衣料抗紫外线剂-针织品抗菌剂-防霉抗菌剂-排汗吸水剂-纺织助剂.doc

纺织品的抗紫外线整理

河北科技大学 轻化工程系  齐娟娟

摘要：本文系统地介绍了纺织品抗紫外线整理的作用原理及不同种类的抗紫外线整理剂。实验结果表明抗紫外线整理剂HTUV100具有优异耐久的紫外线吸收性能及紫外线遮断屏蔽效果，不影响织物的色光、强力和吸湿透气性，安全无毒，对皮肤无刺激，符合环保要求。

关键词：抗紫外线整理剂；HTUV100；抗紫外线测试；UPF

Ultraviolet Protective Finishing on Textile

QI JUAN-juan
Abstract: The principle of ultraviolet protective finishing on textile and kinds of ultraviolet protective agent are introduced in this article. Ultraviolet protective agent HTUV100 possesses excellent consistent function of UV absorbency and good effect of UV shield. Moreover, HTUV100 has no influence on luster、strength and moisture absorption of textile. HTUV100 achieves the standard of environmental protection, which is safe and harmless.
Key words: ultraviolet protective agent; HTUV100; ultraviolet protective test; UPF
1  前言
随着现代工业的发展，大气污染日趋严重。继1982年10月南极观测到同温层臭氧层厚度减少和臭氧层空洞存在以来，臭氧层厚度的破坏而导致的紫外线辐射问题已成为人们日益关注的焦点之一。
紫外线过度照射会引起人体色素沉积、皮肤老化干燥、增加皱纹、产生褐斑甚至导致细胞核中的脱氧核糖核酸（DNA）损伤，影响和失去修复功能而使皮肤发生癌变[1]。据分析，如果臭氧层水平降低1%，就能增加2%UV-B的透射量，皮肤癌的发生率会提高0.5～5%。统计表明：在1980～1996年间，全球皮肤癌患者翻了一番。因此对织物进行紫外线防护整理，特别是夏天衣服面料的紫外线防护整理，显得相当重要。
2  抗紫外线的原理
2.1  紫外线概述
紫外线(ultraviolet rays简称UV)分为长波紫外线(UV-A，320～400nm)、中波紫外线(UV-B，280～320nm)和短波紫外线(UV-C,200～280nm)。紫外线在日光中约占6%，其中UV-A的比例较大，UV-B比例较小，UV-B的作用是UV-A的1000倍。UV-A会透过表皮组织下面，使肌肉失去弹性，皮肤粗糙，造成皱纹；UV-B则有致皮肤癌问题，夏季红斑主要是由于UV- B的作用，皮下血管吸收紫外线B后会引起扩张，使皮肤变红、生产红斑，严重时会发生炎症，它同样也可以影响到皮下弹性纤维，使皮肤失去弹性，形成粗糙的皱纹；UB-C作为一种更强的紫外线，有一定的杀菌作用，但也对人体有害。
一般地讲，UV-C波长较短，在空气中已被吸收，不能达到地球表面，但由于近年来空气中含氟量的提高，到达地面的紫外线B和C也随之增加。据研究表明，适当的紫外线对人体是有益的：它能促进维生素D的合成，对佝偻病有抑制作用，并具有消毒杀菌作用。但过量的紫外线对人体是十分有害的，它不仅能使人体黑色素增多，使皮肤老化，严重的还会使皮肤起水泡、红斑，甚至会引起皮肤癌，还会促进白内障的生成并降低人体的免疫功能。另外，紫外线对纺织品也有不良影响，其不仅能使纺织品褪色，也可使蚕丝,尼龙和纤维素等纤维脆化，强力下降。
2.2  影响纺织品紫外线透过率的因素
紫外线的透过率取决于许多因素，比如纤维的品种、纤度、截断面、织物的组织结构、覆盖系数、颜色、在工艺加工中的化学添加剂和工艺参数等：
1)织物的组织和结构：织物的密度越大，紫外线的通过量越小。同一织物组织，紫外线防护性能随着织物的厚度和质量的增加而增加，基本上取决于织物的覆盖系数。覆盖系数或孔隙率为表征织物紧密度的指标，两者基本上为互补关系。在测试空隙率不同的防紫外线纯棉织物的UPF值的实验中发现，空隙率值由10％减小为2％，UPF值明显增大。这说明，由防紫外辐射性能较差的纤维（如棉、粘胶等）制成的织物，UPF值较低，孔隙率大小对其影响相对较小，但一旦经过防紫外线整理后，孔隙率对纤维防紫外辐射性能影响就变得非常明显。这说明对孔隙率小的薄型织物进行适当的防紫外线整理，是生产具有高UPF值轻薄面料的一种理想途径。
2)织物纤维的种类：不同的材料有不同的紫外线吸收性能。棉和粘胶织物紫外线的透过率均高；漂白的棉织物具有较大透过率；毛织物、丝织物具有较高的紫外线的吸收能力；涤纶，由于有芳香环结构，具有较高的紫外线吸收能力；具有消光剂的材料，较容易吸收紫外线；尼龙纤维相当容易通过紫外线的辐射。
3)织物的颜色及含湿量：一般来说，深颜色的具有较好的防护性能，例如，黑色具有较低的紫外线穿透率。湿衣物较干的衣物具有较低的紫外线透过率。
4)后整理：经抗紫外处理的织物，抗紫外性能会显著提高。未经紫外整理的服装，经缩水后也会改善它的抗紫外性能。
2.3  抗紫外线整理原理
紫外线辐射到织物上，部分在表面被反射，部分被织物吸收，其余的则透过织物。一般情况下，紫外线的透过率+反射率+吸收率=100%。因此，提高织物对紫外线的吸收率和反射率就可以降低紫外线的透过率[2]。
2.3.1  吸收整理
纺织品紫外线吸收整理的原理是在纤维、纱线或织物上添加紫外线吸收剂，这类物质能吸收紫外线，并将其转换为低能量的热能或波长较短的电磁波，从而达到防紫外线辐射的目的。
2.3.2  屏蔽整理
纺织品紫外线屏蔽整理的原理是在纤维、纱线或织物上添加对紫外线有较强的反射作用的无机涂料，增加表面对紫外线的反射和散射作用，以降低紫外线透过织物损害人体皮肤，其中没有光能的转化作用。
3  抗紫外线整理剂
3.1  抗紫外线整理剂的分类
抗紫外线整理剂可分为紫外线吸收剂和紫外线屏蔽剂。前者大多是有机化合物，后者则多为无机化合物。 
3.1.1  紫外线吸收剂 
1)二苯甲酮类化合物
这类化合物的紫外线吸收作用是依靠分子结构中酮式与烯醇式的转换，把吸收的光能转换成热能。该类紫外线吸收剂的分子结构中有多个羟基，对棉纤维有较高的吸附能力，可作为棉织物抗紫外线整理剂。把二苯甲酮类化合物磺化后，就具有酸性染料的性质，可用于丝绸的抗紫外线整理剂。 
2)苯并三唑类化合物
这类化合物中如2-(2′-羟基-3′-特丁基-5′-甲基苯基)-5-氯-苯并三唑等，因为水溶性低，结构与分散染料相近，又有一定的升华牢度，可作为涤纶高温高压同浴染色时作紫外线防护整理。但苯并三唑类化合物在420nm附近略有吸收，会引起一些色光改变。
3)反应性紫外线吸收剂
Herst International Group（赫特集团）开发的防紫外线整理剂HTUV150，可与纤维素上的羟基或聚酰胺纤维上的氨基发生反应，耐洗牢度较好。整理后织物的外观、手感及吸湿透气性无变化。
4)脂肪族多元醇类化合物
日本Shiibo公司产品[RICAKGUARD]是用这种化合物整理的织物。据报道，经整理后织物的UV透过率仅为1.6%，洗涤30次后UV透过率也只有3.4%。它可用于棉及涤/棉织物。经整理后的织物色牢度、透气性、和吸湿性可保持不变。
3.1.2  紫外线屏蔽剂　 
紫外线屏蔽剂大都是一些折射率较高的金属氧化物如氧化锌、二氧化钛等。氧化锌的折射率是1.9，二氧化钛则高达2.6。氧化锌由于折射率相对较低，因此涂布在织物上后的漫射率也低，透明度也就高一点。日本住友水泥公司开发了超细氧化锌粒子(n-100,n-200)。粒子为六方晶系，由于结晶度高，比表面能小，所以易于分散。它可以单分散状态吸附在织物上，有较高的透明性。北京服装学院曾测试过经氧化锌处理的织物，其紫外线屏蔽率可达89%。经二氧化钛处理的织物，紫外线屏蔽率为84.5%，经五次洗涤后仍有83.6%。 
由于无机紫外线屏蔽剂耐热耐氧化，因此可掺入聚酯母粒，纺成防紫外线纤维。日本可乐丽公司产品“埃斯莫”纤维即为一例。日本东海染工的[ナウル NEW]估计亦为纳米级的氧化锌或氧化钛类屏蔽剂。
3.2  防紫外线整理产品的安全性 
3.2.1  防紫外线效果
防紫外线效果测试结果表示方法有紫外线防护系数(UPF)和紫外线透过率(T(UV-A)AV，T(UV-B)AV)两种。
紫外线防护系数UPF(Ultraviolet Protection Factor)(又称紫外线遮挡系数)是表示织物防护紫外线的能力。它是紫外线对未防护的皮肤的平均辐射量与要经测试的织物遮挡后紫外线辐射量的比值。UPF的数值及防护等级见下表：
UPF、 T(UV-A)AV、T(UV-B)AV的计算如式(1)～(4)。
其中,     Eλ：形成红斑的紫外线光谱能量(CIE J.6：17—22，1987)
Sλ：太阳光谱辐射能(W.M -2.nm -1)
Tλ：波长为λ时的紫外线透过率
△λ：紫外线光波长度间距(nm) 
λ：紫外线光波波长(nm)
N：样品数量
T(UV-A)AV：UV-A波段的紫外线透过率
T(UV-B)AV：UV-B波段的紫外线透过率 
3.2.2  防紫外线整理产品的安全性 
由于防紫外线整理织物以制作夏天服装为多，因此会直接与人体皮肤接触。为此必须加强对抗紫外线整理剂的皮肤过敏试验，急性毒性试验以及致畸试验等一系列安全检测，以确保产品对人类安全，对环境友好。
3.3  抗紫外线整理剂的选择
纺织品要达到抗紫外线的目的，可采用TiO2粉、陶瓷粉等反光性强的物质对织物进行后整理加工，提高织物对紫外线的反射和散射的能力；或采用紫外线吸收剂对织物进行后整理加工，提高织物对紫外线的吸收能力；也可以将这两类物质混合后处理织物，使它们对紫外线既有反射和散射作用又具有吸收作用。
由于无机紫外线屏蔽剂严重影响织物的透气性和手感，目前市场上大量使用的防紫外线剂是紫外线吸收剂。适宜于纺织品应用的紫外线吸收剂应具有的条件：⑴吸收紫外线的波长范围要宽，吸收系数要大，尽可能吸收280~400nm，并且吸收稳定；⑵对纺织品无光催化现象，不影响织物的色泽、白度和色牢度；⑶产品安全无毒，无刺激性等有害气味，对人体皮肤无过敏反应；⑷与其它化学品兼容性好，具有一定的耐洗涤性能。
4  抗紫外线整理工艺实践
4.1  抗紫外线整理剂选择
抗紫外线整理剂HTUV100由Herst International Group（赫特集团）生产，它可用于棉、丝、毛、涤纶、锦纶及其混纺织物的高效持久型防紫外线整理及提高部分染料的日晒牢度；提高运动服、沙滩装、游泳衣、休闲服（T恤、衬衣、帽等）、职业装及帐篷、遮阳伞、窗帘等的紫外线屏蔽性能。
HTUV100的基本性状（见下表）
组    分
三氮杂苯衍生物高效紫外线吸收材料
外    观
淡黄色液体
离 子 性
非离子
pH    值
约为7
溶 解 性
可与水混溶
稳 定 性
在硬水中，pH值在5~8的酸、碱溶液中稳定，使用方便
相 容 性
可与阴离子及阳离子产品一起安全使用
HTUV100具有以下特点：
1）高分子型之紫外线吸收剂，具有优异耐久的紫外线吸收性能及紫外线遮断屏蔽效果，对180～400nm波段的紫外线有良好的吸收转化、反射和散射作用。
2）用量小，作用高效持久，在适当结构纺织品上有高的UPF值。
3）与纤维的亲和性高，热稳定性好，适用于各种工艺，能最大程度地屏蔽紫外线
4）反应型产品，可与纤维持久链接，有极高的耐水洗和光稳定性，经重复洗熨及强烈紫外线照射后效果均不下降。
5）产品通用性好，使用方便。适用于整理、涂层、印花、喷涂以及高温吸尽法、浸轧法工艺。
4.2  抗紫外线整理工艺筛选
4.2.1  工艺配方
试验表明对于T40/C60 45x45  110x76织物采用以下配方即可达到良好的防紫外线效果。
抗紫外线整理剂HTUV100    30g/L
交联剂AF6900             30g/L
4.2.2  工艺流程
浸轧防紫外线溶液（轧余率70%～80%）→烘干（90%～110℃）→高温拉幅（170～190℃×30s）
4.3  检验结果及讨论
4.3.1  防紫外线性能检验
采用GB/T 18830-2002 《纺织品防紫外线性能的评定》检验，HTUV100防紫外线织物具有优异的抗紫外线性能，其检验样品防紫外线性能指标见下表：
检验项目（防紫外线性能）
防紫外线织物    防紫外线织物（洗涤50次后）
日光紫外线（UVA）透射率（%）
     0.7                 0.2
日光紫外线（UVB）透射率（%）
     0.1                 0.1
UPF平均值
     485                 856
紫外线防护系数UPF
     〉50                〉50
4.3.2  甲醛含量的测定
采用GB/T2912.1纺织品甲醛的测定,抗紫外线整理剂HTUV100整理织物的甲醛含量是10mg/kg，完全符合GBl8401-2001《纺织品甲醛含量的限定》国家强制性标准规定。
4.3.3  对皮肤刺激性
将10只日本大耳标准实验用兔的脊柱两侧毛分别剪掉，将4%抗紫外线整理剂HTUV100应用液涂在纱布上，敷贴在右侧暴露的皮肤上。24h后观察敷贴部位皮肤，均末出现红斑和水肿等刺激症状，根据皮肤刺激强度分级标准，该抗紫外线整理剂应用液对皮肤属无刺激物质。
4.3.4  经口急性毒性
取4%抗紫外线整理剂HTUV100应用液对40只空腹16h的昆明种标准小白鼠一次性经口灌胃，4%抗紫外线整理剂HTUV100剂量l0000mg/kg，每天观察动物的中毒表现，十天结束实验，各组实验动物在整个实验过程中，无任何中毒表现，饮食和运动均正常，无一只动物死亡。根据急性毒性分级标准，该4%抗紫外线整理剂应用液实属实际无毒物质。
5  结论
5.1  UPF值受到纤维和织物的种类、规格等以及紫外线吸收剂等影响。所选用的织物需满足一定的物理参数才能保证对紫外线有足够的屏蔽作用。为最大限度减少阳光穿透织物而照射皮肤，孔隙度（单位面积孔隙的数量）应小于2%。
5.2  经抗紫外线整理剂HTUV100处理后织物对180～400nm波段的紫外线，特别是UV-A和UV-B有良好的吸收作用，洗涤50次后UPF值仍为50+，并且不影响织物色光、强力和吸湿透气性。
5.3  抗紫外线整理剂HTUV100安全无毒，对皮肤无刺激，符合环保要求。
参考文献：
[1]  朱锡林，华载文.可呼吸及防紫外线多功能涂层织物.第六届全国印染后整理学术研讨会论文集，2005，11：365～368.
[2]  张永久，冯爱芬.棉织物抗紫外线整理.第六届全国印染后整理学术研讨会论文集，2005，11：361～364.
[3]  唐增荣，蔡秀平.抗紫外线柔软整理剂UVS的研制和应用.第六届全国印染后整理学术研讨会论文集，2005，11：357～360.