纺织品抗紫外线性能影响因素及其测试

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纺织品抗紫外线性能影响因素及其测试
1.杨璧玲2.罗旭平
1.广东职业技术学院纺织系；2.广州市纤维产品检测院
摘要：综述分析了纤维原料、纱线结构、织物结构参数（厚度、紧密程度、组织结构）、颜色、后整理以及样品预处理状态（湿态、水洗、摩擦、拉伸）等因素对纺织品抗紫外线性能的影响效果，并测试分析了纤维原料、织物组织结构、颜色、后整理及干湿状态等5方面因素对抗紫外线性能的影响效果。实测结果与综述分析结果一致。
关键词：纺织品；抗紫外线性能；影响因素；效果；测试
中图分类号：TS101.923文献标志码：A
紫外线（简称UV）按辐射波长可分为长波紫外线UVA（320～400nm）、中波紫外线UVB（280～320nm）和短波紫外线UVC（200～280nm），容易对人体造成伤害的紫外线波长段为290～400nm，因此纺织品抗紫外线性能的研究主要针对这一波段来考虑。了解纺织品服装抗紫外线性能的影响因素，对提高纺织品的紫外线防护性能十分重要。一般来说，影响纺织品抗紫外线性能的主要因素有：纤维原料、纱线结构、织物结构参数（厚度、紧密程度、组织结构）、颜色、后整理以及样品预处理状态（湿态、水洗、摩擦、拉伸）等，文献大多就纤维原料、织物结构参数、颜色、后整理等因素进行探讨。本文根据现有研究总结分析了上述所有主要因素的影响效果，并就纤维原料、织物组织结构、颜色、后整理及干湿状态等5方面的影响进行了实测分析，以期为研究与生产提供较综合完善的设计依据，为消费者提供有效的产品选购依据。
1·纺织品紫外线防护的机理
紫外线在织物上的通过情况一般为光线透过率＋反射率＋吸收率=100%，可见，光线反射率和吸收率越高，透过率则越低，产品的防护性能就越好。纺织品紫外线防护的机理主要来源于纤维织物本身对紫外线的吸收屏蔽作用，或利用屏蔽剂对紫外线进行吸收和反射。利用屏蔽剂的处理可获得优良的抗紫外线性能，主要的处理方法有2种：一是在纤维成形时加入无机或有机屏蔽剂，制作成抗紫外线纤维；二是选用紫外线屏蔽剂将织物经浸轧或涂层整理赋予织物抗紫外线功能。然而前者的处理技术要求高、成本大，多以聚酯和聚丙烯为基材，难以应用于天然纤维，且在混纺时效果难以控制；后者的产品功能耐洗涤程度差，织物风格受到影响，均不大适合用于以轻薄、透气、吸湿等性能为主的夏季服装面料。因此，利用普通纤维织物本身对紫外线的吸收屏蔽作用来提高纺织品的抗紫外线性能仍然是目前产品开发中需要考虑的问题。
2·抗紫外线性能的影响因素
影响纺织品抗紫外线性能的主要因素有纤维原料、纱线结构、织物结构参数（厚度、紧密程度、组织结构等）、颜色、后整理等。此外，从国外及我国GB/T18830等主要纺织品抗紫外线性能标准规定中可看到，纺织品试样经摩擦、洗涤、湿态等预处理或处于拉伸状态时（模拟日常使用过程对纺织品的作用），均会影响纺织品的抗紫外线性能。
2.1纤维原料
纺织纤维本身对紫外线有一定的吸收屏蔽作用，不同类型的纤维对于紫外线的吸收、透射能力不同。吸收能力越低、透射率越高，抗紫外线性能越差。所有广泛应用的纤维原料中，涤纶中含有苯环，具有较高的紫外线吸收能力；锦纶吸收紫外线的能力较差；羊毛、蚕丝等蛋白质纤维分子中含有芳香族氨基酸，对小于300nm波段的光有很强的吸收性，其抗紫外线性能介于涤纶与锦纶之间。对于纤维素类纤维，漂白棉纱和粘胶织物的紫外线透过率相对较高，而未漂白的棉纱织物由于其中的天然色素和木质素可作为吸收剂，其紫外线防护系数稍高；麻织物由于纤维内具有沟状空腔且管壁多空隙，有较好的抗紫外线性能；竹纤维中所含叶绿素铜钠是安全、优良的紫外线吸收剂，其抗紫外线性能大大优于棉纤维，也明显优于苎麻、亚麻纤维。然而，不同的研究人员采用不同纤维原料设计织物时类型与规格等各有差异，故难以判定各类纤维的防紫外线性能优劣顺序。近年来利用添加屏蔽剂的方法可有效提高纤维的抗紫外线能力。
2.2纱线结构
Stankovic等人研究发现，由于纱线加捻情况不同，纤维在纱线中的排列与纱线的表面结构也不同，这对织物的抗紫外线性能有着重要的影响。纱线的捻度影响纱线的紧密程度和表面性能，继而影响织物的开孔度，影响对紫外线的透射性能。但这方面的专门研究尚少，具体诸如纤维为长丝还是短纤、纱线表面毛羽多还是光滑、纱线的线密度大小，是强捻纱还是无（弱）捻纱等因素的影响尚无统一定论。有研究者认为纱线对抗紫外线性能的主要影响参数为纱线的厚度（或直径）与纱线的卷曲率，由于这些参数对织物的结构有直接的影响，故可将纱线结构的影响纳入到织物结构参数的影响中。
2.3织物结构参数
影响纺织品紫外线防护性能的织物结构参数主要为组织结构、紧密程度、厚度等。目前大多数研究主要也是针对这些影响因素。然而，不同研究者有不同的结论，究其原因在于各人所制作的织物试样规格等有所差异，因而不能单纯的作量化比较。织物的组织结构与织物的密度、紧度、厚度、单位面积质量等都有关系。织物的组织结构决定了织物的空间几何状态和多孔性等，一般认为，其对抗紫外线性能的影响主要是在于紧密程度与厚度两个参数，织物越紧密、越厚，其抗紫外线性能越好。
2.4颜色
织物的色泽是由染料在可见光区域的吸收特性决定的，这与染料在紫外光区的吸收特性不同，因此织物的色泽并不是决定织物抗紫外线性能的主要因素。尽管不同色相的染料可以改变织物的抗紫外线性能，但这主要还是取决于染料的紫外线吸收、透射特性。目前，研究颜色对纺织品抗紫外线性能的影响有较一致的定论：有些染料在可见光谱区有较强的吸收能力，同时在紫外光谱区也有部分吸收能力；一般对紫外线的防护性能随着颜色深度的增加而提高，深蓝色和黑色在各种颜色中的抗紫外线性能最好。
2.5后整理
在后整理工艺中，可将紫外线屏蔽剂固着在织物表面来改善织物的抗紫外线性能。紫外线屏蔽剂可分为吸收剂和反射剂，可单独使用或混用。常用的反射剂主要包括高岭土、碳酸钙、滑石粉、氧化铁、氧化锌、氧化亚铅等无机物；吸收剂有水杨酸类、苯酮类、苯并三唑类、氰基丙烯酸酯类等有机物。有机类紫外线屏蔽剂对产品寿命、生态环境及产品性能（织物白度、色牢度、手感、透气、吸湿等）有一定影响。新型环保、高性能抗紫外线有机吸收剂的研发，成为了如今的主要课题。无机类屏蔽剂粒子直径对纤维纺丝成形或后整理工艺都有较大影响，粒子过大，纺丝质量、纱线和织物手感变差；粒子过小，对紫外线的反射作用减弱。但当粒子尺寸达到纳米级别时，会出现优异的紫外线吸收特性，且粒子容易分布均匀，织物手感优良。由于这一独特的功能，纳米技术在抗紫外线纤维生产与织物整理方面已表现出巨大的应用和发展前景，但其中纳米粒子制备、纺丝生产及织物染色等难度均增大，这些仍是发展中亟需解决的问题。
2.6样品预处理状态
织物在湿态下的抗紫外线性能一般较之干态下差，这主要是因为湿态织物在纱线、纤维之间的水分会减弱紫外线的散射能力，导致了紫外线透过率的增大。对于夏季服装，在穿着过程中容易被汗湿；而泳装纺织品在使用过程中往往处于湿态，故研究织物的吸湿膨胀对抗紫外线性能的影响有着重要的意义。同样，织物在拉伸伸展状态下的抗紫外线性能也会受到影响，由于拉伸伸展增加了织物的开孔性，因而会降低防紫外线性能。目前的研究对试样经摩擦、洗涤、湿态等预处理或处于拉伸状态而产生的影响探讨不多。
3·影响因素的测试与分析
综上所述，本文重点选取了纤维原料、织物组织结构、颜色、后整理及干湿状态等5方面的因素开展测试，实证分析其影响效果，以期为读者提供客观的依据，让读者了解纺织品抗紫外线性能的测试与评价。
3.1测试及试样
3.1.1测试条件
纺织品抗紫外线性能的评价指标主要有紫外线防护系数（UPF），紫外线A、B的平均透过率T（UVA）AV、T（UVB）AV，防晒因子（SPF），紫外线防晒因子（FSPF），紫外线阻断率C（%），加工效果K（%）等。本文选用UPF和T（UVA）AV两个指标来评价。UPF是指皮肤无防护时计算出的紫外线辐射平均效应与皮肤有织物防护时计算出的紫外线辐射平均效应的比值；T（UVA）AV是指对UVA透射比的算术平均值求平均值。高的UPF值和低的T（UVA）AV值表示好的抗紫外线效果。
本测试依据GB/T18830—2009《纺织品防紫外线性能的评定》，使用Lambda900紫外/可见/近红外分光光度计，采用积分球法测试试样的紫外线防护效果。试样在标准大气下调湿24h，测试波长间隔为5nm，紫外线波长选取范围为290～400nm。测试时，用单色或多色的UV射线辐射试样，测定总的光谱透射比，并计算试样的UPF值。根据国标规定，当样品的UPF＞40且T（UVA）AV＜5%时，可称为“防紫外线产品”。
3.1.2试样
测试对象以轻薄型织物为主，针对纤维原料、织物组织结构、颜色、后整理及干湿状态等5方面影响纺织品紫外线防护效果的主要因素，设计了5组纺织品试样进行测试。设计原则为：在实验的同等条件下，通过比对试验，以确定某一织物的特性为目标，测试织物的紫外线防护系数。5组试样设计如下：（1）在颜色、组织结构、经纬密相同的情况下，比较不同纤维种类（包括改性纤维）的防护效果；（2）在纤维种类、颜色、经纬密相同的情况下，比较不同组织结构的防护效果；（3）对相同织物比较染色前后的防护效果；（4）对相同织物比较经纳米ZnO抗紫外线整理前后的防护效果；（5）对相同织物比较干湿状态下的防护效果。试样织物在梭织小样机上自行设计、织造。
3.2测试结果及分析
各组测试的具体试样及相应的测试结果见表1。

第（1）组选取了颜色、组织结构、经纬密相同的棉织物、普通涤纶织物和抗紫外线涤纶长丝织物进行测试。由试验结果可见，棉织物的紫外线防护能力相对较差，涤纶织物的防护作用较棉好，抗紫外线涤纶长丝织物有优异的防护效果，表明纤维的抗紫外线改性使织物的紫外线防护能力大大改善。
第（2）组选取了颜色、经纬密相同的棉织物，测试了平纹、斜纹、缎纹三原组织织物的紫外线防护能力。结果显示，缎纹织物效果较斜纹织物稍好，而斜纹织物较平纹织物稍好。
第（3）组对颜色影响的比较，是取与#1试样和#4试样（均是白色平纹棉织物）相同的试样进行了黑色的染浴染色加工，测试其防护效果，再与原#1试样和#4试样作比较。#7试样与#1试样的比较、#8试样与#4试样的比较均显示，染色试样大大提高了试样的紫外线防护能力。
第（4）组对后整理影响的比较，是取与#1试样和#4试样相同的试样，采用纳米ZnO进行抗紫外线整理后，测试其防护效果，再与原#1试样和#4试样作比较。#9试样与#1试样的比较、#10试样与#4试样的比较均显示，经抗紫外线整理的试样大大提高了试样的紫外线防护能力。
第（5）组对干湿状态影响的比较，是取与#1试样、#2试样和#3试样相同的试样，经湿态处理（含水率40%）后，测试其防护效果，再与原#1试样、#2试样和#3试样作比较。#11试样与#1试样的比较、#12试样与#2试样的比较、#13试样与#3试样的比较均显示，湿态试样的紫外线防护能力比干态试样明显降低。
实测结果表明各因素的影响效果与综述分析相一致。
4·结论
纤维原料、纱线结构、织物结构参数（厚度、紧密程度、组织结构）、颜色、后整理以及样品预处理状态（湿态、水洗、摩擦、拉伸）等因素均不同程度影响纺织品的抗紫外线性能，在进行抗紫外线纺织品设计时，要综合考虑各种影响因素，在降低成本的同时保证产品良好服用性能与抗紫外线效果。一般来说，普通织物达不到非常优异的防护效果，而目前生产大多所采用的抗紫外线屏蔽剂和整理剂处理方法，其服用性能又满足不了要求。因此，开发服用性能好、抗紫外线效果佳的纺织品是发展的趋势。利用纳米技术进行纺织品抗紫外线纤维与织物的开发是重要的途径。目前，国内外对于纺织品抗紫外线性能的测试评定尚无统一的标准做法，不同研究开发人员对不同因素影响效果的探究往往有所差异，因此，如何开展科学的定性定量分析研究以提高各种产品的可比性，也是抗紫外线纺织品研究领域中的一个重要问题。
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