抗紫外線紡織品及其發展現狀

各國隨著工業和技術的發展,工業廢氣排放增加導致大氣層污染,臭氧層破壞。 之前人們認為是健康的日光浴,如今卻成為威脅人類健康的無情殺手。臭氧層破壞,紫外線透過率增大,人類患皮膚病和皮膚癌機率增大。有專家預言,到本世紀中期,皮膚癌的發病率將躍居各類疾病之首,成為人類的頭號殺手。因此人類正在大力研究紫外線輻射防護產品,如今抗紫外線化妝品、日用品銷量激增,但它們防護能力和保護面積畢竟有限。因此,有必要利用保護面積更大、防護效果更好的紡織品來有效地阻擋對人體有害或過度紫外線。
1 紫外線簡介
紫外線是電磁波譜中波長從10nm到400nm輻射的總稱，不能引起人們的視覺。1801年德國物理學家里特發現在日光光譜的紫端外側一段能夠使含有溴化銀的照相底片感光，因而發現了紫外線的存在。根據生物效應的不同，將紫外線按照波長劃分為四個波段: UVA波段，波長320～400nm，又稱為長波黑斑效應紫外線 。它有很強的穿透力，可以穿透大部分透明的玻璃以及塑料。日光中含有的長波紫外線有超過98%能穿透臭氧層和云層到達地球表面，UVA可以直達肌膚的真皮層，破壞彈性纖維和膠原蛋白纖維，將我們的皮膚曬黑。360nm波長的UVA紫外線符合昆蟲類的趨光性反應曲線，可制作誘蟲燈。UVB波段，波長275～320nm，又稱為中波紅斑效應紫外線。中等穿透力，它的波長較短的部分會被透明玻璃吸收，日光中含有的中波紫外線大部分被臭氧層所吸收，只有不足2%能到達地球表面，在夏天和午后會特別強烈。UVB紫外線對人體具有紅斑作用，能促進體內礦物質代謝和維生素D的形成，但長期或過量照射會令皮膚曬黑，并引起紅腫脫皮。 UVC波段，波長200～275nm，又稱為短波滅菌紫外線。它的穿透能力最弱，無法穿透大部分的透明玻璃及塑料。日光中含有的短波紫外線幾乎被臭氧層完全吸收。短波紫外線對人體的傷害很大，短時間照射即可灼傷皮膚，長期或高強度照射還會造成皮膚癌。UVD波段，波長100～200nm，又稱為真空紫外線。由此可見，防止紫外線照射給人體造成的皮膚傷害，主要是防止紫外線UVB的照射；而防止UVA紫外線，則是為了避免皮膚曬黑。
2　紡織品的抗紫外線加工方法 
2•1　紡織品抗紫外線的機理
紫外線照射到織物上后部分被反射,部分被吸收,其余透過織物,因此，反射率和吸收率大,透過率就小,也即對紫外線的防護性好。紫外線的防護原理就是采用紫外線屏蔽劑或吸收劑對纖維、紗線或織物進行處理,從而紫外線的反射率和吸收率,達到防紫外線的目的。
2•2　提高紡織品抗紫外線的途徑
提高纖維和紡織品的抗紫線外性能的主要途徑為紡絲、織造和后整理,染色也能適當提高織物的防紫外線性能。
2•2•1抗紫外線纖維
合成纖維生產過程中,摻入紫外線屏蔽劑,用共混、芯硝等方法加入紡絲液中,使纖維具有遮蔽紫外線的功能。這種方法所得到的織物,抗紫外效果明顯,耐久性強,手感好,并能滿足服裝面料的要求。缺點是處理技術要求高,成本大,不易應用于天然纖維, 在混紡時效果難以控制。
2•2•2抗紫外線整理
(1) 常用工藝方法
纖維或紡織品的抗紫外線整理工藝與整理劑特點和產品的 最終用途有關。常用的工藝方法有:高溫高壓吸盡法,一些不溶 或難溶于水的紫外線吸收劑,可以采用類似于滌綸的高溫高壓 染色的方法;常壓吸盡法,一些水溶性的整理劑在處理羊毛、蠶 絲、棉以及錦綸紡織品時只需常壓下在水溶液中處理,類似水溶性染料染色;浸軋法,這種方法的缺點是,整理后會影響織物的風格、手感、吸水性和透氣性;涂層法,這種方法的缺點是,會影響耐洗牢度及手感,一般應用于裝飾用、產業用紡織品;印花法, 適合于對紫外線屏蔽劑要求不高的織物。
(2)微膠囊技術
微膠囊技術已廣泛應用于工業領域,它是一種特殊的包裝形式,膠囊內的物質可以是固體微粒、液體或氣泡。將紫外線吸收劑注入膠囊內,膠囊被吸附于服裝上,在服用過程中由于受到摩擦,膠囊外層破裂,達到防紫外整理劑緩釋的效果,可抵御長時間的紫外輻射。有研究發現,利用凝聚法與聚合法均可以得到合適的微膠囊產品,且后者具有更好的抗紫外性能;抗紫外線效果與抗紫外線微膠囊的用量有關,選擇合適的用量,整理織物后,布樣的UPF值可以達到澳大利亞標準,并有一定的耐洗滌牢度。
(3)溶膠凝膠技術
溶膠凝膠技術是指金屬烷氧基化合物作為前驅物在溫和條件下水解縮合成溶膠,經溶劑揮發或加熱處理使溶膠轉化為網狀結構的氧化物凝膠的過程。用二氧化硅或其它金屬氧化物納米溶膠處理織物,可在織物表面形成一層多孔結構的氧化物干凝膠膜,而原來的納米溶膠粒子形成三維網狀結構。納米溶膠易于進行化學或物理的改性,可大幅度地改善織物的服用性能, 使之多功能化,同時抗紫外性能優良。廣州紡織研究所陳曉光采用溶膠-凝膠技術,制備出鈦納米溶膠,對棉織物進行抗 紫外性能整理,不僅克服了無機納米粒子進行抗紫外整理時易聚集、與纖維結合力弱的缺點,而且經過鈦溶膠處理的棉織物的抗紫外性能顯著提高。
(4)泡沫法
泡沫整理工藝是20世紀70年代受中東石油危機的影響, 在歐美迅速發展起來的一種低給液、少污染的節能減少排的染整加工技術。泡沫整理工藝可替代常規浸軋工藝對織物進行抗紫外線整理。該工藝大大降低織物帶液率,節能降耗效果顯著,且提高生產車速、節約染化料和減少廢水排放,符合當今綠色染整發展方向。主要將經過泡沫抗紫外線整理工藝處理過的純棉府綢和經過常規浸軋法工藝處理后的棉氨彈力布織物質量進行了對比實驗,得到分別經過上述工藝整理后的織物, 抗紫外線效果顯著,紫外線透過率比處理前大大降低,紫外線防護系數(UPF值)與常規浸軋工藝接近,證明了采用泡沫整理工藝對織物進行抗紫外線整理可行性。
(5)納米光觸媒
根據紡織品抗紫外線機理,納米光觸媒主要作為紫外線反射劑(屏蔽劑),通過反射入射紫外線,達到抗紫外輻射的目的。 有研究者用鈦酸丁酯為前驅體,水為溶劑,冰乙酸為穩定劑,制 備穩定的光觸媒水溶膠,并將該水溶膠用于純棉織物后整理上, 研究發現用含0.9%溶膠整理后的純棉織物,對波長297 nm的 紫外線屏蔽率達到93%。東華大學研究人員將用特殊的配置 工藝制成納米光觸媒TiO2溶液,將其加入到涂層劑中,用來對 棉織物進行涂層整理,也得到了抗菌性能良好的抗紫外線織物。
3　紡織品抗紫外線性能的影響因素
3•1　纖維和織物
紡織品抗紫外線輻射性能首先決定于其纖維的化學結構即 纖維種類,其次是織物的組織結構、質量、厚度、緊密度、孔隙率、 纖維的粗細和形態結構等。聚酯纖維中的苯環和蛋白質分子中 的芳香族氨基酸,對于小于300 nm的光都有很大吸收性,所以 滌綸纖維和羊毛纖維對紫外線的透過率較低;棉纖維是各種纖 維中抗紫外效果最差的一種纖維,對棉織物抗紫外整理研究也 最多;粘膠纖維對紫外線輻射的透過率較高,蠶絲對紫外線輻射 的透過率居中。織物的各項物理參數影響抗紫外性能的一般規 律為纖維織物越厚,其抗紫外線輻射的性能越好;織物越緊抗紫 外能力越好;織物越重抗紫外能力越好;織物的色澤越深抗紫外 能力越好。
3•2　處理工藝
選擇不同的處理工藝也可以提高織物的抗紫外性能:如避 免前處理、取消熒光增白處理、選擇合適的染料、新工藝的應用 等。棉纖維在漂白過程中,會損失可以吸收紫外線的天然吸收 劑色素、木質素使UPF值會明顯降低。此外,在精煉過程中,棉 發生松弛與收縮,兩種過程綜合結果導致布面覆蓋系數增加, UPF值增大。對有縮水現象的織物(棉織物、絲織物和粘膠織 物),水洗后UPF值增大;蘇州大學鄭敏等人,用活性染料染 色、紫外吸收劑與納米TiO2共同處理竹纖維,突破了以前單一 使用紫外整理劑和染色劑。其抗紫外線效果最好,UPF達到 38,具有了非常好的紫外防護效果。利用大氣壓等離子體技術,對先浸漬整理劑VC-100E再經等離子體處理和先用等離子體處理再浸漬整理劑VC-100E的兩種棉 織物抗紫外線整工藝進行了對比實驗,經測試結果表明,先浸 整理劑VC-100E再經等離子體處理工藝整理的棉織物抗紫外線 性能較好而且織物手感柔軟、滑爽,斷裂強力及抗起毛起球性均得到了提高。
4　抗紫外線紡織品的研究進展和應用
4•1　研究進展
國際上抗紫外線紡織品始于90年代初,以澳大利亞為代表 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。日本在 開發抗紫外線織物中一直處于國際領先地位,相繼推出具有抗 紫外線輻射功能的運動服、襯衫、帽子和太陽傘等制品,受到廣 大消費者的青睞。
國內對抗紫外線紡織品的研究剛剛起步。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;上海交大的科研人員采用具有自主知識產權的納米氧化鈦 與聚酯原位聚合使材料的力學、熱學性能得到了較大提高,在 280~400 nm波段紫外線屏蔽率大于95%,紫外線透過率小于 3%[13~15];東華大學自主研發的功能雜化材料做成的衣服可以 屏蔽掉99.7%的紫外線,紫外線防護系數達50以上。
4•2　應用前景
4•2•1服裝方面
抗紫外輻射紡織品主要應用于夏季T恤、襯衣、女士裙裝、 運動服、遮陽帽、兒童服裝、戶外工作人員的工作服、用具等。由 于夏季紫外線照射強烈,開發抗紫外線夏季輕薄涼爽面料,市場 前景廣闊。例如:羊毛纖維通過提高精紡紗的比例和細度,或 用滌氨包芯紗生產“涼爽”呢絨,可以滿足夏季服裝輕、薄、爽的 要求。此外,在開發服用抗紫外線紡織品過程中,還應注重花 色、款式的更新,以適應多變的市場要求。
4•2•2家紡方面
抗紫外線紡織品在家紡中的窗簾布、各種裝飾布等上也有應用。
4•2•3產業方面
隨著全球氣溫上升,過度的紫外線照射不僅危害人體而且破壞織物。所以抗紫外線產品存在兩個方面的含義:既要保護人體又要保護織物,這也就意味著在那些長時間處于紫外線照 射及紫外輻射強烈地區(高原、沙漠等地)使用的產品:帳篷、遮 陽傘、戶外廣告布、篷布等也要進行抗紫外線整理。科技的發展 使抗紫外輻射紡織品在航空航天、建筑業、農業領域應用將更加 廣泛。 
5　展望
隨著紡織工業技術的發展和人們對紫外防護意識的增強, 抗紫外纖維紡織品應用前景廣闊,在服用和產業用方面都大有 用武之地。今后抗紫外線紡織品的研究點還將主要集中在對抗 紫外線纖維和新型抗紫外整理劑的開發,還有與其它功能整理 的結合。納米技術的發展與應用將使織物的抗紫外劑選用和抗 紫外整理技術更趨于完善。