PVC涂层玻璃纤维编织物抗紫外性能研究

2022-06-06王建明任丹萍

印染助剂 2022年5期

李坚，王建明，任丹萍

（浙江西大门新材料股份有限公司，浙江绍兴 312030）

紫外线是指在电磁波谱中波长为180～400 nm 的电磁波，其中波长在290 nm 以下的紫外线称为短波紫外线或者极短紫外线，即UVC；波长在290～320 nm的紫外线称为中波紫外线或者远波紫外线，即UVB；波长在320～400 nm 的紫外线称为长波紫外线或者近紫外线，即UVA［1-2］。阳光中的UVB 和UVA 可以透过大气臭氧层对人体皮肤造成伤害，过量的紫外线辐射会使皮肤晒伤、变黑甚至引起组织病变。UVC 波段的紫外光几乎被大气中的臭氧层全部吸收，研制防晒膏之类的化妆品和防紫外整理服装，都是为了遮挡过度的紫外线照射，达到保护人体皮肤的作用。纺织品的防紫外性能因为纤维种类和组织结构差异而有较大不同，经过长时间日晒，织物会褪色、泛黄、变脆，强力、防紫外性能也会大幅下降［3-4］。

紫外线辐射到织物上时会有反射、吸收、透过织物3 种结果［5-7］，所以，为了防止紫外光照射到皮肤上，需要增强纺织品对紫外光的吸收或者反射。利用紫外吸收剂可以吸收紫外线的特点，将紫外吸收剂整理到织物上，以此增强织物对紫外光的吸收，可以有效提高纺织品的防紫外性能。

本实验将水杨酸酯类、苯并三唑类和二苯甲酮类紫外吸收剂整理到PVC 涂层玻璃纤维编织物上，探究不同种类紫外吸收剂对PVC 涂层玻璃纤维编织物抗紫外线性能的影响。

1 实验

1.1 材料与仪器

材料：水杨酸苯酯、2-（2′-羟基-3′,5′-二叔丁基苯基）-5-氯代苯并三唑，2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮（分析纯，上海泰坦科技股份有限公司），PVC 涂层的玻璃纤维编织物（浙江西大门新材料股份有限公司），黏合剂、增稠剂（传化集团有限公司），N,N-二甲基甲酰胺（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）。

仪器：P4 型紫外-可见分光光度计（上海美谱达仪器有限公司），X-rite 型电脑测色配色仪（上海理彩实业有限公司），R-3 型焙烘机（台湾瑞比染色试机有限公司），FT-IR 6600 型傅里叶变换红外光谱仪（江苏天瑞仪器股份有限公司），GZX-9240MBE 型电热鼓风干燥箱（上海博讯实业有限公司医疗设备厂），EL204 型电子分析天平（瑞士METTLERTOLEDO 公司），G208E 型便携式显微镜（锡莱亚太拉斯深圳有限公司），UV2000 型紫外透过率测试仪（上海罗中科技发展有限公司），YG461G-Ⅱ全自动透气量仪（宁波大禾仪器有限公司）。

1.2 防紫外整理

防紫外整理剂浆料配方：水85%，增稠剂5%，黏合剂10%。

分别配制1%、5%、10%的2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮（HO）、水杨酸苯酯（PS）和2-（2′-羟基-3′,5′-二叔丁基苯基）-5-氯代苯并三唑（TBC）紫外吸收剂整理液，搅拌均匀；将防紫外整理剂整理后的织物样品分别命名为HO-1%、HO-5%、HO-10%、PS-1%、PS-5%、PS-10%、TBC-1%、TBC-5%、TBC-10%，防紫外整理剂组成如表1所示。

表1 防紫外整理剂组成

1.3 测试

红外光谱：分别使用研钵充分研细紫外吸收剂，过筛，将微量紫外吸收剂加入压片机模具中压片，制成透光薄片；采用傅里叶变换红外光谱仪进行表征，波数范围为4 000～500 cm-1。

吸光度：分别将3 种紫外吸收剂溶解在N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中配制成溶液，使用紫外-可见分光光度计进行测量，测量范围280～400 nm。

微观形貌：将防紫外整理的PVC 涂层玻璃纤维编织物放大至一定倍数，采用光学显微镜观察表面涂层的形貌以及编织方式。

透气性能：在防紫外整理的PVC 涂层玻璃纤维编织物的不同位置测量10 次，取平均值，测试压力100 Pa，测试面积20 cm2。

抗紫外性能：根据GB/T 18830—2009［8］《纺织品防紫外线性能的评定》，采用纺织品防紫外性能测试仪测定紫外线透过率、紫外线防护因子以及窗帘布原布和光变色印花织物的紫外透过率，并绘制曲线。

2 结果与讨论

2.1 表征

2.1.1 红外光谱

由图1a 可以看出，—CH3中的C—H 伸缩振动峰在2 953 cm-1处出现，在2 918、2 854 cm-1处出现的峰归因于—CH2—中C—H 的伸缩振动，HO 中形成的分子内氢键的CO 伸缩振动峰在1 628 cm-1处出现，同时在3 447 cm-1处出现的O—H 伸缩振动峰和在1 266 cm-1处出现的苯酚的C—O 伸缩振动峰也可以证实HO 形成了分子内氢键。此外，在698、806 cm-1处为苯环上三取代后的C—H 面外弯曲振动，与HO 的分子结构相吻合。

由图1b 可以看出，1 184、3 189、1 681 cm-1处分别对应苯酚中C—O 的伸缩振动峰、苯酚中羟基的伸缩振动峰和酯键中CO 的伸缩振动峰，为其形成可吸收紫外线的分子内氢键结构提供了理论支持。此外，1 482 cm-1处苯环骨架振动峰和748、694 cm-1处苯环二取代后C—H 的面外弯曲振动峰，均证实了PS对应的分子结构。

由图1c 可以看出，3 002、1 047 cm-1处苯环的C—H 伸缩振动峰和C—N 伸缩振动峰证明苯并三唑结构的存在。此外，3 447 cm-1处是羟基的伸缩振动峰，为TBC 分子内形成分子内氢键而产生螯合环结构奠定了基础，2 959、1 390 cm-1处—CH3伸缩振动峰和面内弯曲振动峰的出现以及1 434 cm-1处C—Cl 伸缩振动峰的出现证明了TBC 分子结构。

图1 HO、PS 和TBC 紫外吸收剂的红外光谱图

2.1.2 紫外光谱

由图2a 可以看出，325、290 nm 处有2 个吸收峰，对紫外光吸收强烈。由图2b 可以看出，309 nm 处有1个吸收峰，对紫外光的吸收较窄。由图2c 可以看出，310、347 nm 处有2 个吸收峰，吸收峰强且宽，对紫外光吸收强烈。

图2 HO、PS 和TBC 紫外吸收剂的紫外吸收光谱图

HO 作为二苯甲酮类化合物，其分子中的羰基氧与羟基形成分子内氢键结构，构成了分子内的螯合环结构。这种由分子内氢键形成的螯合环结构在紫外光的照射下会吸收紫外光能量；组成螯合环的分子内氢键在紫外光的刺激下由于发生热振荡而被破坏，稳定的螯合环结构也随之断开，吸收的紫外光能量会被二苯甲酮类紫外吸收剂转换成热能释放。由于紫外光能量的激发，其分子中的羰基也会参与吸收并耗散部分紫外光能量，被激活成其互变异构体的烯醇式结构。

PS 属于水杨酸酯类化合物，此类紫外吸收剂内部也存在分子内氢键，但是对紫外光能量的吸收较低。在吸收紫外光能量后，其分子内氢键被破坏，随之发生分子重排，转变为二苯甲酮结构，故而增强对紫外光的吸收能力。

TBC 为苯并三唑类化合物，这类紫外吸收剂吸收紫外线的机理与二苯甲酮类化合物相似，结构中也存在着由羟基氢与三唑基氮形成的分子内氢键螯合环，当TBC 吸收了紫外光能量后，氢键断裂或者分子重排成互变异构体，可以将部分紫外光吸收转化成热能释放［9-11］。

具体防紫外线机理如下：

2.2 PVC 涂层玻璃纤维编织物性能

2.2.1 抗紫外性能

由图3 可以看出，相比于PVC 涂层玻璃纤维编织物原布，HO、PS 以及TBC 整理的PVC 涂层玻璃纤维编织物紫外线透过率低很多，防紫外性能得到提升。另外，随着紫外吸收剂质量分数的提高，HO、PS 以及TBC 整理的PVC 涂层玻璃纤维编织物紫外线透过率下降，相对应的防紫外性能提升。相较于HO 和PS 整理的PVC 涂层玻璃纤维编织物，TBC 整理的PVC 涂层玻璃纤维编织物在280～400 nm 波段的紫外线透过率低，防紫外性能最好；相比于PS 和TBC 整理的PVC涂层玻璃纤维编织物，HO 整理的PVC 涂层玻璃纤维编织物在360～400 nm 波段透过率高，吸收紫外线能力也较弱。

图3 HO、PS 和TBC 整理PVC 涂层玻璃纤维编织物的紫外线透过率

从表2 可以看出，PVC 涂层玻璃纤维编织物原布的UPF 值只有19.63 且UVA、UVB 透过率均大于5%，未达到GB/T 18830—2009 的“防紫外线产品”标准。相比较而言，经过HO、PS、TBC 整理的PVC 涂层玻璃纤维编织物，UVA、UVB 透过率均小于5%，UPF 值均大于40，可以被评价为“防紫外线产品”。随着紫外吸收剂质量分数的提高，UVA、UVB 透过率下降，UPF值升高，防紫外性能提高。