紡織品的抗紫外線整理

2016-07-18上海工程技術大學服裝學院 錢如山 朱傳龍 等

摘要： 從織物的纖維種類和結構對織物抗紫外性能的影響，綜述了臭氧層被氟氯烷烴破壞的機理及對人體的傷害。綜合分析目前織物抗紫外線整理存在的不足，提出了納米抗紫外線是抗紫外整理的研究方向。

關鍵詞：臭氧? 織物? 抗紫外? 整理劑

1 引言

1801年德國物理學家里特發(fā)現(xiàn)紫外線以來，人們對于紫外線的認識與研究已有兩個多世紀。紫外線來自太陽輻射的一種電磁射線，國際照明委員會C.I.E將紫外光譜區(qū)分為三個不同波段，根據(jù)紫外線波長可分為：近紫外線LNA (315-400nm)，遠紫外線UVB (280-315nm)和超短紫外線LNC (100-280)。太陽光中波長在300nm以下的電磁波幾乎被大氣中的臭氧吸收，很難到達地面。因此，到達地面大多數(shù)是近紫外線和遠紫外線。適量照射紫外線對身體有好處，有助于人體吸收鈣，加強人體非特異性免疫功能和機體防御能力、促進體內某些激素的分泌功能等。但是受到過量的紫外線照射則會引起身體不適，甚至會患上很多疾病。大量動物實驗表明：UV-B紫外線輻射能損壞眼角膜和晶狀體，導致眼睛渾濁。也有研究表明：紫外線輻射能夠擾亂人體的免疫系統(tǒng)（如使人產(chǎn)生黑色素），免疫受到抑制，結核、單純皰疹等疾病惡化或增加。

? ? 過量的紫外線特別會對皮膚造成嚴重的傷害。紫外線的波長愈短，對人類皮膚危害越大。短波紫外線可穿過真皮，中波則可進入真皮。過量的紫外線能使皮膚細胞中的DNA受損引起曬斑，產(chǎn)生色素沉著，如果表皮細胞DNA損傷增多，超過了其修復能力，會使皮膚致癌。

近年來，隨著人們對生活水平的要求越來越高，在舒適的享受的同時，向大氣中排放了大量的氟、氯化合物，使臭氧層遭到了日趨嚴重的破壞。到達地面的紫外線輻射量增多，對人體的傷害也越來越嚴重。因此人體防護紫外線輻射的研究得到了重視，而服裝是人體有效的保護工具，所以對紡織品進行抗紫外線整理很有必要，防止紫外線對皮膚傷害的同時保持織物原有性能已成為紡織染整業(yè)的重要課題之一。? ?

2 織物抗紫外整理

2.1 影響紫外線透過織物的因素

? ? 未經(jīng)防紫外整理的織物本身具有一定的防紫外作用，其防紫外的效果與織物的種類、形態(tài)結構、結構組織以及厚度有關。一般認為分子結構中含有苯環(huán)、芳香族氨基酸的纖維（如：滌綸、羊毛、絲綢等），對300nm 以下的紫外光有強烈吸收，紫外線透過率較低；形態(tài)呈光滑圓柱形的纖維對光線反射率較高；織物組織交織點少，浮長較長的結構（如緞紋組織），防紫外輻射效果較好；較厚的織物紫外線透過率較少。

? ? 棉纖維的結構中不含苯環(huán)，且具有縱向扭曲不光滑的形態(tài)，紫外線容易透過棉織物，因此棉織物的防紫外整理顯得尤為重要。

2.2 抗紫外整理劑的分類

? ? 抗紫外整理劑的研究很早便引起了人們的重視，根據(jù)抗紫外機理可分為：反射型抗紫外線整理劑、吸收型抗紫外線整理劑和納米型抗紫外線整理劑。

2.2.1 反射型抗紫外線整理劑

? ? 反射型抗紫外線整理劑對紫外線無吸收作用，只是依靠對光線的反射作用，減少紫外線的透過率。亦稱紫外線屏蔽劑。這類屏蔽劑具有無毒、無味、無刺激性、熱穩(wěn)定性好、不分解及不揮發(fā)等性能，大多是金屬、金屬氧化物及鹽類，典型的如Ti02、 Zn0、Al02、高嶺土、滑石粉、炭黑、氧化鐵、氧化亞鉛和CaC03等，對波長在310-400nm的紫外線反射率可高達95%。

? ? 雖然紫外線屏蔽劑有獨特的優(yōu)勢，但是經(jīng)其整理后織物的透氣性、手感及耐洗性較差，并且織物的色澤、牢度以及白度有所下降，有些甚至使人體發(fā)生過敏反應。因此這類整理劑大多用于遮陽傘、帳篷等，而很少用于服裝面料。

2.2.2 吸收型抗紫外線整理劑

? ? 吸收型抗紫外整理劑也稱為紫外線吸收劑，能強烈地、選擇性地吸收高能量的紫外線，以其它較低能量的形式（如：波長較長的光或熱量）釋放，從而避免紫外線對人體皮膚的傷害，而吸收劑本身并不受到紫外線的破壞。其吸收劑原理一般認為是分子內質子的轉移：結構中的羥基與附近結構中的N或O原子形成一個含有氫鍵的分子內六元環(huán)，六元環(huán)經(jīng)紫外照射吸收能量后打開，伴隨烯醇式和酮式結構的轉換，將有害能量轉化為無害的光波或熱能釋放，六元環(huán)再閉合恢復。

作為織物的紫外線吸收劑應具備如下條件：

(1)安全無毒，對人體無過敏反應，不能對人體健康產(chǎn)生威脅；

(2)符合環(huán)保要求；

(3)耐常用溶劑和耐洗性良好；

(4)吸收紫外線后無著色現(xiàn)象；

(5)不影響或少影響織物的白度、牢度、強力和手感等物理性能和織物風格；

(6)有一定的穩(wěn)定性。

? ? 常見的紫外吸收劑有：

① 二苯甲酮類化合類：

? ? 是早使用的紫外吸收劑，這類化合物分子中的羰基與羥基形成分子內氫鍵，構成一個螯合環(huán)結構。在吸收紫外線后，內氫鍵發(fā)生振蕩，穩(wěn)定的螯合環(huán)打開，將吸收的能量以熱能的形式釋放出來，另外分子中的羰基會被吸收的紫外光能所激發(fā)，生成烯醇式結構的互變異構，這也消耗了一部分能量。

? ? 此類化合物有：2-羥基．5氯二苯甲酮，2-4二羥基二苯甲酮等。此類化合物具有多個羥基，對纖維有較好的吸附能力能吸收280～400nm的紫外線，主要用于聚丙烯、聚酯、纖維素等纖維。但其對280nm以下的紫外線幾乎沒有吸收，有時易泛黃，另外價格比較昂貴所以在市場上運用很少。

② 水楊酸酯類：

? ? 水楊酸酯類紫外線吸收劑分子中也有內在氫鍵，開始時對紫外線吸收能力較低，且吸收的范圍窄(小于340nm)，但照射一定時間后，吸收逐漸增大。原因是在紫外線照射下發(fā)生分子重排形成了紫外線吸收能力強的二苯甲酮結構，強化了其對紫外線的吸收能力。重排后生成的雙羥基二苯甲酮及其衍生物可吸收部分可見光而呈現(xiàn)黃色．而導致整理后織物泛黃。另外這類吸收劑熔點較低，易升華、吸收系數(shù)低，因此運用較少。

③ 苯并三唑類：

? ? 苯并三唑類紫外吸收劑的作用原理與二苯甲酮類相似：苯并三唑類的紫外線吸收效果要優(yōu)于二苯甲酮類紫外線吸收劑，可吸收300-400nm的光，且不吸收400nm波長以上的光，所以不會泛黃，并且具有耐揮發(fā)性、耐油等優(yōu)點。苯并三唑類吸收劑的結構和分散染料很接近，故應用范圍有限，可采用高溫高壓法處理到滌綸上，但若要應用于錦綸、羊毛、蠶絲和棉織物上，需要在分子中接上適當數(shù)量的磺酸基。

④ 三嗪類：

? ? 三嗪與三唑類紫外吸收劑均含有N，依靠N、H形成的分子內氫鍵及烯醇式和酮式結構的轉換來有效吸收紫外線，對280～380nm的紫外光有較高的吸收能力。而三嗪類吸收劑的吸收效果與羥基的個數(shù)成正比，因此吸收能力較苯并三唑類強，其缺點是與高聚物的相容性差，整理后織物易著色。

⑤ 有機鎳類：

? ? 有機鎳聚合物作為紫外線吸收劑的作用機理與上述4類吸收劑有所不同，常把它歸類于猝滅劑（又稱減活劑、消光劑、激光態(tài)猝滅或能量猝滅劑），

? ? 有機鎳吸收劑的吸收能力較低，當有機鎳聚合物分子接受紫外線光照的能量被激發(fā)成為激發(fā)態(tài)，當紫外光失去后，又由激發(fā)態(tài)回到基態(tài)，把紫外能量轉化為低能量的光譜散發(fā)。從而減少了紫外線的透過率。有機鎳吸收劑可與部分纖維織物在一定條件下能形成螯合物絡合體，但往往有顏色，使用有局限。

2.2.3 納米型抗紫外線整理劑

? ? 納米材料的發(fā)展為紫外線屏蔽劑提供了新的途徑。與一般的紫外線屏蔽劑相對比，納米紫外線屏蔽劑的比表面積大，表面能高，易于與材料相結合，粒度小，對可見光的漫反射率較低，透明度較高，對所整理織物的風格影響較小。

? ? 納米材料對紫外線的吸收機理與上述各類有機吸收劑不同。以納米Ti02為例：Ti02的電子結構為一個滿的價帶和一個空的導帶，帶隙能為3.OeV～3.2eV，其禁帶寬度一般在3.OeV以下。Ti02吸收能量大于或等于其禁帶寬度的紫外線光子后，處于價帶的電子就會被激發(fā)到導帶上去，從而分別在價帶和導帶上產(chǎn)生高活性自由移動的光生電子(e-)和空穴(h+)

? ? 納米Ti02吸收紫外線后產(chǎn)生的電子一空穴對一方面在發(fā)生各種氧化還原反應時又重新結合，以熱量或熒光的形式釋放能量，另一方面可離解成在晶格中自由遷移到晶格表面或其它反應場所的自由空穴和自由電子，并立即被表面基團捕獲。通常情況下二氧化鈦會表面水活化產(chǎn)生表面羥基捕獲自由空穴，形成羥基自由基，而游離的自由基會吸收態(tài)氧氣產(chǎn)生超氧自由基，將周圍的細菌與病毒殺死。因此經(jīng)納米材料整理后的織物不光具有抗紫外的能力，同時具有滅菌的效果。

? ? 等用自制的納米二氧化鈦整理劑對棉織物進行整理，整理后織物不僅具有優(yōu)異的抗紫外線性能，而且耐洗性好，不影響織物的透氣性、手感及其他性能。李紅等利用納米Zn0對亞麻織物進行了抗紫外整理的研究，同樣取得了較好的效果。

3 不同的抗紫外整理劑的研究比較

? ? 綜上所述，抗紫外整理劑的研究經(jīng)歷了屏蔽劑、吸收及與納米材料的研制過程，對紫外線的屏蔽或吸收范圍從小到大，取得了較好的效果，但仍然存在一些不足。傳統(tǒng)的紫外線屏蔽劑雖然在某些方面有著不錯的抗紫外效果，如Si02對波長400nm以下的紫外線反射率高達95%，但經(jīng)它們處理后織物的物理性能和織物手感受到嚴重的破壞，使織物的品質下降，耐洗性較差。

? ? 紫外吸收劑有一定的抗紫外效果、質量穩(wěn)定、經(jīng)整理后的織物物理性能和風格得到了保持，但也存在吸收的范圍窄、整理后織物泛黃、應用范圍有限等缺陷。為改善紫外吸收劑的性能，有學者對現(xiàn)有的吸收劑進行改性，以提高應用性能。如于淑娟[20]采用聚乙二醇、聚乙二醇單甲醚、羧甲基殼聚糖水溶性高分子對二苯甲酮類以及苯并三唑類吸收劑進行改性，有效提高了二苯甲酮類以及苯并三唑類吸收劑的水溶性。張惠芳等采用自制的多種組分的抗紫外整理劑UV-5和UV-6，通過實驗探索出了一套的整理工藝，提高了抗紫外整理劑的適用范圍，取得了較好的抗紫外效果。

? ? 除了對現(xiàn)有的吸收改性，近年來納米抗紫外研究逐漸引起了人們的關注。由于納米材料的特殊的物理結構使其具有更好的抗紫外效果，且整理后日對織物色光、親水性以及手感無不良影響。而Ti02和Zn0納米材料當其吸收劑與同樣劑量條件下，在紫外區(qū)的吸收能力強，吸收峰更高。粒徑越小，對光的屏蔽面積就越大，一般在30～100nm之間時，它們對紫外線的屏蔽效果好。可以說納米紫外吸收劑的研制是織物抗紫外整理的主要方向之一。目前在納米抗紫外整理中需解決的主要問題是如何防止納米材料的團聚、整理劑與纖維的結合及減少織物的強度損失。

4 結語

? ? 目前，織物的抗紫外整理取得了一定的成效。然而目前的整理劑在使用時都不同程度地存在一些缺點，經(jīng)整理后的織物雖然具有抗紫外性能，但可能導致整理后織物強力、白度以及透氣性有一定程度的下降，影響了使用的舒適性。所以在保持織物原有風格的同時，提高織物的抗紫外線性能整理劑的研究仍是當今紡織染整重要的研究方向，而納米紫外吸收劑的研制是織物抗紫外整理的主要研究方向之一。