進(jìn)行洗滌：

皂液：標(biāo)準(zhǔn)皂片5g／L；

無水碳酸鈉：2g／L；

溫度：(60±2)℃；

時問：30min；

浴比：50：1

然后測定織物的紫外透過率，依此來評定耐久性。

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

4前景與展望

防紫外線織物符合人們愛美、保健的要求，同時也能提高產(chǎn)品的附加值，隨著人們生活水平的提高和保健意識的增強(qiáng)，防紫外線紡織產(chǎn)品具有極好的開發(fā)價值和廣闊的市場前景。國外起步已久，我們應(yīng)奮起直追，在研究開發(fā)時，首先應(yīng)對紫外線遮蔽劑、防紫外線纖維進(jìn)行深入的研究開發(fā)，形成工業(yè)化生產(chǎn)能力；其次應(yīng)針對產(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，服裝用織物應(yīng)采用含浸處理，以提高其透氣性，而對遮陽傘、窗簾用織物則可采用涂層處理；同時應(yīng)注意到，人們已開始對合成纖維提出具有多種功能的要求，而且作為紫外線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纖維紡織品時，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)一步提高其使用價值。WHllmJQA