聚酯薄膜与聚酯织物的紫外光学性能研究

温 馨 杨荣静 何秀玲 严 波 段冀渊

（1.上海交通大学，上海，200030；2.上海海关，上海，200135）

紫外线是一种位于太阳光谱高能区10 nm～400 nm波段、具有电磁辐射效应的不可见光，分为UVC、UVB、UVA3个波段，分别表示短波、中波及长波紫外线。由于UVC无法到达地表，一般只考虑UVB和UVA段对人体的影响，分别被称为紫外线的“晒伤段”[1]与“晒黑段”[2]。近年来臭氧层遭受破坏日趋严重等相关报道[3⁃4]引发人们对紫外线辐射问题的重视，紫外线防护意识明显加强，穿戴防紫外线功能服装成为人们日常出行的便捷首选[5]。

研究表明，紫外线照射到织物表面时主要发生反射、吸收和透射效应，纤维种类、颜色、厚度、结构等因素会影响织物的紫外光学性能。为探究紫外线的光学传播机理，分析成分与结构因素对织物紫外光学性能的影响，本研究选取无纤维织造结构的聚酯薄膜与聚酯织物作为试验样品，开展同成分、不同结构材料的紫外光学性能试验，研究紫外线辐射机理，为材料防紫外线性能的数值仿真研究提供可靠参数，对防紫外线织物实际加工生产起到一定参考作用。

1 试验部分

1.1 试验样品

所用的13块透明聚酯薄膜试样是由双向拉伸原理制备而成的工业定制样品，挤出机加热熔融挤出厚片后在高弹态下通过外力作用拉制成二维试样，分子链在薄膜平面方向上取向有序排列，具有精确且均匀的厚度值。薄膜制备原料与工艺完全相同，呈透明状，仅厚度不同，按试样厚度由小及大标号为PET1至PET13，厚度值分别对应于0.0125 mm、0.0250 mm、0.0500 mm、0.0750 mm、0.1000 mm、0.1250 mm、0.1500 mm、0.1750 mm、0.2000 mm、0.2500 mm、0.3000 mm、0.3500 mm、0.5000 mm；3块100%聚酯本色织物未经染整处理，呈天然的白色或浅黄色（近似认为没有颜色差异），具有相同的纤维成分，试样编号为F1至F3，其他相关参数见表1。

表1 聚酯织物基本参数

1.2 试验仪器与环境

试验仪器：PerkinElmerLambda 950型紫外可见分光光度计，检测器的光谱范围175 nm～3300 nm，UV/VIS的光谱带宽为0.01 mm～5 nm，具备一套150 mm积分球。

试验环境：恒温恒湿实验室，温度（20±2）℃，相对湿度（60±4）%。

1.3 试验步骤

使用紫外可见分光光度计分别对聚酯薄膜试样与聚酯织物试样进行反射率与透射率测试，获得试样在280 nm～400 nm紫外线波段内的反射率与透射率。理想情况下，反射率、透射率、吸收率之和为100%。因此，可根据测试得到的反射率、透射率数据直接计算得到试样的吸收率。通过紫外线在各试样上反射率、透射率与吸收率分布情况的对比分析，探究同质薄膜和织物材料的紫外光学性能异同。

2 结果与讨论

2.1 薄膜与织物透射率厚度梯度变化

选取310 nm～330 nm特征波段对薄膜紫外线透射率做厚度分布分析，以2 nm为间隔绘制曲线集，见图1，对各曲线进行y=y0+A×e（R0×x）指数型拟合处理，见表2。随波长增大，指数模型中R0绝对值减小，即短波区域内紫外线透射率与厚度间的指数型拟合程度更高。这是由于波长增大，紫外线穿透能力上升，削弱了厚度因素对透射率的影响。

图1 特征波长上聚酯薄膜试样的厚度⁃紫外线透射率曲线

表2 聚酯薄膜试样透射率与厚度的指数型拟合数值表

对聚酯织物试样紫外线透射率做厚度梯度分析，见图2。聚酯薄膜与聚酯织物紫外线透射率对厚度的指数型拟合均较好，紫外线对物体厚度穿透规律与材料织造结构相关性不大。

图2 聚酯织物厚度⁃紫外线透射率曲线

2.2 薄膜与织物紫外光学性能变化

聚酯织物的紫外光学性能变化见图3。由图3可知，随波长增大，织物紫外线吸收率变化与透射率、反射率变化相反，即吸收率单调递减，反射率与透射率单调递增，且反射率的增幅远大于透射率，变动范围在（0%，75%）。织物透射率相对较低，主要以反射和吸收为主，试样厚度越大，透射率越低，紫外线反射率与吸收率越高，且紫外线波长越大，数值差异越明显。

图3 不同厚度聚酯织物的紫外线反射率/透射率/吸收率⁃波长图

聚酯薄膜的紫外光学性能变化见图4。由图4可知，13个聚酯薄膜试样总体变化趋势相近。由图4（a）可知，各试样的反射率⁃波长曲线近似为竖直方向上的平移关系，相较图3（a），曲线变动情况更复杂，数据变动范围减小，整体变化区间在（6%，17%），380 nm波长处出现一个极小值点。由图4（b）、图4（c）可见，透射率曲线单调递增，吸收率曲线单调递减，大体上呈厚度越大，透射率越低、吸收率越高的变化趋势，与图3（b）、图3（c）变化规律一致。310 nm～330 nm特征波段内薄膜紫外线透射率相较于织物大幅上升，吸收率大幅下降，且薄膜厚度越大，透射率在紫外线波段上的积分面积减小，吸收率积分面积有所增大，反射率一直处于较低水平，变化不明显。

图4 不同厚度聚酯薄膜的紫外线反射率/透射率/吸收率⁃波长图

选取厚度值相近的薄膜试样PET11与织物试样F1作对比，见图5。在中波紫外线波段内（280 nm～315 nm），薄膜与织物各数值差异小，曲线重合度高。在长波紫外线波段内（315 nm～400 nm），薄膜反射率变化平缓，织物反射率明显递增，远高于薄膜，数值差随紫外线波长增大而增大；薄膜紫外线透射率相较于织物大幅上升，绝对差值高达70%；织物在各波长上的紫外线吸收率均大于薄膜。可见聚酯薄膜与聚酯织物的紫外光学性能存在一定差异。

图5 薄膜与织物的紫外线反射率、透射率、吸收率对比图

分析其原因，一方面，相比表面光滑的薄膜，织物由于表面不平整因而具有更大表面积，可增强界面对紫外线的漫反射，其紫外线反射率远大于薄膜；另一方面，织物具有复杂的编织结构，部分紫外线在纤维多重反射与折射下被吸收，薄膜内部分子链段在平面方向上取向，对紫外线吸收效果不佳，因此在紫外线波段上织物的吸收率均高于薄膜。由反射率、吸收率与透射率三者的等量关系，穿透薄膜的紫外线辐射量大于织物，因此薄膜的紫外线透射率高于织物。

3 结论

本研究以聚酯纤维织物和无纤维织造结构的聚酯薄膜为试样，分析了两种材料的紫外光学系数与紫外线透射率的厚度梯度分布，对相同组成成分而内部结构不同的材料紫外光学性能进行了比较研究，得出以下结论。

（1）紫外线对材料在厚度梯度上的穿透规律一致，均呈指数型变化，材料内部的织造结构因素对其影响不大。

（2）织物与薄膜的紫外光学变化趋势相近，即反射率、透射率单调递增而吸收率单调递减，且厚度越大，透射率降低、吸收率升高，表明紫外线在同成分物质上的传播机理相同。

（3）薄膜与织物成分相同，但编织结构不同。厚度相近时，织物相较薄膜具有更强的反射与吸收效应，这是由于编织结构使其具有更大表面积，加强了漫反射效应，织物内部纵横的纤维使紫外线传播光路更为复杂，加强了紫外线的吸收，因此，聚酯织物的防紫外线能力优于聚酯薄膜。