紡織品的防紫外線輻射整理
[摘要]紫外線對人體的輻射危害已引起了世界各國的高度重視。本文闡述了紡織品防紫外線輻射的機理，影響紡織品防紫外線輻射功能的因素，紫外線屏蔽劑，提高紡織品防紫外線輻射功能的途徑及防紫外線輻射效果的評價方法，并介紹了國內外防紫外線輻射紡織品的發展動態。
1 前言
上世紀20年代以來，由于碳氟系溶劑和氟利昂的大量使用，地球大氣層中臭氧層遭到嚴重破壞，使到達地球表面的紫外線不斷增加。紫外線是波長200-40Onm電磁波，波長400-32Onm區域稱UV-A;波長320-28Onm區域稱UV-B;波長
280-200nm的區域稱UV-C。UV-C波長較短，在空氣中己被吸收，不能到達地球表面。紫外線在日光中約占6%，其中UV-A比例較大，UV-B比例較小。UV-A會透過表皮組織，使肌肉失去彈性，皮膚粗糙，形成皺紋。UV-B則和致癌物質有聯系。因此要能有效地屏蔽UV-B和UV-A中短波長部分。
一般來講，適量的紫外線輻射具有殺菌作用并能促進維生素D的合成，有利于人體健康。但在烈日持續照射下，人體皮膚會失去抵御能力，易發生灼傷，出現紅斑或水泡。過量的紫外線照射還會誘發皮膚病(如皮炎、色素干皮癥)，甚至皮膚癌，促進白內障的生成并降低人體的免疫功能。有資料顯示，臭氧層每減少1%，紫外線輻射強度就增大2%，患皮膚癌的可能性將提高3%。因此，為了保護人體避免過量紫外線輻射，紡織品防紫外線輻射整理已刻不容緩。
2 國內外抗紫外線紡織品發展動態
最早開發的防紫外線商品是防紫外線化妝品。90年代后，防紫外線織物驟然興起，其中以日本公司最為突出，他們相繼推出具有防紫外線輻射功能的運動服、襯衫、長筒襪、帽子和太陽傘等制品，受到廣大消費者的青睬。以澳大利亞為例的地處低緯度、日照較強的國家，率先開發抗紫外線紡織品對人體進行防護，并使抗紫外線紡織品進入了商品化階段。他們通常采用添加抗紫外線整理劑和紫外線屏蔽劑的方法。另外，也有將紫外線吸收劑和反射劑同時應用在織物上，以使對紫外線的防護效果更為優越，如尤尼卡公司的托納多UV先將含有特殊陶瓷粉的聚酯長絲制成織物，再以紫外線吸收劑進行處理，所得織物的紫外線屏蔽率高達97%。此外，還有將納米技術應用到抗紫外線紡織品中，如利用納米粉體的量子尺寸效應，使其對某種波長的光吸收帶有"藍移現象"和對各種波長的吸收有"寬化現象"，導致對紫外光的吸收效果顯著增強，保證產品的紫外線屏蔽效果。當前，最常用的幾種吸收紫外線的納米材料有:30-4Onm的TiO2它對400nm以下的紫外線有極強的吸收能力;A1203納米粉體對波長250nm以下的紫外線有很強的吸收能力;SiO2對波長40Onm以下的紫外線反射率高達95%。
目前，國內對抗紫外線紡織品的研究才剛剛起步。天津石化公司研究所用陶瓷粉研制出了抗紫外線滌綸短纖維和網絡低彈絲;上�；w十一廠開發了抗紫外線滌綸短纖維;東華大學化纖工程研究中心研制出化纖級抗紫外線超微粉體和母粒;山東巨龍化工公司將紫外線吸收劑和屏蔽劑合理配合，研制成功用于棉織物的抗紫外線整理劑;廈門華普高技術產業有限公司開發的納米級陶瓷棉紡織品，同時具有抗紫外線、抗菌及遠紅外保溫功能;西安華捷科技發展公司采用超微粉材料摻入纖維制成的服裝，能吸收、隔離95%以上的紫外線，有效地阻止其對人體的傷害。
3 紡織品防紫外線輻射整理機理
紡織品防紫外線輻射整理的機理，是在紡織品上施加一種能反射和，或有強烈選擇性吸收紫外線，并能進行能量轉換，以熱能或其他無害低能輻射，將能量釋放或消耗的物質。施加這些物質后的紡織品，對織物各項服用性無不良影響，并達到使用要求。因此，紡織品防紫外線輻射整理與高分子的耐光穩定性有相似之處。不過，耐光性是保護高分子化合物，防紫外線照射后引起的自動氧化，導致聚合物的降解，使外觀和結構性能變化;而防紫外線輻射整理是防護人體免使過量的紫外線照射引起的傷害。
從光學原理上講，光射到物體上，有一部分在表面反射，部分被物體吸收，其余的則透過物體�？墒�，經防紫外線輻射整理的織物，光射到織物上，一部分通過織物的間隙透過織物，織物上的紫外線屏蔽劑不是將紫外線反射，就是選擇性吸收并將其能量轉換成低能而釋放，以致將紫外線遮蔽。
4 紡織品防紫外線輻射功能的影響因素
織物防紫外線的能力，主要取決于織物本身的屏蔽紫外線的能力�？椢锿ǔ＞哂斜容^復雜的表面，它們除了吸收光之外，還有散射和反射光線的作用。而散射和反射作用則因單纖維表面形態、織物組織規格、色澤深淺差異和印染后整理方法不同而有顯著的變化。因此，研究紡織品防紫外線輻射性能時，要綜合考慮各種因素。
4·1纖維種類
纖維種類不同，其紫外線透過率、紫外線防護系數(UPF)也不同。聚酯、羊毛纖維等比棉、粘膠纖維的紫外線透過率低、紫外線防護系數小。因聚酯結構中的苯環和羊毛蛋白質分子中的芳香族氨基酸，對小于300nm 的光都具有很大的吸收性。所以具有防紫外線功能的毛、麻類、蠶絲、滌綸、防紫外化纖等作為首選原料。而棉織物防紫外線的能力相對較差，是紫外線最易透過的面料。因此，對棉織物進行防紫外線輻射整理最為迫切。
4.2織物結構
織物結構決定了織物的幾何形態和它的多孔結構。織物結構包括厚度、緊密度(覆蓋系數或空隙率)等。緊密的結構需要大量的經緯紗，覆蓋系數大，UV透射率低，防護作用就大。稀松織物的覆蓋系數低，光線不易受到遮蔽，其防護作用就小。紫外線防護系數(UPF)隨著織物的密度而增加。對于織物重量較重的厚重織物也有相似的情況。
4.3織物色澤
織物上的染料對織物紫外線透過率有相當大的影響。這是由于為得到某一色澤，染料必須選擇性地吸收可見光輻射，而有些染料的吸收帶伸展到紫外光譜區域，因此它起著紫外線吸收劑的作用。一般來說，隨著紡織品色澤的加深，織物紫外線透過率隨之減少，防紫外線輻射性能提高。此外，化學纖維的消光處理也影響其紫外線透過率。不同染料與紫外線透過率的關系見表3。
4.4織物印染后整理方法
抗紫外線后整理的方式與產品的最終用途有關。作為服裝面料，考慮到夏季穿著時對柔軟性和舒適性的要求，對于滌綸、氨綸等合成纖維織物，可選擇適當的紫外線吸收劑，并與分散性染料一起，進行高溫高壓染色，使紫外線吸收劑分子融入纖維內部;對于棉、麻類織物，可用浸軋法，經烘干和熱處理后，將紫外線吸收劑固著在織物表面。對于裝飾用、產業用紡織品，可選用涂料印花或涂層法，將具有抗紫外線效果的反光陶瓷材料粘合劑涂印在織物表面，形成一層防護薄膜;也可用紫外線屏蔽劑或紫外線吸收劑對織物表面進行精密涂層，經烘干和熱處理后，在織物表面形成一層薄膜。涂層劑可選用PVC、PA、PU等，也可與陶瓷微粉共混涂層。此外，應用納米技術及微膠囊技術，也可增強織物的抗紫外線功能。不同織物抗紫外線整理前后的紫外線透射率見表4。
4·5其他因素
紡織品防紫外線輻射性能的一般規律:短纖織物優于長絲織物;加工絲產品優于化纖原絲產品，細纖維織物比粗纖維織物好;扁平異型化纖織物優于圓型截面化纖織物;機織物優于針織物。
5 紫外線屏蔽劑
所謂紫外線屏蔽劑，即具有吸收或反射紫外線作用的物質。紫外線屏蔽劑可分為無機和有機兩類化合物。
5.1無機類紫外線屏蔽劑
無機類紫外線屏蔽劑，也稱紫外線反射劑，主要通過對入射紫外線反射或折射，而達到防紫外線輻射的目的。它們沒有光能的轉化作用，只是利用陶瓷或金屬氧化物等細粉與纖維或織物結合，增加織物表面對紫外線反射和散射作用，以防止紫外線透過織物而損害人體皮膚。這些粉末包括高嶺土、碳酸鈣、滑石粉、氧化鐵、氧化鋅、氧化亞鉛等。經試驗，在310-370nm波長區，對紫外線的反射或防護效果，以氧化鋅和氧化亞鉛為好，二氧化鐵和高嶺土也有一定的作用。這些無機組分與有機類紫外線屏蔽劑相比有一定優點，除耐光與防紫外線比較優越外，耐熱性能也比較突出。特別是氧化鋅還具有抗菌防臭功能。
5.2 有機類紫外線屏蔽劑
有機類紫外線屏蔽劑，也稱紫外線吸收劑，主要是吸收紫外線并進行能量轉換，將紫外線變成低能量的熱能或波長較短的電磁波，從而達到防紫外線輻射的目的。作為紡織品用的紫外線吸收劑應具有:
(1)安全無毒，特別對皮膚應無刺激和過敏反應;
(2)吸收紫外線范圍廣和效果良好;
(3)對熱、光和化學品穩定，無光催化作用;
(4)吸收紫外線后無變色現象;
(5)不影響或少影響紡織品的色牢度、白度、強力和手感等;
(6)耐常用溶劑和耐洗性良好。
國內外紫外線吸收劑品種很多，常用的第一代產品有水楊酸酯類化合物、金屬離子整合物、薄荷酯類、苯并三唑類和二苯甲酮類等。這些紫外線吸收劑沒有反應性官能團，不易固著，很易擴散。第二代吸收劑包括瑞士汽巴嘉基公司開發的鄰-羥基苯-二苯基三唑的衍生物，是一種陽離子自分散型配方，可用于高溫染色、軋染、印花等，有優良的升華牢度和熱固著性能。瑞士科萊恩公司開發的Rayosan 系列可與纖維素纖維上的羥基和聚酰胺上的氨基反應，不改變織物外觀、手感、透氣性，也有耐光和耐水洗牢度。
紫外線吸收劑可使紫外線能量轉化為光、熱等形式釋放，在一定程度上是穩定的，但長時間、大劑量的紫外線照射會引起吸收劑分子分解。因此，為提高整理效果的耐久性，通常可采用微膠囊技術，將吸收劑裝入微膠囊中，對織物進行后整理。
總之，對紫外線屏蔽劑的研究應注重于提高織物的防紫外線輻射性能及耐久性，適用于各種不同纖維原料的織物，不影響織物的柔軟度、色牢度及強力，并盡量保證整理劑本身及對人體、織物、環境不產生危害和污染。還應研究整理劑濃度與不同織物品種之間的一般規律，加強加工工藝研究，在滿足紡織品的防紫外性能指標要求的基礎上，盡可能地降低生產成本。
6 提高紡織品防紫外線輻射功能的途徑
為減少紫外線對皮膚的傷害，必須減少紫外線透過織物的量。而減少紫外線的透過量主要有以下三種途徑。
6·1防紫外線纖維
主要指在合成纖維生產過程中，摻入紫外線屏蔽劑，用共混和芯鞘等方法紡絲，使纖維具有遮蔽紫外線的功能。這種方法所得到的織物效果持久且手感較好，但對處理技術要求高，成本大，且有不易用于天然纖維及在混紡時效果難以控制等弱點。
日本可樂麗公司于90年代初首家推出具有防紫外線功能的"Esmo"纖維，即在PET聚合物熔體中均勻摻入細陶瓷粉末紡制成滌綸纖維。近年來，發現將特殊結構的陶瓷超細微�；烊肜w維內制成的纖維，不僅能屏紫外線，又有隔熱作用(即反射可見光和紅外線)。
6·2 防紫外線輻射整理
紡織品防紫外線輻射整理的整理工藝與其最終用途有關，其整理工藝大致有以下四種:
6·2·1高溫高壓吸盡法
對滌綸、耐綸等合成纖維織物的紫外線屏蔽整理，可以與分散性染料高溫高壓染色時同浴進行。這時紫外線吸收劑分子溶入纖維內部，只要選擇合適的(包括皮膚毒性低)紫外線吸收劑就可以。
6·2·2 常壓吸盡法
對于一些水溶性的吸收劑處理羊毛、蠶絲、棉以及錦綸紡織品，則只需在常壓下于其水溶液中處理，類似水溶性染料染色。有些吸收劑也可以采用和染料同浴進行一浴法染色整理加工。
6·2·3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，而采用與樹脂(或粘合劑)同浴，將屏蔽劑固著在織物(纖維)表面。浸軋液由紫外線屏蔽劑、樹脂、柔軟劑等組成。但經干熱處理后，織物上孔眼易被樹脂(粘合劑)所覆蓋，會影響整理織物的風格、吸水性和透氣性。
6·2·4 涂層法
一般在涂層劑中加入適量紫外線屏蔽劑，藉涂布器(如懸浮刮刀、圓網等)在織物表面進行涂層，然后經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，對應用的技術和設備要求不高。涂層法使用的紫外線屏蔽劑，大多是一些高折射的無機化合物，它們吸收紫外線效果與其顆粒大小有關。
由于紫外線屏蔽劑幾乎不溶于水，如把屏蔽劑溶于非水溶劑中進行整理加工，不僅操作不便，而且污染環境，一般大多采用對紫外線屏蔽劑進行乳化處理，使屏蔽劑均勻分散于水相中，并能較穩定保持紫外線屏蔽作用，對織物進行整理;或通過改變紫外線屏蔽劑分子結構，從而賦予屏蔽劑以水溶性，但由于母體分子結構小，影響了整理劑結構，提高了成本。
6·3 防紫外線纖維與織物后整理相結合
紫外線吸收劑與紫外線反射劑在纖維或織物上同時應用，則可以增效，防護效果更為優越，如尤尼卡公司的托納多UV先用含特殊陶瓷粉的聚酯長絲制成織物，再以紫外線吸收劑進行后整理，所得織物的紫外線屏蔽率達90%以上。
7 防紫外線輻射整理紡織品性能的效果評價
目前，防紫外線織物國際上尚無統一的測試方法和標準，常用的測試方法有以下4種:
7·1紫外分光光度計法
用紫外分光光度計法或紫外線強度計測定各種防紫外線試樣的分光透過率曲線，可以判斷各波長的透過率，并可用面積比求出某一紫外線區域的平均透過率，評價防護效果。但這種方法有其不完善之處。因此纖維織物大都呈半透明狀，表面凹凸不平，因此光在織物中透過情況較復雜，除部分光被材料吸收外，還有光的折射和反射，折射反射量和單纖維的表面形態、織物組織結構和厚度密切相關，因而測出的透過率偏低。只有采用較完善的測試手段，如使用有積分球捕集裝置或乳白玻璃消除擴散法，以及用END-ON型光電倍增管的分光光度計將所有方向的光加以捕集，才有可能獲得準確值。
織物經整理后，防紫外線福射的效果比原織物有所改進，因此除測定絕對值外，一般還可作空白試驗，用以相對比較其紫外線透過的降低百分率，表示整理織物的防紫外線效果。
7·2 皮膚直接照射法
在同一皮膚相近部位，以一塊或幾塊織物覆蓋皮膚，用紫外線直接照射，記錄和比較出現的時間以進行評定。
測定陽光防曬因素(Sun Protection Factor)。為適應防護紫外線輻射的嚴格科學意義，現已逐漸改用紫外線輻射防護系列UPF(Ultra violet protection Factor)，它指防護品被采用后，紫外輻射使皮膚達到出現紅斑的臨界劑量所需時間和不用防護品時達到同等傷害程度的時間值之比。根據UPF的測量結果評價織物抗紫外線輻射的防護效果。UPF值越大，即表示防護效果越好。
7·3 變色褪色法
利用光敏染料染色的基布，放在標準紫外光光源下，上面覆蓋待測織物，開啟光源，光照一定時間后，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。
7·4 紫外線強度累計法
利用紫外光照射放在紫外線強度累計儀上的織物，按給定時間照射，測定出通過織物的紫外線累計量，然后進行計算。對于防紫外線織物質量的評價指標，現在采用紫外線遮蔽率較多。紫外線屏蔽率是目前國內產品區分防紫外線效果好壞的標準。A級:紫外線屏蔽率大于90%;B級:紫外線屏蔽率80%-90%;C級:紫外線屏蔽率50%-80%。一般應選A級為宜。屏蔽率是以280-400nm波長范圍內的透過率積分值求得的。此外，由于防紫外線整理織物主要是制作夏天服裝，與人體皮膚直接接觸，因此必須加強對防紫外線整理劑的皮膚過敏試驗，急性毒性試驗以及致畸試驗等一系列安全檢測，確保產品對人類安全，對環境無害。
8 展望
加入WTO之后，我國紡織企業不可避免地參與到國際競爭中。要想在激烈的市場競爭中取勝，就要在產品質量、檔次、功能性、保健性、環保型等諸多方面進行研究，全面提升我國紡織品的水平，提高產品附加值。
紡織品的防紫外線整理應充分利用我國各種資源豐富的優勢，采用高科技進行原料和紡紗研究，從原料的選擇、織物結構、織物色澤和后整理技術上綜合考慮，以提高織物防紫外線的性能。研制開發新型環保的具有反應活性的整理劑，以提高整理后織物防護性能的耐久性，并且不會造成對人體和環境的危害。開發應用上，在織物防紫外線功能基礎上可結合抗菌、遠紅外保溫等進行多功能復合整理，提高產品的附加值。大力開發服裝、裝飾、產業用防紫外線產品。應大力開發夏季針織、機織的內、外衣服裝、泳裝、襪子、太陽帽、遮陽傘、運動服裝等。還應開拓產業用紡織品市場如農業、建筑業等戶外施工、工作人員的工作服、帽，交通警察的制服、軍服、軍用防護品，工農業、商業用遮陽蓬蓋布等。
這類紡織品如果能有的放矢地形成自己的特點，應用范圍非常廣闊，而且批量大，效益好。防紫外線紡織品的國內外市場潛力是巨大的，追蹤國內外先進技術研究，堅持開發新產品，必定會形成新的經濟增長點。
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