太阳伞防紫外线的原理46
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发布时间：2023-10-23 04:08
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时间：2024-11-23 21:25
第一种途径是通过加工涂层实现抗紫外线能力。目前我们国内多数太阳伞使用这种途径。
第二种途径是也是涂层。不过这种涂层是无色的，既可以达到抗紫外性能又美观伞布的美观，这种技术在欧美国家相对成熟，用的较多。
第三种途径是在伞布里面融入一些有抗紫外线性能的物质达到抗紫外线的效果。
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时间：2024-11-23 21:25
李昕 天津工业大学(300160)
原载：《染整科技》2003/No.4;4-11
[摘要]紫外线对人体的辐射危害已引起了世界各国的高度重视。本文阐述了纺织品防紫外线辐射的机理，影响纺织品防紫外线辐射功能的因素，紫外线屏蔽剂，提高纺织品防紫外线辐射功能的途径及防紫外线辐射效果的评价方法，并介绍了国内外防紫外线辐射纺织品的发展动态。
[关键词]紫外线机理 屏蔽剂 整理评价 发展动态
1 前言
上世纪20年代以来，由于碳氟系溶剂和氟利昂的大量使用，地球大气层中臭氧层遭到严重破坏，使到达地球表面的紫外线不断增加。紫外线是波长200-40Onm电磁波，波长400-32Onm区域称UV-A;波长320-28Onm区域称UV-B;波长
280-200nm的区域称UV-C。UV-C波长较短，在空气中己被吸收，不能到达地球表面。紫外线在日光中约占6%，其中UV-A比例较大，UV-B比例较小。UV-A会透过表皮组织，使肌肉失去弹性，皮肤粗糙，形成皱纹。UV-B则和致癌物质有联系。因此要能有效地屏蔽UV-B和UV-A中短波长部分。
一般来讲，适量的紫外线辐射具有杀菌作用并能促进维生素D的合成，有利于人体健康。但在烈日持续照射下，人体皮肤会失去抵御能力，易发生灼伤，出现红斑或水泡。过量的紫外线照射还会诱发皮肤病(如皮炎、色素干皮症)，甚至皮肤癌，促进白内障的生成并降低人体的免疫功能。有资料显示，臭氧层每减少1%，紫外线辐射强度就增大2%，患皮肤癌的可能性将提高3%。因此，为了保护人体避免过量紫外线辐射，纺织品防紫外线辐射整理已刻不容缓。
2 国内外抗紫外线纺织品发展动态
最早开发的防紫外线商品是防紫外线化妆品。90年代后，防紫外线织物骤然兴起，其中以日本公司最为突出，他们相继推出具有防紫外线辐射功能的运动服、衬衫、长筒袜、帽子和太阳伞等制品，受到广大消费者的青睬。以澳大利亚为例的地处低纬度、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。他们通常采用添加抗紫外线整理剂和紫外线屏蔽剂的方法。另外，也有将紫外线吸收剂和反射剂同时应用在织物上，以使对紫外线的防护效果更为优越，如尤尼卡公司的托纳多UV先将含有特殊陶瓷粉的聚酯长丝制成织物，再以紫外线吸收剂进行处理，所得织物的紫外线屏蔽率高达97%。此外，还有将纳米技术应用到抗紫外线纺织品中，如利用纳米粉体的量子尺寸效应，使其对某种波长的光吸收带有"蓝移现象"和对各种波长的吸收有"宽化现象"，导致对紫外光的吸收效果显著增强，保证产品的紫外线屏蔽效果。当前，最常用的几种吸收紫外线的纳米材料有:30-4Onm的TiO2它对400nm以下的紫外线有极强的吸收能力;A1203纳米粉体对波长250nm以下的紫外线有很强的吸收能力;SiO2对波长40Onm以下的紫外线反射率高达95%。
目前，国内对抗紫外线纺织品的研究才刚刚起步。天津石化公司研究所用陶瓷粉研制出了抗紫外线涤纶短纤维和网络低弹丝;上海化纤十一厂开发了抗紫外线涤纶短纤维;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;西安华捷科技发展公司采用超微粉材料掺入纤维制成的服装，能吸收、隔离95%以上的紫外线，有效地阻止其对人体的伤害。
3 纺织品防紫外线辐射整理机理
纺织品防紫外线辐射整理的机理，是在纺织品上施加一种能反射和，或有强烈选择性吸收紫外线，并能进行能量转换，以热能或其他无害低能辐射，将能量释放或消耗的物质。施加这些物质后的纺织品，对织物各项服用性无不良影响，并达到使用要求。因此，纺织品防紫外线辐射整理与高分子的耐光稳定性有相似之处。不过，耐光性是保护高分子化合物，防紫外线照射后引起的自动氧化，导致聚合物的降解，使外观和结构性能变化;而防紫外线辐射整理是防护人体免使过量的紫外线照射引起的伤害。
从光学原理上讲，光射到物体上，有一部分在表面反射，部分被物体吸收，其余的则透过物体。可是，经防紫外线辐射整理的织物，光射到织物上，一部分通过织物的间隙透过织物，织物上的紫外线屏蔽剂不是将紫外线反射，就是选择性吸收并将其能量转换成低能而释放，以致将紫外线遮蔽。
4 纺织品防紫外线辐射功能的影响因素
织物防紫外线的能力，主要取决于织物本身的屏蔽紫外线的能力。织物通常具有比较复杂的表面，它们除了吸收光之外，还有散射和反射光线的作用。而散射和反射作用则因单纤维表面形态、织物组织规格、色泽深浅差异和印染后整理方法不同而有显著的变化。因此，研究纺织品防紫外线辐射性能时，要综合考虑各种因素。
4·1纤维种类
纤维种类不同，其紫外线透过率、紫外线防护系数(UPF)也不同。聚酯、羊毛纤维等比棉、粘胶纤维的紫外线透过率低、紫外线防护系数小。因聚酯结构中的苯环和羊毛蛋白质分子中的芳香族氨基酸，对小于300nm 的光都具有很大的吸收性。所以具有防紫外线功能的毛、麻类、蚕丝、涤纶、防紫外化纤等作为首选原料。而棉织物防紫外线的能力相对较差，是紫外线最易透过的面料。因此，对棉织物进行防紫外线辐射整理最为迫切。
表1 不同纤维未染织物的UPF值
纤维种类
织物类型
厚度(mm)
克重(g/m2)
UPF值
棉
府绸(未漂)
0.18
107
6
棉
府级(漂白)
0.22
110
2
麻
平布
0.14
89
18
蚕丝
缎纹绉
0.20
84
6
毛
试验织物
0.28
125
24
涤纶
试验织物
0.29
165
13
粘胶
试验织物
0.11
92
4
4.2 织物结构
织物结构决定了织物的几何形态和它的多孔结构。织物结构包括厚度、紧密度(覆盖系数或空隙率)等。紧密的结构需要大量的经纬纱，覆盖系数大，UV透射率低，防护作用就大。稀松织物的覆盖系数低，光线不易受到遮蔽，其防护作用就小。紫外线防护系数(UPF)随着织物的密度而增加。对于织物重量较重的厚重织物也有相似的情况。
表2 织物参数与紫外线透射率
纤维种类
经纬密度(根/英吋)
厚度(英吋)
紧度(%)
覆盖度(%)
透射率(%)
棉
147
0.011
20.7
88.8
25.1
粘胶
155
0.010
19.4
86.0
27.3
尼龙
163
0.009
18.2
89.2
24.1
毛
101
0.022
20.6
93.1
8.6
丝
179
0.010
18.6
90.0
14.6
涤纶
146
0.009
17.9
79.5
23.2
4.3织物色泽
织物上的染料对织物紫外线透过率有相当大的影响。这是由于为得到某一色泽，染料必须选择性地吸收可见光辐射，而有些染料的吸收带伸展到紫外光谱区域，因此它起着紫外线吸收剂的作用。一般来说，随着纺织品色泽的加深，织物紫外线透过率随之减少，防紫外线辐射性能提高。此外，化学纤维的消光处理也影响其紫外线透过率。不同染料与紫外线透过率的关系见表3。
表3 不同染料与紫外线透射率的关系
染料
0.5%owf染浴
1.0%owf染浴
吸尽率(%)
透射率(%)
吸尽率(%)
透射率(%)
直接黄12
60
13.1
58
18.6
直接黄28
80
19.9
86
29.3
直接黄44
58
18.4
61
28.6
直接黄l06
68
19.3
58
27.6
直接红24
80
27.6
74
37.1
直接红28
88
38.7
89
50.7
直接红80
74
17.3
73
24.7
直接紫9
80
20.9
75
28.8
直接蓝1
76
21.5
70
30.2
直接蓝86
36
16.2
33
18.6
直接蓝218
68
13.1
67
19.0
直接绿26
72
22.3
65
29.2
直接棕154
82
22.8
80
30.6
直接黑38
76
29.8
77
40.3
4.4 织物印染后整理方法
抗紫外线后整理的方式与产品的最终用途有关。作为服装面料，考虑到夏季穿着时对柔软性和舒适性的要求，对于涤纶、氨纶等合成纤维织物，可选择适当的紫外线吸收剂，并与分散性染料一起，进行高温高压染色，使紫外线吸收剂分子融入纤维内部;对于棉、麻类织物，可用浸轧法，经烘干和热处理后，将紫外线吸收剂固着在织物表面。对于装饰用、产业用纺织品，可选用涂料印花或涂层法，将具有抗紫外线效果的反光陶瓷材料粘合剂涂印在织物表面，形成一层防护薄膜;也可用紫外线屏蔽剂或紫外线吸收剂对织物表面进行精密涂层，经烘干和热处理后，在织物表面形成一层薄膜。涂层剂可选用PVC、PA、PU等，也可与陶瓷微粉共混涂层。此外，应用纳米技术及微胶囊技术，也可增强织物的抗紫外线功能。不同织物抗紫外线整理前后的紫外线透射率见表4。
表4 不同织物整理前后的紫外线透射
布样
针织物
平纹织物
斜纹织物
缎纹织物
整理前
整理后
整理前
整理后
整理前
整理后
整理前
整理后
透射率（%）
18.64
11.43
18.65
0.04
15.70
0.01
6.84
0.01
4·5其他因素
纺织品防紫外线辐射性能的一般规律:短纤织物优于长丝织物;加工丝产品优于化纤原丝产品，细纤维织物比粗纤维织物好;扁平异型化纤织物优于圆型截面化纤织物;机织物优于针织物。
5 紫外线屏蔽剂
所谓紫外线屏蔽剂，即具有吸收或反射紫外线作用的物质。紫外线屏蔽剂可分为无机和有机两类化合物。
5.1 无机类紫外线屏蔽剂
无机类紫外线屏蔽剂，也称紫外线反射剂，主要通过对入射紫外线反射或折射，而达到防紫外线辐射的目的。它们没有光能的转化作用，只是利用陶瓷或金属氧化物等细粉与纤维或织物结合，增加织物表面对紫外线反射和散射作用，以防止紫外线透过织物而损害人体皮肤。这些粉末包括高岭土、碳酸钙、滑石粉、氧化铁、氧化锌、氧化亚铅等。经试验，在310-370nm波长区，对紫外线的反射或防护效果，以氧化锌和氧化亚铅为好，二氧化铁和高岭土也有一定的作用。这些无机组分与有机类紫外线屏蔽剂相比有一定优点，除耐光与防紫外线比较优越外，耐热性能也比较突出。特别是氧化锌还具有抗菌防臭功能。
5.2 有机类紫外线屏蔽剂
有机类紫外线屏蔽剂，也称紫外线吸收剂，主要是吸收紫外线并进行能量转换，将紫外线变成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。作为纺织品用的紫外线吸收剂应具有:
(1)安全无毒，特别对皮肤应无刺激和过敏反应;
(2)吸收紫外线范围广和效果良好;
(3)对热、光和化学品稳定，无光催化作用;
(4)吸收紫外线后无变色现象;
(5)不影响或少影响纺织品的色牢度、白度、强力和手感等;
(6)耐常用溶剂和耐洗性良好。
国内外紫外线吸收剂品种很多，常用的第一代产品有水杨酸酯类化合物、金属离子整合物、薄荷酯类、苯并*类和二苯甲酮类等。这些紫外线吸收剂没有反应性官能团，不易固着，很易扩散。第二代吸收剂包括瑞士汽巴嘉基公司开发的邻-羟基苯-二苯基*的衍生物，是一种阳离子自分散型配方，可用于高温染色、轧染、印花等，有优良的升华牢度和热固着性能。瑞士科莱恩公司开发的Rayosan 系列可与纤维素纤维上的羟基和聚酰胺上的氨基反应，不改变织物外观、手感、透气性，也有耐光和耐水洗牢度。
紫外线吸收剂可使紫外线能量转化为光、热等形式释放，在一定程度上是稳定的，但长时间、大剂量的紫外线照射会引起吸收剂分子分解。因此，为提高整理效果的耐久性，通常可采用微胶囊技术，将吸收剂装入微胶囊中，对织物进行后整理。
总之，对紫外线屏蔽剂的研究应注重于提高织物的防紫外线辐射性能及耐久性，适用于各种不同纤维原料的织物，不影响织物的柔软度、色牢度及强力，并尽量保证整理剂本身及对人体、织物、环境不产生危害和污染。还应研究整理剂浓度与不同织物品种之间的一般规律，加强加工工艺研究，在满足纺织品的防紫外性能指标要求的基础上，尽可能地降低生产成本。
6 提高纺织品防紫外线辐射功能的途径
为减少紫外线对皮肤的伤害，必须减少紫外线透过织物的量。而减少紫外线的透过量主要有以下三种途径。
6·1防紫外线纤维
主要指在合成纤维生产过程中，掺入紫外线屏蔽剂，用共混和芯鞘等方法纺丝，使纤维具有遮蔽紫外线的功能。这种方法所得到的织物效果持久且手感较好，但对处理技术要求高，成本大，且有不易用于天然纤维及在混纺时效果难以控制等弱点。
日本可乐丽公司于90年代初首家推出具有防紫外线功能的"Esmo"纤维，即在PET聚合物熔体中均匀掺入细陶瓷粉末纺制成涤纶纤维。近年来，发现将特殊结构的陶瓷超细微粒混入纤维内制成的纤维，不仅能屏紫外线，又有隔热作用(即反射可见光和红外线)。
6·2 防紫外线辐射整理
纺织品防紫外线辐射整理的整理工艺与其最终用途有关，其整理工艺大致有以下四种:
6·2·1高温高压吸尽法
对涤纶、耐纶等合成纤维织物的紫外线屏蔽整理，可以与分散性染料高温高压染色时同浴进行。这时紫外线吸收剂分子溶入纤维内部，只要选择合适的(包括皮肤毒性低)紫外线吸收剂就可以。
6·2·2 常压吸尽法
对于一些水溶性的吸收剂处理羊毛、蚕丝、棉以及锦纶纺织品，则只需在常压下于其水溶液中处理，类似水溶性染料染色。有些吸收剂也可以采用和染料同浴进行一浴法染色整理加工。
6·2·3浸轧法
由于紫外线屏蔽剂大多不溶于水，又对棉、麻等天然纤维缺乏亲和力，因此不能用吸尽法，而采用与树脂(或粘合剂)同浴，将屏蔽剂固着在织物(纤维)表面。浸轧液由紫外线屏蔽剂、树脂、柔软剂等组成。但经干热处理后，织物上孔眼易被树脂(粘合剂)所覆盖，会影响整理织物的风格、吸水性和透气性。
6·2·4 涂层法
一般在涂层剂中加入适量紫外线屏蔽剂，藉涂布器(如悬浮刮刀、圆网等)在织物表面进行涂层，然后经烘干及必要的热处理，在织物表面形成一层薄膜。这类方法虽使耐洗牢度及手感受到影响，但对纤维种类的适用性广，处理成本低，对应用的技术和设备要求不高。涂层法使用的紫外线屏蔽剂，大多是一些高折射的无机化合物，它们吸收紫外线效果与其颗粒大小有关。
由于紫外线屏蔽剂几乎不溶于水，如把屏蔽剂溶于非水溶剂中进行整理加工，不仅操作不便，而且污染环境，一般大多采用对紫外线屏蔽剂进行乳化处理，使屏蔽剂均匀分散于水相中，并能较稳定保持紫外线屏蔽作用，对织物进行整理;或通过改变紫外线屏蔽剂分子结构，从而赋予屏蔽剂以水溶性，但由于母体分子结构小，影响了整理剂结构，提高了成本。
6·3 防紫外线纤维与织物后整理相结合
紫外线吸收剂与紫外线反射剂在纤维或织物上同时应用，则可以增效，防护效果更为优越，如尤尼卡公司的托纳多UV先用含特殊陶瓷粉的聚酯长丝制成织物，再以紫外线吸收剂进行后整理，所得织物的紫外线屏蔽率达90%以上。
7 防紫外线辐射整理纺织品性能的效果评价
目前，防紫外线织物国际上尚无统一的测试方法和标准，常用的测试方法有以下4种:
7·1紫外分光光度计法
用紫外分光光度计法或紫外线强度计测定各种防紫外线试样的分光透过率曲线，可以判断各波长的透过率，并可用面积比求出某一紫外线区域的平均透过率，评价防护效果。但这种方法有其不完善之处。因此纤维织物大都呈半透明状，表面凹凸不平，因此光在织物中透过情况较复杂，除部分光被材料吸收外，还有光的折射和反射，折射反射量和单纤维的表面形态、织物组织结构和厚度密切相关，因而测出的透过率偏低。只有采用较完善的测试手段，如使用有积分球捕集装置或乳白玻璃消除扩散法，以及用END-ON型光电倍增管的分光光度计将所有方向的光加以捕集，才有可能获得准确值。
织物经整理后，防紫外线福射的效果比原织物有所改进，因此除测定绝对值外，一般还可作空白试验，用以相对比较其紫外线透过的降低百分率，表示整理织物的防紫外线效果。
7·2 皮肤直接照射法
在同一皮肤相近部位，以一块或几块织物覆盖皮肤，用紫外线直接照射，记录和比较出现的时间以进行评定。
测定阳光防晒因素(Sun Protection Factor)。为适应防护紫外线辐射的严格科学意义，现已逐渐改用紫外线辐射防护系列UPF(Ultra violet protection Factor)，它指防护品被采用后，紫外辐射使皮肤达到出现红斑的临界剂量所需时间和不用防护品时达到同等伤害程度的时间值之比。根据UPF的测量结果评价织物抗紫外线辐射的防护效果。UPF值越大，即表示防护效果越好。(见表5)
表5
UPF范围
防护等级(Protection Category)
15-24
防护效果良好(Good Protection)
25-39
防护效果很好(Very Good Protection)
40-50，50+
防护效果极佳(Excellent Protection)
7·3 变色褪色法
利用光敏染料染色的基布，放在标准紫外光光源下，上面覆盖待测织物，开启光源，光照一定时间后，然后观察覆盖物下面光敏染料染色基布的颜色变化情况，颜色变化越小，说明待测织物阻隔紫外线的效果越好。
7·4 紫外线强度累计法
利用紫外光照射放在紫外线强度累计仪上的织物，按给定时间照射，测定出通过织物的紫外线累计量，然后进行计算。对于防紫外线织物质量的评价指标，现在采用紫外线遮蔽率较多。紫外线屏蔽率是目前国内产品区分防紫外线效果好坏的标准。*:紫外线屏蔽率大于90%;B级:紫外线屏蔽率80%-90%;C级:紫外线屏蔽率50%-80%。一般应选*为宜。屏蔽率是以280-400nm波长范围内的透过率积分值求得的。此外，由于防紫外线整理织物主要是制作夏天服装，与人体皮肤直接接触，因此必须加强对防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，确保产品对人类安全，对环境无害。
8 展望
加入WTO之后，我国纺织企业不可避免地参与到国际竞争中。要想在激烈的市场竞争中取胜，就要在产品质量、档次、功能性、保健性、环保型等诸多方面进行研究，全面提升我国纺织品的水平，提高产品附加值。
纺织品的防紫外线整理应充分利用我国各种资源丰富的优势，采用高科技进行原料和纺纱研究，从原料的选择、织物结构、织物色泽和后整理技术上综合考虑，以提高织物防紫外线的性能。研制开发新型环保的具有反应活性的整理剂，以提高整理后织物防护性能的耐久性，并且不会造成对人体和环境的危害。开发应用上，在织物防紫外线功能基础上可结合抗菌、远红外保温等进行多功能复合整理，提高产品的附加值。大力开发服装、装饰、产业用防紫外线产品。应大力开发夏季针织、机织的内、外衣服装、泳装、袜子、太阳帽、遮阳伞、运动服装等。还应开拓产业用纺织品市场如农业、建筑业等户外施工、工作人员的工作服、帽，交通*的*、军服、军用防护品，工农业、商业用遮阳蓬盖布等。
这类纺织品如果能有的放矢地形成自己的特点，应用范围非常广阔，而且批量大，效益好。
防紫外线纺织品的国内外市场潜力是巨大的，追踪国内外先进技术研究，坚持开发新产品，必定会形成新的经济增长点。
参考资料：http://www.fzxk.com/1300/1302-rzkj/kj6.htm
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时间：2024-11-23 21:26
