抗紫外线纺织品及其发展现状

各国随着工业和技术的发展,工业废气排放增加导致大气层污染,臭氧层破坏。 之前人们认为是健康的日光浴,如今却成为威胁人类健康的无情杀手。臭氧层破坏,紫外线透过率增大,人类患皮肤病和皮肤癌机率增大。有专家预言,到本世纪中期,皮肤癌的发病率将跃居各类疾病之首,成为人类的头号杀手。因此人类正在大力研究紫外线辐射防护产品,如今抗紫外线化妆品、日用品销量激增,但它们防护能力和保护面积毕竟有限。因此,有必要利用保护面积更大、防护效果更好的纺织品来有效地阻挡对人体有害或过度紫外线。
1 紫外线简介
紫外线是电磁波谱中波长从10nm到400nm辐射的总称，不能引起人们的视觉。1801年德国物理学家里特发现在日光光谱的紫端外侧一段能够使含有溴化银的照相底片感光，因而发现了紫外线的存在。根据生物效应的不同，将紫外线按照波长划分为四个波段: UVA波段，波长320～400nm，又称为长波黑斑效应紫外线 。它有很强的穿透力，可以穿透大部分透明的玻璃以及塑料。日光中含有的长波紫外线有超过98%能穿透臭氧层和云层到达地球表面，UVA可以直达肌肤的真皮层，破坏弹性纤维和胶原蛋白纤维，将我们的皮肤晒黑。360nm波长的UVA紫外线符合昆虫类的趋光性反应曲线，可制作诱虫灯。UVB波段，波长275～320nm，又称为中波红斑效应紫外线。中等穿透力，它的波长较短的部分会被透明玻璃吸收，日光中含有的中波紫外线大部分被臭氧层所吸收，只有不足2%能到达地球表面，在夏天和午后会特别强烈。UVB紫外线对人体具有红斑作用，能促进体内矿物质代谢和维生素D的形成，但长期或过量照射会令皮肤晒黑，并引起红肿脱皮。 UVC波段，波长200～275nm，又称为短波灭菌紫外线。它的穿透能力最弱，无法穿透大部分的透明玻璃及塑料。日光中含有的短波紫外线几乎被臭氧层完全吸收。短波紫外线对人体的伤害很大，短时间照射即可灼伤皮肤，长期或高强度照射还会造成皮肤癌。UVD波段，波长100～200nm，又称为真空紫外线。由此可见，防止紫外线照射给人体造成的皮肤伤害，主要是防止紫外线UVB的照射；而防止UVA紫外线，则是为了避免皮肤晒黑。
2　纺织品的抗紫外线加工方法 
2•1　纺织品抗紫外线的机理
紫外线照射到织物上后部分被反射,部分被吸收,其余透过织物,因此，反射率和吸收率大,透过率就小,也即对紫外线的防护性好。紫外线的防护原理就是采用紫外线屏蔽剂或吸收剂对纤维、纱线或织物进行处理,从而紫外线的反射率和吸收率,达到防紫外线的目的。
2•2　提高纺织品抗紫外线的途径
提高纤维和纺织品的抗紫线外性能的主要途径为纺丝、织造和后整理,染色也能适当提高织物的防紫外线性能。
2•2•1抗紫外线纤维
合成纤维生产过程中,掺入紫外线屏蔽剂,用共混、芯硝等方法加入纺丝液中,使纤维具有遮蔽紫外线的功能。这种方法所得到的织物,抗紫外效果明显,耐久性强,手感好,并能满足服装面料的要求。缺点是处理技术要求高,成本大,不易应用于天然纤维, 在混纺时效果难以控制。
2•2•2抗紫外线整理
(1) 常用工艺方法
纤维或纺织品的抗紫外线整理工艺与整理剂特点和产品的 最终用途有关。常用的工艺方法有:高温高压吸尽法,一些不溶 或难溶于水的紫外线吸收剂,可以采用类似于涤纶的高温高压 染色的方法;常压吸尽法,一些水溶性的整理剂在处理羊毛、蚕 丝、棉以及锦纶纺织品时只需常压下在水溶液中处理,类似水溶性染料染色;浸轧法,这种方法的缺点是,整理后会影响织物的风格、手感、吸水性和透气性;涂层法,这种方法的缺点是,会影响耐洗牢度及手感,一般应用于装饰用、产业用纺织品;印花法, 适合于对紫外线屏蔽剂要求不高的织物。
(2)微胶囊技术
微胶囊技术已广泛应用于工业领域,它是一种特殊的包装形式,胶囊内的物质可以是固体微粒、液体或气泡。将紫外线吸收剂注入胶囊内,胶囊被吸附于服装上,在服用过程中由于受到摩擦,胶囊外层破裂,达到防紫外整理剂缓释的效果,可抵御长时间的紫外辐射。有研究发现,利用凝聚法与聚合法均可以得到合适的微胶囊产品,且后者具有更好的抗紫外性能;抗紫外线效果与抗紫外线微胶囊的用量有关,选择合适的用量,整理织物后,布样的UPF值可以达到澳大利亚标准,并有一定的耐洗涤牢度。
(3)溶胶凝胶技术
溶胶凝胶技术是指金属烷氧基化合物作为前驱物在温和条件下水解缩合成溶胶,经溶剂挥发或加热处理使溶胶转化为网状结构的氧化物凝胶的过程。用二氧化硅或其它金属氧化物纳米溶胶处理织物,可在织物表面形成一层多孔结构的氧化物干凝胶膜,而原来的纳米溶胶粒子形成三维网状结构。纳米溶胶易于进行化学或物理的改性,可大幅度地改善织物的服用性能, 使之多功能化,同时抗紫外性能优良。广州纺织研究所陈晓光采用溶胶-凝胶技术,制备出钛纳米溶胶,对棉织物进行抗 紫外性能整理,不仅克服了无机纳米粒子进行抗紫外整理时易聚集、与纤维结合力弱的缺点,而且经过钛溶胶处理的棉织物的抗紫外性能显著提高。
(4)泡沫法
泡沫整理工艺是20世纪70年代受中东石油危机的影响, 在欧美迅速发展起来的一种低给液、少污染的节能减少排的染整加工技术。泡沫整理工艺可替代常规浸轧工艺对织物进行抗紫外线整理。该工艺大大降低织物带液率,节能降耗效果显著,且提高生产车速、节约染化料和减少废水排放,符合当今绿色染整发展方向。主要将经过泡沫抗紫外线整理工艺处理过的纯棉府绸和经过常规浸轧法工艺处理后的棉氨弹力布织物质量进行了对比实验,得到分别经过上述工艺整理后的织物, 抗紫外线效果显著,紫外线透过率比处理前大大降低,紫外线防护系数(UPF值)与常规浸轧工艺接近,证明了采用泡沫整理工艺对织物进行抗紫外线整理可行性。
(5)纳米光触媒
根据纺织品抗紫外线机理,纳米光触媒主要作为紫外线反射剂(屏蔽剂),通过反射入射紫外线,达到抗紫外辐射的目的。 有研究者用钛酸丁酯为前驱体,水为溶剂,冰乙酸为稳定剂,制 备稳定的光触媒水溶胶,并将该水溶胶用于纯棉织物后整理上, 研究发现用含0.9%溶胶整理后的纯棉织物,对波长297 nm的 紫外线屏蔽率达到93%。东华大学研究人员将用特殊的配置 工艺制成纳米光触媒TiO2溶液,将其加入到涂层剂中,用来对 棉织物进行涂层整理,也得到了抗菌性能良好的抗紫外线织物。
3　纺织品抗紫外线性能的影响因素
3•1　纤维和织物
纺织品抗紫外线辐射性能首先决定于其纤维的化学结构即 纤维种类,其次是织物的组织结构、质量、厚度、紧密度、孔隙率、 纤维的粗细和形态结构等。聚酯纤维中的苯环和蛋白质分子中 的芳香族氨基酸,对于小于300 nm的光都有很大吸收性,所以 涤纶纤维和羊毛纤维对紫外线的透过率较低;棉纤维是各种纤 维中抗紫外效果最差的一种纤维,对棉织物抗紫外整理研究也 最多;粘胶纤维对紫外线辐射的透过率较高,蚕丝对紫外线辐射 的透过率居中。织物的各项物理参数影响抗紫外性能的一般规 律为纤维织物越厚,其抗紫外线辐射的性能越好;织物越紧抗紫 外能力越好;织物越重抗紫外能力越好;织物的色泽越深抗紫外 能力越好。
3•2　处理工艺
选择不同的处理工艺也可以提高织物的抗紫外性能:如避 免前处理、取消荧光增白处理、选择合适的染料、新工艺的应用 等。棉纤维在漂白过程中,会损失可以吸收紫外线的天然吸收 剂色素、木质素使UPF值会明显降低。此外,在精炼过程中,棉 发生松弛与收缩,两种过程综合结果导致布面覆盖系数增加, UPF值增大。对有缩水现象的织物(棉织物、丝织物和粘胶织 物),水洗后UPF值增大;苏州大学郑敏等人,用活性染料染 色、紫外吸收剂与纳米TiO2共同处理竹纤维,突破了以前单一 使用紫外整理剂和染色剂。其抗紫外线效果最好,UPF达到 38,具有了非常好的紫外防护效果。利用大气压等离子体技术,对先浸渍整理剂VC-100E再经等离子体处理和先用等离子体处理再浸渍整理剂VC-100E的两种棉 织物抗紫外线整工艺进行了对比实验,经测试结果表明,先浸 整理剂VC-100E再经等离子体处理工艺整理的棉织物抗紫外线 性能较好而且织物手感柔软、滑爽,断裂强力及抗起毛起球性均得到了提高。
4　抗紫外线纺织品的研究进展和应用
4•1　研究进展
国际上抗紫外线纺织品始于90年代初,以澳大利亚为代表 的地处低纬度、日照较强的国家,率先开发抗紫外线纺织品对人 体进行防护,并使抗紫外线纺织品进入了商品化阶段。日本在 开发抗紫外线织物中一直处于国际领先地位,相继推出具有抗 紫外线辐射功能的运动服、衬衫、帽子和太阳伞等制品,受到广 大消费者的青睐。
国内对抗紫外线纺织品的研究刚刚起步。东华大学化纤工 程研究中心研制出化纤级抗紫外线超微粉体和母粒;山东巨龙 化工公司将紫外线吸收剂和屏蔽剂合理配合,研制成功用于棉 织物的抗紫外线整理剂;厦门华普高技术产业有限公司开发的 纳米级陶瓷棉纺织品,同时具有抗紫外线、抗菌及远红外保温功 能;上海交大的科研人员采用具有自主知识产权的纳米氧化钛 与聚酯原位聚合使材料的力学、热学性能得到了较大提高,在 280~400 nm波段紫外线屏蔽率大于95%,紫外线透过率小于 3%[13~15];东华大学自主研发的功能杂化材料做成的衣服可以 屏蔽掉99.7%的紫外线,紫外线防护系数达50以上。
4•2　应用前景
4•2•1服装方面
抗紫外辐射纺织品主要应用于夏季T恤、衬衣、女士裙装、 运动服、遮阳帽、儿童服装、户外工作人员的工作服、用具等。由 于夏季紫外线照射强烈,开发抗紫外线夏季轻薄凉爽面料,市场 前景广阔。例如:羊毛纤维通过提高精纺纱的比例和细度,或 用涤氨包芯纱生产“凉爽”呢绒,可以满足夏季服装轻、薄、爽的 要求。此外,在开发服用抗紫外线纺织品过程中,还应注重花 色、款式的更新,以适应多变的市场要求。
4•2•2家纺方面
抗紫外线纺织品在家纺中的窗帘布、各种装饰布等上也有应用。
4•2•3产业方面
随着全球气温上升,过度的紫外线照射不仅危害人体而且破坏织物。所以抗紫外线产品存在两个方面的含义:既要保护人体又要保护织物,这也就意味着在那些长时间处于紫外线照 射及紫外辐射强烈地区(高原、沙漠等地)使用的产品:帐篷、遮 阳伞、户外广告布、篷布等也要进行抗紫外线整理。科技的发展 使抗紫外辐射纺织品在航空航天、建筑业、农业领域应用将更加 广泛。 
5　展望
随着纺织工业技术的发展和人们对紫外防护意识的增强, 抗紫外纤维纺织品应用前景广阔,在服用和产业用方面都大有 用武之地。今后抗紫外线纺织品的研究点还将主要集中在对抗 紫外线纤维和新型抗紫外整理剂的开发,还有与其它功能整理 的结合。纳米技术的发展与应用将使织物的抗紫外剂选用和抗 紫外整理技术更趋于完善。