织物的抗紫外线性能

织物的抗紫外线性能

付青邓桦(天津工业大学，天津，300387)

摘要：介绍了织物的抗紫外线性能，相关的性能评价参数和测试方法，不同国家和地区的标准，以及织物抗紫外线性能的影响因素和整理工艺。测定了一般纺织品及纺织纤维材料的紫外线防护系数(UPF)和紫外线透过率，分析了纤维结构对织物紫外线防护性能的影响。未经防紫外整理的纺织品远远达不到紫外防护标准的要求。

关键词：织物，抗紫外线性能，纤维结构，影响因素，整理工艺

中图分类号：TS101.3文献标志码：A

收稿日期：2014-09-10

作者简介：付青，女，1993年生，在读大学本科生。轻化工程专业。

从20世纪20年代以来，工业的发展对环境造成了一系列的污染和破坏，其中碳氟系溶剂和氟利昂的大量使用使地球臭氧层遭受严重破坏，到达地球表面的有害紫外线不断增加。臭氧层每受到1%的破坏，抵达地球表面的有害紫外线将增加2%左右[1]。生化物中O—H、C—H、C—C、N—N等化学键在紫外线作用下可能发生断裂，所以含有上述化学键的材料暴露在强烈的紫外线下很容易发生光氧化和光脆损[2]。生物体的基本组成就是C、O、H、N等元素，紫外线的增加对生物，尤其是对人类最常暴露在紫外线下的皮肤的伤害就更大。图1是太阳光中紫外线分类及其对人体的作用示意图。过量的紫外线辐射会使皮肤晒伤、变黑甚至引起组织病变，对人的眼睛也有很大的伤害[3]。自然界中紫外线量随时间和季节而变化，夏季太阳直射时紫外线辐射量达到最大，这时做好紫外线防护工作尤为重要。

1织物的抗紫外线性能

紫外线的防护问题早在20世纪80年代初就被提到议事日程上，最先发展的防紫外线商品是化妆品，之后才慢慢发展到纺织品。纺织界对紫外防护产品进行了研发，在一些发达国家近年已形成一定的规模化生产。澳大利亚等一些处在低纬度、日照强烈的国家率先开发出抗紫外线纺织品，以对人体或一些光敏材料进行防护。日本抗紫外线织物的开发一直处于国际领先地位，相继推出了抗紫外线的运动服、衬衫、帽子和太阳伞等制品。近年来，国内也开始了有关纺织品抗紫外线等方面的研究[1,4-5]。

1.1　织物抗紫外线的作用机理

紫外线照射到织物上，主要有如图2 所示的三种传播路径。一束紫外线(Ri)照射到织物上，有一部分被反射(Rr)，一部分被织物吸收(Ra),剩下的则从织物纤维中或织物缝隙中穿透(Rt)，存在以下关系式：

Ri=Rr+Ra+Rt

当人体的皮肤有织物覆盖时，作用在皮肤上的只有Rt。当Ri一定时，增大Rr+Ra的值，Rt的值则会相应减少。织物便是通过吸收和反射紫外线来起到防护作用的[6]。

1.2　织物的抗紫外线性能评价参数、测试方法及相关标准

由紫外线在织物上的穿透情况可知，紫外线可以通过纤维和纤维之间的空隙穿透织物。最开始，日本研究人员测试了一些经抗紫外线处理的织物和未经处理的相同材质织物的遮蔽率(织物有效遮蔽面积占总面积的百分比)，结果发现两种织物的遮蔽率都在20%～90%内不等，说明仅仅靠遮蔽率不足以评价织物的抗紫外线能力，便提出了将织物的紫外线透过量减少率(即紫外线防护系数，UPF)和遮蔽率结合的标准来判断织物的抗紫外线能力。符合标准的抗紫外线织物要求其UPF大于50%，然后再根据其遮蔽率将抗紫外线织物分为A、B、C三个等级[5]。澳大利亚、欧洲、美国、中国等国家和地区评价织物的抗紫外线性能则均采用紫外线平均透射率[T(UVA)av、T(UVB)av]和UPF，各参数的定义及计算公式[7-8]如下：

图1　太阳光中紫外线组成及其对人体的作用 [3]

图2　紫外线在织物上的穿透情况 [6]

目前提供的测试织物抗紫外性能的方法主要有四种[9-10]：

(1)直接法：直接将整理后的织物与相同材质和大小的未整理织物覆盖皮肤，记录两处皮肤出现红斑的时间，进行比较。该方法带有很大的主观性，且有很多难以控制的误差。

(2)变色褪色法：把被测织物覆盖在耐晒牢度标准卡上，用紫外线灯在距离试样50 cm 处照射，先测出标准卡达到一级变色的时间，再进行定量分析。

(3)紫外线强度累计法：用阳光式紫外线灯照射织物，照射给定的时间，测定通过织物的紫外线的累积量。

(4)分光光度计法：采用分光光度计，测定透过织物的紫外线的量，再通过计算得到织物的紫外线透过率和UPF值，还可以分段求出特定波长的平均透过率。该方法更为便捷和有效，检测机构或研发单位一般采用此法。

测试方法可以有多种形式，在实际应用中应根据所要得到的结果的精确程度和使用的设备进行选择。

目前，全球还没有统一的抗紫外线纺织品的检测标准。由于不同区域的紫外线辐射量和当地人种的皮肤对紫外线的敏感程度不同，各国和一些地区需要结合当地的情况制定合适的检测条件和标准[11]。现行的抗紫外线性能测试方法主要有欧盟标准(EN 13758.1、EN 13758.2+A1)，澳大利亚/新西兰标准 (AS/NZS 4399) ，美国标准(ASTM D 6544、ASTM D 6603、AATCC 183)，英国标准(BS 7914)以及中国标准(GB/T 18830)，这些标准均采用分光光度计法进行测试和计算纺织品的紫外线透过率和UPF值[12]。

美国和澳大利亚标准规定UPF值≥15，欧洲标准规定UPF值>40的纺织品为抗紫外线纺织品。中国标准GB /T 18830—2009《纺织品防紫外线性能的评定》的评定原则是: 当样品的UPF>40且T(UVA)av<5%时，可称为“防紫外线产品”。由于进行测试的预处理操作与条件不同，这些标准之间并没有太大的可比性[13-14]。

2影响紫外线透过的因素

研究人员通过大量的实验分析了紫外线透过织物的影响因素[6,8-9,15-16]。从纤维的形态分析，纤维的线密度越小，对光的反射和吸收越强，防护效果越好；异形纤维的防护作用比圆形纤维好。从织物组织结构分析，缎纹、斜纹组织紧密，一般比平纹组织防紫外线效果好；轻薄、稀疏织物紫外线易透过，防护效果差。从织物的加工整理分析，未处理的棉坯布比漂白后的棉织物对紫外线的吸收作用强；一些非紫外线整理剂，如柔软、抗静电等整理剂，对部分紫外线有吸收，也会影响织物的防紫外线性能。

此外，织物的颜色也会影响紫外线防护作用，如黑色、深蓝色等深浓颜色对紫外线的吸收强；荧光增白剂对紫外线也有吸收作用，添加了荧光增白剂的织物紫外线防护性能较好；成形的纺织品在缩水后会改善其抗紫外性能；如棉、涤纶、锦纶、腈纶、羊毛和蚕丝等一般织物的抗紫外性能随着其含水率的增加而降低。

3纤维对织物抗紫外线性能的影响

未经防紫外线整理的织物一般也具有一定的吸收或反射紫外线的作用。为分析纤维及其结构对织物抗紫外线性能的影响，笔者测定了一般纺织品及纺织纤维材料的UPF和紫外线透过率，结果见表1及图3和图4。

从表1 可见，本实验中织物和纤维本身的UPF都较低，远达不到我国防紫外线纺织品的要求。

对比2号、4号、5号和6号样品，棉织物的UPF值最小，而涤/棉混纺织物的UPF值最大，涤纶织物的UPF值比棉织物相对高一些，但并不明显。再对比1号和2号样品，由于涤纶薄膜的致密性比涤纶织物好很多，降低了直接从空隙中透过的紫外线量，所以其UPF比涤纶坯布要大，抗紫外线效果要好一些。

表1　样品的UPF值和紫外线透过率

图3　涤纶织物的紫外线透过率曲线

1——腈纶短纤维；　2——锦纶长丝； 3——黏胶短纤维；　4——涤纶短纤维 图4　纤维的紫外线透过率曲线

7号、8号、9号和10号样品的实验结果如图4所示。不同的纤维在UVA段和UVB段的透过率有明显的差异。涤纶和锦纶在UVB段透过率较低，可以较好地阻碍此段紫外线；而4种纤维对UVA的透过率均较高。

从图3可以看出，在整个紫外线波长范围内消光过的涤纶商品布(3号样品)明显比涤纶坯布(2号样品)的透过率低很多，尤其是在UVA段(320～400 nm)，说明消光剂可以有效降低紫外线透过率，从而提高其抗紫外线能力。

纤维结构对织物的抗紫外性能有很大影响，但是很少有人单独测量纤维的UPF值，而是测量用不同纤维制成的织物的UPF值来反映纤维对UPF值的影响。本实验通过手工将多根纤维捋直形成纤维面，再两层交叉排布形成纤维网，直接测量了纤维的UPF值和紫外线透过率。对比几组纤维的UPF值和紫外线透过率曲线，表明具有大量酰胺基结构的锦纶UPF值最高，但是并不能有效阻碍UVA。有文献报道[16]，涤纶中的芳环结构能够吸收紫外线，其抗紫外线性能较好。本实验结果表明，涤纶对UVA和UVB的阻碍作用比其他几种纤维要强，但是UPF值并不是很高，所以芳环结构对纤维的抗紫外性能并不一定有很大的作用。本实验结果还表明：具有氰基的腈纶的抗紫外能力很弱；黏胶纤维和棉织物的UPF值均较低，而且对于UVA和UVB的阻碍作用均较弱。从本实验和前人得出的结论可知，纤维素纤维的抗紫外性能较差，是抗紫外线整理的主要对象。

4抗紫外线织物的加工和发展

虽然部分纺织品具有一定的防紫外线性能，但是从本实验结果和各国对抗紫外线织物的要求来看，织物本身的抗紫外线性能还远远达不到防护标准。因此，研究人员用紫外线整理剂对织物进行整理，通过紫外线整理剂自身的吸收和反射紫外线的作用，或改变织物的表面性能来提高织物的抗紫外线性能。这些紫外线整理剂可分为紫外线屏蔽剂和紫外线吸收剂，在加工其他防紫外线产品时也会使用紫外线猝灭剂和光电子捕获剂[6]等。

4.1　紫外线整理剂

理想的紫外线整理剂应符合以下条件：①安全无毒，不刺激皮肤或引起过敏反应；②能够吸收反射紫外线的波长范围应包含UVA和UVB波段，有些整理剂的吸收反射波长窄，需要几种整理剂配合使用；③不影响织物的色泽、手感、强度和色牢度；④耐水洗和干洗，对光、热和化学物质稳定；⑤整理到织物上后不会产生有毒的气体或固体[17-19]。

4.1.1紫外线屏蔽剂

紫外线屏蔽剂又称“遮光剂”，主要以遮挡和反射高能量的紫外光为目的，是紫外线和织物之间的第一道屏障，该类整理剂没有光能的转化作用。常见的紫外线屏蔽剂主要是无机物质，如陶瓷粉、金属氧化物等细粉或超细粉。该类无机物质有高岭土、CaCO3、滑石粉、Fe2O3、ZnO和TiO2等，金属氧化物的粒径越小，反射紫外线的能力越强，所以采用纳米级别的粒子作为整理剂效果更好[20]。

ZnO整理剂是一种很典型的无机类紫外线屏蔽剂，市场上已经有大量利用ZnO整理剂处理过的功能性纺织品。纳米ZnO粒子具有很好的抗紫外线和抗菌性能，而且整理到织物上后对织物的风格影响很小；防紫外线性能相对于有机紫外线吸收剂更稳定，牢度更好，且安全无毒。纳米ZnO粒子可以直接添加到纺丝液中，再采用常规的纺丝方法制备化学纤维，该方法能使纳米ZnO粒子均匀地分布在纤维内部；也可以将纳米ZnO制成母粒，再与聚丙烯或聚酯等聚合物切片混合，进行熔融纺丝[3]。

TiO2粒子(特别是纳米级TiO2粒子)是一种很好的功能材料，被广泛地应用在建材、环保、能源和催化材料等产业[21]。TiO2俗称钛白粉，其遮光效果很好，可用作白色颜料，也常作为涤纶等合成纤维的消光剂。TiO2也是一种很好的紫外线屏蔽剂，其禁带宽度在3.2 eV，可以吸收波长为388 nm的紫外线。当TiO2颗粒尺寸进入纳米级别时，纳米材料具有的特殊的表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和量子隧道效应，使其对光的吸收发生蓝移，吸收的紫外线波长范围变广，效果更好。与传统的紫外线整理剂相比，纳米金属氧化物具有用量少、屏蔽效率高、无毒、稳定性强等特点，整理到织物上后，对纺织品的色牢度、白度和强度基本没有影响。但是，国内TiO2的产量不高，且相对于其他无机类紫外线屏蔽剂使用成本较高，整理工艺有限。为了更好地利用TiO2的优良性能，研发者们也在进行各种尝试，并取得很好的成果[22]。

4.1.2紫外线吸收剂

紫外线吸收剂一般为有机化合物，能够强烈吸收紫外线，并将高能量的紫外线转变成低能量的热能或波长较短的电磁波释放出来，从而起到抗紫外线的作用。紫外线吸收剂是紫外线和织物之间的第二道屏障。理想的紫外线吸收剂大多具有共轭结构和氢键，主要的种类有水杨酸酯及其衍生物、二苯甲酮及其衍生物、苯并三唑及其衍生物、取代三嗪及其衍生物、取代丙烯腈及其衍生物和聚合物型紫外线吸收剂等[17]。

有机类紫外线吸收剂种类比无机类紫外线屏蔽剂要繁多，在实际应用中灵活度较大。由于不同区域的紫外线强度和人体皮肤的承受能力不同，可相应地选择不同的整理剂和整理工艺，而且可以多种整理剂结合使用，效果更好[3]。经过有机紫外线吸收剂整理的防紫外线织物在一定程度上能够保持稳定，但经过长时间的、大量的紫外线照射会发生分解。研发工作者在提高有机类紫外线吸收剂的使用性能上做了大量的实验和工作，也开发了一些新的整理工艺或合成了新的更稳定和高效安全的紫外线吸收剂[17]。

4.2　整理工艺

抗紫外线纺织品的加工和整理工艺有很多。可以直接制备抗紫外线纤维，然后再纺成织物，该方法的优点是能够让紫外线整理剂均匀地分布在纤维上，得到的抗紫外线织物的功能性更稳定、持久；也可以在织物的后整理加工过程中进行抗紫外线的整理，该方法不受纤维种类和整理剂的限制，对织物的风格影响也较小[3,23-24]。

将聚合物和紫外线整理剂共混是目前生产抗紫外线纤维的主要方法，而所用的整理剂要求与聚合物有很好的相容性，一般选择无机类紫外线屏蔽剂[25]。共混主要有两种途径：一是将紫外线屏蔽剂添加到纺丝液中，进行熔融纺丝；另一种则是在聚合反应时添加紫外线屏蔽剂，通过一定的条件合成抗紫外线改性树脂，直接进行纺丝[26]。

传统的对织物进行抗紫外线后整理加工的方法主要有四种：高温高压吸尽法、常压吸尽法、轧-烘-焙或轧堆法和涂层法。对于一些不溶或难溶的整理剂，可以采用类似于用分散染料对涤纶进行染色的高温高压吸尽法工艺[27]；常温常压吸尽法主要是用水溶性的整理剂处理羊毛、蚕丝、棉和锦纶等织物；轧-烘-焙或轧堆法主要是针对棉织物的整理加工。可以发现，抗紫外线后整理工艺与染色工艺的条件很类似，所以一般也可让染色和整理同时进行。涂层法的应用则更为普遍，人们生活中的遮阳伞或遮阳帽，一些防晒服等都采用涂层法进行抗紫外线加工，该工艺的缺点是加工后的织物手感发硬，且摩擦牢度不好。

随着技术进步和人们对服装等织物性能和风格的更高要求，研发工作者们也在不断尝试新的方法和工艺来改善目前工艺的不足。例如利用微胶囊技术，先将紫外线整理剂包裹在胶囊内，然后通过黏合剂和交联剂使胶囊固着在织物上，在服用过程中胶囊缓慢释放整理剂发挥抗紫外线的作用，该方法大大延长了织物的有效抗紫外线的作用时间[28]。随着防护服装的发展，未来可能在一件纺织品上具有多种防护功能，如抗菌、阻燃的抗紫外纺织品等[29-30]。

5抗紫外线纺织品的发展前景

随着生活水平的提高，人们对生活质量和日常保健也越来越重视，防紫外线纺织品的市场也会越来越大。目前市场上比较常见的防紫外线纺织品有遮阳伞、防晒服、窗帘和卡车篷布等，也有一些防紫外线的丝袜、运动服、泳衣等纺织品。2014年夏季，服装市场上很流行防晒服，但是防晒服面料的防紫外线性能参差不齐，市场上大多数的防晒服还达不到国家标准。因此，应进一步开展纺织品防紫外线整理工艺的研发，开发出达标的更适合人们日常生活需要的服用纺织品。

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The anti-ultraviolet properties of fabrics

FuQing,DengHua(Tianjin Polytechnic University)

Abstract:The anti-UV properties of fabrics and the concerned evaluation parameters of anti-UV properties, the ways to test, the evaluation standards in different countries and areas of this kind of products, the affect factors and anti-UV treatment processions were introduced. The experiments which test out the UV protection factors (UPF) and the UV transmission of some common fabrics and fibers aim to analyze the anti-UV properties in terms of the structures of fibers. The results of this experiment indicate that these fabrics which have not been anti-UV treated are far short of the requirements of the standards.

Keywords:fabric, anti-UV property, fiber structure, affect factor, treatment