防紫外線面料技術和原理
紫外線是一種波長400～100nm的輻射線。適量的紫外線照射能夠增強人的體質和抵御傳染病的能力，促進體內維生素D3的合成，維持正常的鈣磷代謝和骨骼的生長發育，加速傷口的愈合，提高免疫力。當紫外線強烈作用于皮膚時，可發生光照性皮炎，皮膚上出現紅斑、癢、水皰、水腫等；嚴重的還可引起皮膚癌。據統計，自1983年以來，全球皮膚癌患者每年以5％的速度增加。這與臭氧層減少有關，臭氧層濃度每減少10％，人類皮膚癌發病率將增加26％。
陽光中的紫外線根據波長可分為3部分：UVA(315～400 nm)，UVB(280～315 nm)，UVC(100～280nm)。Uvc到達地面前基本被吸收，直接作用于地表的紫外線主要是UVA和IUVB，即波長280～400nm的紫外線部分。因此，對這一波段紫外線的防護尤為重要。服裝作為人體的第二皮膚，應具有一定的保護人體盡量免受外界惡劣環境侵害的功能。 隨著人類對紫外線危害認識的深入，加強研究防紫外線紡織品勢在必行。
普通紡織品的防護效果不是很理想，這就要求染整工作者采用一定的技術和工藝，開發出有效防御紫外線照射的功能整理劑。
1 抗紫外線機理
紡織品對紫外線防護的機理，分為反射和吸收兩種。紫外線照射到織物上，一部分被纖維吸收，一部分被反射，還有一部分從織物纖維問的孔隙中透射，也有可能直接通過纖維本身。只有透過織物的紫外線才可輻射到人體，而且大部分是直接輻射至人體的，其余的是通過散射輻射到達的。因此，抗紫外線織物主要是用屏蔽劑對纖維或織物進行防紫外線處理，來增強紡織品吸收或反射紫外線的能力。常用的紫外線屏蔽劑有無機和有機兩大類。
1．1無機類紫外線屏蔽劑
無機紫外線屏蔽劑也稱紫外線反射劑，具有較高的折射率，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。
有些超細粒子(如納米粉體)由于小尺寸效應等特性而導致其優異的抗紫外性能。作為染整助劑，為了不影響紡織品的色彩效應，最好選用具有透明性或白質材料，所以一般選用金屬氧化物的粉體，如三氧化二鋁(Al203)、氧化鎂(MgO)、氧化鋅(zno)、二氧化鈦(Ti02)、高嶺土等，它們屏蔽紫外線的功料與結構中的禁止帶間隙密切相關。如Ti02的電子結構，由充滿電子的價電子帶和沒有電子的道形成的傳導帶構成，存在禁止帶間隙。禁止帶間隙約為3．2eV，相當于約410nm波長的光能，當納米二氧化鈦受光照射時，能量與禁止帶間隙相同或比禁止帶間隙能量稍大的光被吸收，價電子帶的電子激發至傳導帶，因而對紫外線部分產生吸收。研究表明，粒徑小于100nm的Ti02紫外線透過率低于20％。ZnO廉價無毒，屏蔽紫外線波長范圍比Ti02寬，折光率(n=1．9)也比Ti02(n=2．6)小，對光線的漫散射率低，透明度也高。ZnO還被證實具有抗菌防霉防臭功能，因而應用前景更廣。
多種納米粉體共同添加對紫外線有更好的屏蔽作用。如二氧化鈦、氧化鋅和二氧化硅混合，其中前2者只針對uvA和uVB處吸收，而二氧化硅則在uVA和uvB的范圍內對紫外線的反射率高達85％，并在紫外線和可見光范圍內出現一個很長的高反射平臺。
1．2有機類紫外線屏蔽劑
有機防紫外線整理劑也稱為紫外線吸收劑,通常是指能吸收波長為270~400nm紫外線的有機化合物。
國內外紫外線吸收劑品種較多，常用的產品主要有非反應性、小分子紫外線吸收劑如水楊酸酯類化合物、二苯甲酮類、苯并三唑類、取代三嗪類、取代丙烯腈類以及聚合物型紫外吸收劑。水楊酸酯類化合物使用得較早，因其穩定性較差而在應用方面有所局限；取代三嗪與取代丙烯腈類用于高聚物的光穩定劑較多；目前最有發展前景的當屬二苯甲酮類及苯并二唑類。這兩者因其自身有效吸收波長范圍廣、相容性好等優點在工業領域應用很廣泛，目前正嘗試將其化學結合入高分子骨架以避免它自身的某些缺點，有著相當廣泛的應用前景。
1．2．1 非反應性紫外線吸收劑
(1)水楊酸酯及其衍生物
聚合物加工和織物后整理過程中應用最早的一類紫外線吸收劑，可用于聚乙烯、聚丙烯、聚氧乙烯、聚酰胺等纖維及其塑料薄膜產品，有效吸收波長范圍為290～320nm。代表性化合物有水楊酸苯酯、水楊酸對叔丁基苯酯等。產品優點為低毒，凝同點低，有紫外線吸收與消毒防腐作用；缺點是升華性強，光穩定性能較差，對紫外線的吸收波長范圍較窄，因而應用方面具有局限性。
(2)二苯甲酮及其衍生物
二苯甲酮及其衍生物不溶于水,易溶于甲醇、乙醇等有機溶劑,這一特性使其與油溶性材料或高分子材料的物理兼容性較好,故可用于塑料、油墨、化妝品、防曬劑等配方中。但此類產品用于織物整理,分子與纖維之間只存在物理吸附以及氫鍵作用,而無化學結合,故整理的織物耐曬性良好、但耐洗性卻差。
(3)苯并三唑及其衍生物
苯并二唑類紫外吸收劑的特點是毒性小，與樹脂的相容性好，可用作包裝食品的聚乙烯、聚丙烯以及聚丁烯、聚苯乙烯、聚氨酯、環氧樹脂及涂料、染料、顏料等的光穩定劑，故在紡織、塑料、汽車涂料等方面有廣泛應用。
(4)取代二嗪及其衍生物
在二嗪衍生物中取代苯環上的羥基與二嗪環上的氮原子存在分子內鍵的鍵合與斷開反應，從而轉化紫外能量，使此類化合物具備吸收紫外線能量的功能而被用作紫外線吸收劑。因此，這類化合物吸收紫外線效果與鄰羥基的個數有關，鄰羥基個數越多，吸收紫外線的能力越強，引入不同取代基，能降低均二嗪環的堿性，因此可改善此類化合物的耐光堅牢性及其與樹脂的相容性。它的缺點是與高聚物的相容性差，使用過程中易導致整理的織物著色。
(5)取代丙烯腈及其衍生物
此類紫外線吸收劑雖然僅能吸收31O～320nm的紫外線，但因其不含酚式羥基，故具有良好的化學穩定性和與高聚物的相容性。
1．2．2 聚合物型紫外吸收劑
非反應性、小分子紫外線吸收劑整理的織物耐洗牢度差，抗紫外線效果難以持久，而且織物的透氣性、手感、衛生性能受到影響。反應性紫外線吸收劑可解決結合牢度等問題，但僅適用于高分子材料、化學纖維的合成或紡絲，在天然纖維或生態纖維的后整理方面其應用受到一定限制。所以開發對人體低毒或無毒，與纖維結合牢度高，又符合綠色生態環保需求的高分子紫外吸收劑已勢在必行。
聚有機硅氧烷是一類特種高分子材料，表面能低、易成膜，具有優異的耐高低溫性能耐輻射性、耐氧化性、透氣性、耐候性等。事實上氨烴基、環氧基、羧烴基、聚醚基等改性聚二甲基硅氧烷，是目前紡織工業大量使用的柔軟整理劑。所以，若在聚二甲基硅氧烷的側鏈或主鏈上，化學鍵合入二苯甲酮、苯并三氮唑等紫外吸收基團，則可望獲得兼具二者綜合性能的新型紫外吸收劑。
羧烴基硅油與水楊酸經高溫酯化反應合成的水楊酸酯烴基聚硅氧烷，用于護膚、毛發以及蛋白纖維的防護保養，則能賦予基質持久的抗紫外線效果。
攜帶有2，2，6，6-四甲基派啶及其衍生物側基的聚有機硅氧烷，本身雖無吸收紫外線的能力，但可捕獲光氧化反應或者聚合物降解過程中產生的自由基，分解氫過氧化物并傳遞激發態分子能量，因而具有光穩定效果。
將Zn0等無機納米抗紫外線粉體與氨基硅乳柔軟劑復配，用于織物整理，可使棉織物獲得抗紫外線與柔軟等多重功能，而且經此處理的織物耐水洗，纖維強度、拉伸性、色澤等不受影響。
2 防紫外線輻射整理方法及其工藝
織物紫外線屏蔽整理工藝與其最終用途有關。如作為服裝面料，夏季穿著的對柔軟性和舒適性要求高，以采用吸盡法或浸軋法施加紫外線吸收劑為好；如作為裝飾、家用或產業用紡織品，則強調其功能性要求，可選用涂層法；對于混紡織物的防紫外線整理，從技術角度來說，還是以吸盡法和浸軋法為好，因為這種工藝對纖維性能、織物風格、吸濕(水)性和強力影響較小，同時還可與其他功能性整理同浴進行，如抗菌防臭、親水、防皺整理等。
2．1高溫高壓吸盡法
高溫高壓吸盡法類似于滌綸的高溫高壓染色，這是由于一些不溶或難溶于水的紫外線吸收劑，它們的分子結構利分散染料很接近，在高溫高壓的條件下可以進入纖維內部而固著。高溫高壓吸盡法適用于滌綸、錦綸等合纖類織物，此法比較多地采用分散染料染色與抗紫外整理同浴進行。
2．2常壓吸盡法
常壓吸盡法則主要適合于棉、麻、羊毛、蠶絲等天然纖維類織物的抗紫外整理。常壓吸盡法須選用水溶性的紫外線吸收劑，如一些二苯甲酮類的水溶性紫外線吸收劑的分子結構中有多個羥基，對棉及其它天然纖維有較好的吸附能力，因此，可以在常壓下被用于此類織物抗紫外整理。
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，而采用與樹胎同浴，將屏蔽劑聞著在織物表面。浸軋液由紫外線屏蔽劑、樹脂、柔軟劑等組成。但經熱處理后，織物上空隙易被樹脂所覆蓋，會影響整理織物的風格、吸水性和透氣性。用浸軋法對純棉織物進行抗紫外線整理的工藝條件如圖1所示：
2．4涂層法
一般在涂層劑中加入適量紫外線屏蔽劑，用涂布器在織物表面進行精密細涂層，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。
2．5微膠囊技術和印花法
微膠囊技術是一種微包裝技術，是用天然或合成高分子成膜材料把分散的固體、液體或氣體包覆，使形成微小粒子的方法。其實質是通過密閉的或半透性的壁膜將芯材與外界環境隔離開來，從而達到保護和穩定芯材、屏蔽氣味和顏色、控制釋放芯材等目的。其制成品典型大小范圍在2~2000μm之間，壁的典型厚度在0．5~150μm之間。可將抗紫外線整理劑注入膠囊內，這樣在服裝的服用過程中由于受到磨擦使膠囊外層破裂，達到抗紫外線整理劑緩釋的效果；如果膠囊內加入光敏變色晶體則能使織物獲得變色功能。光敏變色服裝除了增加美感外，還增強了抗紫外線功能，可抵御長時間紫外線輻射。
印花法就是將紫外線屏蔽劑或吸收劑調制在印花色漿中，印制后，采用汽蒸處理固著在織物上，此法適合于對紫外線屏蔽率要求不是很高的織物。
2．6溶膠一凝膠技術
一般的屏蔽劑的耐洗牢度都比較著，作為一種多用途的新工具，溶膠凝膠技術可在織物表面涂覆一層透明的金屬氧化物薄膜，極大地改善了耐洗牢度，同時抗紫外線性能也非常優良。
3 防紫外線織物效能的評價及測試方法
目前織物抗紫外線效果評價方法有分光光度計法、紫外線強度累計法、變色褪色法和直觀法等，其中分光光度計法較優。分光光度計可檢測各個不同波長下的透射比，是目前國際上最流行和通用的方法。直觀法由于紫外線過量照射對人體有害，應少采用為宜。目前國內外的主要評價標準有：我國的GB／T18830–2002，澳大利亞／新西蘭的AS／ZS4399，美國的AATCCl83–1998、ASTM草案D13．65，英國的BS7914．1998、BS7974．1999以及歐盟的PrEN13758等。
3．1分光光度計法
采用積分球式紫外分光光度計測試織物的紫外線透過率。紫外線透過率越小，表明織物隔斷紫外線效果越好。
3．2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，光照一定時問，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。
3．3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。
3．4直觀法
分別使用防紫外線織物和相同材質的非防紫外線織物覆蓋皮膚，通過照射紫外線進行直接對比觀察。
3．5織物抗紫外耐久性
實際應用中，還要求抗紫外功能紡織品有優良的耐久性能，即經多次洗滌后仍然保持良好的抗紫外效果。可以參照國標GB／T3921．3–1997，用下述條件對織物進行洗滌：
皂液：標準皂片5g／L；
無水碳酸鈉：2g／L；
溫度：(60±2)℃；
時問：30min；
浴比：50：1
然后測定織物的紫外透過率，依此來評定耐久性。
對于防紫外線織物質量的評價指標，現采用紫外線遮蔽率較多。日本提出了采用紫外線遮蔽率與紫外線透過量減少率相結合的標準。紫外線透過量減少率等于傳統織物透過量與防紫外線織物的差值與傳統織物透過量的百分比。日本提出的標準是，織物首先要滿足紫外線透過量減少率達到50％的要求，然后再根據絕對遮蔽率進行等級劃分。一般分為3級，遮蔽率在90％以上者為A級，遮蔽率在80％～90％者為B級，遮蔽率在50％～80％者為c級。這對于國內評價防紫外線織物的性能具有很好的借鑒作用。
4 前景與展望
防紫外線織物符合人們愛美、保健的要求，同時也能提高產品的附加值，隨著人們生活水平的提高和保健意識的增強，防紫外線紡織產品具有極好的開發價值和廣闊的市場前景。國外起步已久，我們應奮起直追，在研究開發時，首先應對紫外線遮蔽劑、防紫外線纖維進行深入的研究開發，形成工業化生產能力；其次應針對產品的用途，采用不同的加工方法，以提高其服用性能。如用后處理法時，服裝用織物應采用含浸處理，以提高其透氣性，而對遮陽傘、窗簾用織物則可采用涂層處理；同時應注意到，人們已開始對合成纖維提出具有多種功能的要求，而且作為紫外線遮蔽劑用的陶瓷微粉和金屬氧化物在紡織品的抗菌防臭、遠紅外保健等其他功能性加工中也有采用，因此在研制防紫外線纖維紡織品時，最好能賦予涼爽、抗菌防臭、遠紅外保健或阻燃、防靜電等多種功能，以進一步提高其使用價值。
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