纺织品抗紫外线性能的影响因素及检测方法和标准

金耀峰，刘雷艮，王 薇，陆 鑫1,

(1.苏州大学 纺织与服装工程学院，江苏 苏州 215021； 2.常熟理工学院 纺织服装与设计学院，江苏 常熟 215500)

紫外线辐射是一种波长在290～400 nm的太阳光辐射，其中包括了中、长波紫外线UVA和UVB，以及短波紫外线UVC。UVC会被臭氧层吸收，故会对人体造成影响的紫外线主要是UVA和UVB[1]。适量的紫外线照射可以有效促进人体维生素D的合成，是人们生长发育所需，有助于人体健康，还可以防止佝偻病的发生。而受到过度紫外线照射则会对人体产生很大的危害，可使皮肤出现红斑或脱皮现象，甚至会引发癌症[2-5]。因此，在户外活动时，穿戴具有一定抗紫外线功能的纺织品是非常有必要的。紫外线照射也会对织物造成不良的影响，织物抗紫外线性能的主要影响因素有：纤维类型、纱线结构、织物结构参数、颜色以及化学添加剂等[6]，目前大多文献都是针对以上因素进行探讨，而织物(尤其是针织物)在日常使用条件下可能产生的拉伸、润湿以及洗涤也会对抗紫外线性能产生较大的影响[7-9]。了解纺织品抗紫外线性能的影响因素，对提高纺织品的紫外线防护性能具有重要意义。

本文根据现有的研究综述了织物的抗紫外线机制和影响因素，重点阐述了在最终使用条件下对纺织品抗紫外线性能产生的影响，对比了目前检测织物紫外线防护性能的方法和国际标准，并对抗紫外线纺织品的发展进行了展望。

1 纤维及织物抗紫外线机制

当紫外线照射到织物表面时，部分紫外线会被织物透射、吸收和反射，图1是纺织品结构与紫外线在织物表面传播的不同路径[9-10]。织物表面的纤维通过吸收一部分紫外线的高能量并将其转化成其他形式的能量来减少人体皮肤受到紫外线辐射带来的危害[10]，另一部分辐射则被纤维本身反射或散射。

图1 紫外线辐射与纺织品结构图Fig.1 Ultraviolet radiation and textile structure

普通的纤维、纱线和织物本身就具有一定的防紫外线能力，但是大多达不到人们日常所需的防晒效果。因此，可以使用紫外线屏蔽剂对纤维或织物进行一定程度的化学处理，其主要作用机制就是将绝大多数的紫外线进行反射或者有选择性地吸收，并把这些强能量转化为低能量来释放，从而达到紫外线防护的效果。目前被人们广泛采用的抗紫外线方法是在对织物后整理的过程中适量地加入紫外线屏蔽剂。紫外线屏蔽剂大致可以分为“有机”和“无机”2种[1]。有机紫外线屏蔽剂的主要作用就是通过对紫外光的有效吸收来实现能量的转换，然后以无害的低能或热量的形式辐射出紫外线。无机紫外线屏蔽剂主要作用原理是通过对紫外线的反射或散射，减少紫外线进入织物来达到屏蔽的效果[3,11]。

2 抗紫外线影响因素

2.1 织物的纤维类型

纤维类型对织物紫外线防护性能的影响很大，不同纤维的紫外线吸收和反射能力也不同，主要取决于其化学和物理特性。在天然纤维中，相比丝绸和亚麻等纤维的紫外线透过率，羊毛、黄麻和竹桨纤维的紫外线透过率会低一点，但通常都无法提供良好的紫外线防护效果[12]。Ranjan等[13]研究发现，涤/棉混纺织物的紫外线防护性能优于纯棉织物，且荧光增白剂对纯棉及棉混纺织物的UPF值有改善作用，聚酯类织物具有良好的抗紫外线性能，但热、湿舒适性较差。Aguilera等[14]对市面上不同的服装进行检测，发现使用同一类型纤维制成的服装，衬衫所提供的UPF值是最低的。因此，采用不同的设计生产制成的纺织品，其结构、规格和种类等都具有不同的风格和特点，不能只从纤维的角度出发来判定一种纺织品的防紫外线性能的优劣。

2.2 织物的纱线结构

纱线的厚度、捻度和毛羽，以及使用的纺纱方法会影响纱线的结构和相关性能，从整体上看，纱线结构会影响织物的密度、厚度和面密度。纱线的捻度会影响纱线的紧密程度和表面性能，继而影响织物的开孔度，织物的孔隙越大越容易透过紫外线，且洗涤后的尺寸变化也会影响紫外线防护性能[14]。Mukesh等[9]研究发现，纱线捻度高会使纱线更紧凑，但会产生更不规则的表面，这就阻碍了织造过程中纱线的紧密程度，并导致织物孔隙的增加，从而会影响织物的抗紫外线性能。Stankovic等[15]发现用毛羽较低的纱线制成灰色棉平针织物的紫外线透过率比用毛羽较多的纱线制成的针织物更高。纤维线密度越高和纱线表面凸出较多的织物将表现出较高的防紫外线水平，但起球的可能性会更高[16]。

2.3 织物的不同结构参数

2.4 织物颜色

织物色泽是由染料在可见光区域的吸收特性决定的，对抗紫外线性能有显著的影响。有研究显示，织物所用染料的不同化学结构会导致同样种类和颜色的织物对于紫外线的吸收能力不同[14]。Aguilera等[15]发现除了染料的化学结构外，织物经染色后颜色的深浅对于彩色织物的抗紫外线能力的影响也是非常重要的，染成深色的织物比染成浅色的织物对于紫外线的吸收更为明显。Akaydin等[19]对棉织物进行了染色，研究了染色过后棉织物的紫外线透过率，得出深色的面料是抵御紫外线辐射的首选，但深色面料可能会因为吸收红外线辐射增加体温，相比浅色面料更容易在炎热的环境中感到不适。

2.5 化学添加剂的影响

除了通过染色来提高织物的紫外线防护性能外，还可以用紫外线屏蔽剂对纤维和织物进行化学处理，其中无机紫外线吸收剂由于无毒且化学性质稳定而更受到人们的青睐。将紫外线吸收剂制成纳米级别的粒子可以得到高表面积和表面能，提高其耐久性和对织物的亲和力，同时增加了暴露在织物表面的原子数量，更有利于对紫外线的吸收。Mousa等[20]采用液体沉淀法制备出了棒状、星形和球形结构的纳米ZnO，并对棉、涤纶和涤/棉混纺织物进行处理，结果表明经纳米ZnO处理过后，织物的抗紫外线性能都得到了很大的提升，同时具备了一定的抗菌效果。Grancaric等[21]研究发现天然沸石纳米粒子和荧光增白剂(FWA)在棉织物上表现出协同作用，降低了UVA和UVB的透射率，棉织物的抗紫外线性能得到很大的提升，同时保持了棉织物的手感柔软。Raeisi等[22]用不同含量的壳聚糖/二氧化钛纳米复合材料对棉织物进行整理，如图2所示[22]，在TiO2含量为7%时，覆盖率达到了最高水平，涂层织物表现出良好的超疏水性能，紫外线防护性能比未涂层织物提高了80%左右，且对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率分别提高到了99.8%和97.3%。虽然紫外线吸收剂对提高织物的抗紫外线能力有很大的帮助，但应用于多孔结构，如针织物时，它的效果将会降低[14,17]。

图2 不同TiO2含量纳米复合涂层织物的SEM照片Fig.2 SEM images of nanocomposite-coated fabrics with different content of TiO2

2.6 最终使用条件

服装，尤其是夏季服装，在人们日常穿着过程中难免会受到不同程度的拉伸和汗水的浸湿，且大部分衣物都需要洗涤来达到多次穿着的目的，而这些情况往往会对服装的抗紫外线性能产生较大的影响。

2.6.1 拉 伸

目前市面上大多数的T恤和运动服装是由针织物制成的，其拉伸率一般可以达到15%[23]，针织面料易伸展的特性能配合在人们运动的时候得到更好的舒展。而当拉伸时不可避免地会导致织物变薄，织物内部的纱线也得到了更大的空间，紫外线辐射会更容易透过这些孔隙。针织物是纱线弯曲成圈，纵向串套、横向连接的纱线集合体，为纱线的移动提供了自由度。纱线的移动会导致含有紫外线吸收剂或染料颗粒的纱线散开，相对于松弛状态下单位面积或体积中用于吸收或散射紫外线的材料就会减少，织物的紫外线防护性能大大下降。Wong等[24]研究发现当试样的拉伸率达到10%和20%时，由于纱线间的孔隙逐渐增大，从而增加了紫外线的传播，因此试样的UPF值均下降了近一半。在拉伸水平为30%时，由于织物孔隙的大小和数量没有发生显著变化，此时UPF值下降的较少。

虽然针织物拉伸对抗紫外线性能有显著影响，但在拉伸条件下对UPF的评估并没有包括在大多数国际防紫外线测试标准中。Kan等[25]分别用单纱、棉/棉组合和Coolmax/棉组合混纺纬编针织物，测试在拉伸状态下的紫外线防护系数的变化。在分析织物上孔洞的尺寸时，通过Photoshop软件将黑色像素(纱线间的孔隙)与整个图像的像素进行比较，图3是试样不同拉伸率情况下的对比图[25]，随着拉伸的增加，图片中黑色像素部分的比率相应增加，这表明拉伸会影响针织物中孔洞的尺寸，从而影响织物的紫外线透过率。

气候变化与北冰洋融化又存在着相互影响的关系，科学家表示，由于北极冰盖的体积在近30年里减少了20%，极地海洋一旦缺少冰层覆盖，其海面相对温暖的空气就会向寒冷的高空移动，影响极地大气循环，其结果是极地冷空气在高压系统推动下，向北半球大陆地区进发，导致当地气温骤降。

图3 试样不同拉伸率图片Fig.3 Pictures of different elongations of samples

2.6.2 润 湿

一般而言，被浸湿织物的抗紫外线性能要比干燥时差，图4是空气和湿棉布之间的界面处光线折射的简单图示，当纤维被浸湿时，纤维间的空隙已经被水充分填满，导致织物对于紫外线的折射率变高，缩短了紫外线辐射穿过织物的路径，使得更多的紫外线能透过织物，从而导致织物在湿态下的紫外线防护性能降低[24]。因此，研究织物湿态下对抗紫外线性能的影响有着重要的意义。曹机良等[26]模拟配制了酸、碱汗液对不同织物进行浸泡，并在不同的含水率的情况下测试各织物的抗紫外线性能。通过实验结果表明，随着湿度的增加，羊毛、蚕丝、棉、涤纶、锦纶和腈纶这些织物的UPF值均有所降低，且紫外线透过率都有不同程度的增加，说明浸湿会降低织物的紫外线防护性能。

图4 空气和湿棉布界面处的光线折射图Fig.4 Light refraction at the interface between air and wet cotton

与合成纤维织物相比，棉织物吸收的水分会更多，对于结构紧凑的棉针织物来说，干湿态的UPF值差异更为明显。而对于多孔结构的双面针织物而言，湿度对紫外线防护的影响较小，这是因为更多的紫外线能够直接透过湿纱之间较大的间隙[24]。因此湿度对于棉针织物UPF值减少程度取决于织物结构。

对于夏季服装，在穿着过程中更容易因人体出汗而浸湿，如泳装在使用过程中往往处于浸湿的状态。Tarbuk等[27]研究发现通过配合使用荧光化合物、荧光增白剂和紫外吸收剂对棉织物整理过后不仅可以提高白度，同时在湿态下的紫外线防护性能也比干态时得到了提升，这是因为整理剂减小了织物的孔隙，通过水折射的紫外线大部分被荧光增白剂吸收，同时一部分紫外线会因孔隙中的水反射出来，因此织物整体的紫外线透射率会更低。这一现象在海水中使用的泳装上更加明显，因为海水含有约40%的无机盐，反射光的同时又增加了光的散射，因此织物具有更好的紫外线防护性能[10]。

2.6.3 洗 涤

洗涤是纺织品在日常使用过程中所必不可少的，洗涤过程中包含浸湿、搅拌、摩擦和干燥，会导致织物结构产生不同程度的变化。针织物由于其良好的延伸性，往往比相同纤维和纱线结构所制成的织物更容易因为反复洗涤而使织物发生收缩或者变形，反复洗涤和干燥过程中所导致的织物收缩，就会使得纱线间空隙逐渐变小，织物变的更加紧密，从而降低紫外线辐射的透射率[28-29]。

何秀玲[30]测试了泳装和夏季服装在连续洗涤过后的紫外线保持性，发现试样经连续洗涤过后UPF值和紫外线透过率均有不同程度的减小，深色的UPF值明显地高于浅色织物，机织物则明显地高于针织物，但紫外线透过率没有明显的规律。而各样品经过连续洗涤20次过后，各UPF值和紫外线透过率都逐渐趋于稳定。Çoruh等[31]研究发现，通过洗涤导致织物尺寸变化发生在前5个周期内，这是由于使织物经多次洗涤过后纱线之间的松紧度达到了稳定状态。

洗涤剂也会对织物的抗紫外性能产生影响，大多数家用洗涤剂都含有荧光增白剂，这些化合物通过可以吸收紫外线来提高洗涤过后织物的UPF值。Jihyun等[32]发现大多数棉或棉混纺衣物在含有荧光增白剂的普通洗涤剂中洗过5次以上后，会比未清洗的时候防晒效果更好，且对于不同类型的织物来说，多次洗涤和洗涤剂、添加剂对织物UPF值的影响要更显著。因此，通过洗涤剂对纯棉和涤/棉混纺针织物进行洗涤也可以作为一种提高UPF值的方法[28]。

3 织物抗紫外线测试方法

表1是不同的紫外线测试方法，目前国际上并没有统一的抗紫外线测试的标准，但基本上都通过直接测试法与仪器测定法这2种方式来测定纤维或织物的抗紫外线性能。

表1 紫外线测试方法Tab.1 UV test methods

直接测试法具有方便快捷、测试的量大、客观性和重现性差等特点。但人体测试法会因为测试者皮肤的不同而产生不小的实验误差，且会对人体产生不同程度的伤害。仪器测定法在测试过程中由于被测样品外观的不规整，紫外线一部分被样品吸收，另外一部分被折射和反射，使得实际测定时的紫外线透过率可能会偏低[33]。同时，测定织物的表面形状、织物的组织结构及其厚度等也都会影响测试结果。

4 织物抗紫外线检测标准

4.1 澳大利亚、新西兰标准

澳大利亚和新西兰是紫外线照射强度很高的国家，率先制订了AS/NZS 4399—1996《日光防护服评定和分级标准》，在2017年修订为AS/NZS 4399—2017《日光防护服评定和分级标准》，旨在干燥和松弛的状态下测算出各种织物的UPF值，适合于紧贴人体皮肤表面的各种类型纺织品例如服饰和各种帽子，但不包括各种遮阳布和伞用纺织品。需要4块及以上织物(经纬向各2块)，同时将防晒类纺织品覆盖人体表面积的各类要求纳入标准中，防护标准分为3个等级，分别是：15、30和50及50+，且紫外线透过率分别小于6.7%、3.3%和2.0%。

4.2 欧盟标准

欧盟标准分为2部分，即EN 13758—1: 2006 《纺织品日光紫外线防护性能 第1部分:服装面料的测试方法》和EN 13758—2: 2003+A1: 2006 《纺织品日光紫外线防护性能 第2部分:服装的分类和标记》。同样，样品应该在干燥和松弛状态下进行检测，且需要4个均匀的样品，不均匀的样品每种颜色和结构的各需要2块。EN 13758—1规定了服装面料抗紫外线性能的试验方法，但不适用于包括各种遮阳布和伞用纺织品等远距离抗紫外线防护产品。EN 13758—2规定全部服装面料的UPF值应按照EN 13758—1的标准来测定，规定标准防紫外线纺织品的UPF值应大于40的安全等级，紫外线平均透过率应小于5%，且将防晒类纺织品覆盖人体表面积的各类要求纳入标准中，与AS/NZS 4399—2017标准一致。

4.3 英国标准

英国标准为BS 7914—1998《透过服装织物的太阳紫外线辐射渗透试验方法》，用于测试紧贴人体皮肤织物的紫外线透过率，但不包括防晒霜、太阳镜、遮阳棚布和伞用织物等抗紫外线产品。均匀的样品，每个至少测试4次，不均匀样品，每种颜色和结构各测试2次，结果用UPF值的倒数表示。除BS 7914标准外，英国标准还有BS—EN 13758—1和BS—EN 13758—2，这2个标准和欧洲标准是一样的。

4.4 美国标准

美国对于纺织品的抗紫外线检测标准主要有3种：ASTM D6544—2012《紫外线透射测试前纺织品制备规程》，AATCC 183—2014《纺织品透射或阻隔紫外线的性能测试》和ASTM D6603—2010《紫外线防护纺织品标签指南》。ASTM D6544规定了在检测纺织品抗紫外线性能前，需要经过一系列的洗涤、模拟日常受到的光照和进行氯化池水试验预处理。AATCC 183的原理是通过紫外分光光度计测定样品干燥和浸湿状态下的紫外线透过率。ASTM D6603规定，样品可以是3种状态，即样品原样、经过一次水洗的样品和符合ASTM D6544要求的预处理样品。标准中规定了织物的紫外线防护等级分为4级，UPF值低于15将不能标注为防紫外线产品。

4.5 中国标准

1997年我国制定了GB/T 17032—1997《织物紫外线透过率的试验方法》，2009年又重新制定了GB/T 18830—2009《纺织品防紫外线性能的评定》，适用于各类纺织品，标准规定，样品UPF值>40，紫外线透过率<5%时，可称为“防紫外线产品”。

4.6 国际标准

1998年国际抗紫外线协会制定了UV Standard 801《紫外线标准801》，该标准使用AS/NZS 4399的测试方法，同时将防晒用纺织品在日常使用过程中影响防晒效果的各个因素都纳入检测标准中，适用于各类具有紫外线防护性能的产品，达到检测标准认证的产品会颁发不超过一年的证书，并且在相应标签上可以贴上UV Standard 801标示。

4.7 各标准对比

不同国家和地区都颁布了自己的纺织品抗紫外线性能测试标准，其中美国标准对测试试样有严格的预处理要求(干湿态、水洗、日晒和氯漂等)，UV Standard 801则会模拟试样在日常生活中的各种使用条件，全面地测试其抗紫外线性能，而其他标准只要求测试样品在干态和松弛状态即可，表2是不同国家纺织品抗紫外线性能测试标准的对比。

表2 纺织品抗紫外线性能测试标准对比Tab.2 Comparison of test standards for UV resistance of textiles

5 结束语

目前，大部分纺织品防紫外线性能的研究都是集中在机织物以及使用一些化学方法来改善和提高织物的紫外线保护性能，但并不是所有的服装都可以达到人们户外活动所需要的紫外线保护效果，特别是针织服装，它比传统的机织服装更具有多孔性和较好的可扩展性，在最终使用条件下(拉伸、润湿和洗涤等)会对纺织品抗紫外线性能产生一定的影响。许多纺织品是通过化学染料、增白剂或紫外线吸收剂来改善服装的紫外线防护性能。而长时间的暴晒会使得染料发生光化学降解，降解产生的副产物对人体的潜在危害尚未得到充分的研究。从目前研究情况来看，织物的结构是影响紫外线传输最重要的变量之一，可以通过对织物结构进行改性，从而实现对纺织品良好的紫外线保护性能，但是织物的结构不仅对于纺织品的紫外线防护性能具有重大影响，同时也决定了它的透气性。紧密厚重的织物虽然有良好的紫外线防护性能，但是其透气性和舒适性会大打折扣。因此，在进行防紫外线纺织物设计的过程中，要充分地综合考虑各个影响因素，在保障产品良好的服用特点的前提下得到所需的防紫外线效果。

目前国内外并没有完全统一的针对纺织品紫外线性能的检测标准，而不同的研究和开发者对不同因素的研究往往会有所区别。因此，科学定性定量分析的研究方法才能够大大地提高产品的价值和可比性，让消费者更直观准确地了解不同产品的定位，这在防紫外线纺织品研究领域中是一个值得我们关注的问题。服装生产商和零售商可以向公众提供和更新有关防晒服装的信息，提高消费者的防晒意识和对防晒服装的了解，以减少紫外线辐射带来的伤害。