纯棉衣物和遮阳伞的防紫外线措施

近年来纺织品的防紫外线整理（ultraviolet－proof finish）已成为一个热门的课题，受到了世界各国同行的重视，因此，防紫外线整理的研究及其应用技术，已成为染整加工的一个十分重要的方面。

（一）紫外线及其对人类的影响

阳光是世界万物赖以生存、生长的物质，它以辐射（radiation）的方式穿过宇宙空间和地球表面大气层而到达地面，由于大气层的消光作用和其他各种因素的干扰和影响，它的光谱和能量均有所变化，穿过大气层到达地面的光能量约占辐射总能量的43%，主要波长范围为185～3000nm，其中紫外线的量小于10%。到达地面的阳光中的紫外线虽然比例不高，但能量极高，为293.08～418.69kJ／Einstein。紫外线对人体有益也有害，适量的紫外线是人类和生物界的一种自然营养，可以促进维生素D 的合成，杀灭一些细菌或病毒，有利于人体健康和生物生长；但过量的紫外线和它的短波化会对人类（包括生物界）产生重大危害和影响，能诱发皮肤病，如皮炎、色素干皮症、皮肤癌，促进白内障，降低免疫功能，使海洋中的浮游生物和鱼贝类减少，并能影响植物的光合作用、生长和开花。

紫外线是一种电磁波（electromagnetic wave），不同波长范围的紫外线对人体皮肤的影响不同。根据波长及其影响通常把紫外线分为三个区域（不同资料介绍的区域范围略有不同），各区域及其对皮肤的危害性如表5－4 所示。

表5－4　不同波长的紫外线区域及其紫外线对人类皮肤的影响

虽然太阳光中射向地球的紫外线大部分被地球大气层吸收，到达地面的只是少量。但是，自20 世纪以来，由于工业化进程的快速发展带来严重的环境污染，使大量的氟利昂等含卤化合物滞留在空气上方，被紫外线分解成活性卤，进而与臭氧发生连锁反应，导致臭氧层严重破坏，使到达地面的紫外线随之增加并且短波化，对人类产生的影响明显增大。20 世纪70年代以来，澳大利亚、美国、加拿大及欧洲等白种人居住区相继有皮肤癌发病率递增的报道。因此，人类需要紫外线但又要避免过量紫外线的照射，这就使防紫外线的研究成为一个新的课题，从化妆品上研制防晒膏就是其中的一个方面；在纺织行业内研究对紫外线的防护，以达到保护人类皮肤的目的也是一种选择。将人们穿着的衣服和遮阳伞等进行防紫外线整理，尤其是长期在室外作业的人员更需要以各种方法保护自己免受过量紫外线的照射。

近年来我国对紫外线的防护越来越重视，北京、上海、杭州等许多城市已实施紫外线指数（ultraviolet index）气象信息发布。紫外线指数是指某一地区一天中最高的紫外线照射强度，它共分5 级：最弱（指数0～2）、弱（指数3～4）、中等（指数5 ～6）、强（指数7 ～9）、很强（指数10 以上），这5 级强度对人体产生的影响程度依次为：安全、正常、需注意、影响较强和有害。当指数为5～6 时就需要进行防护，当达到10 以上时，在太阳光下直晒20min便会对皮肤产生伤害。由于纯棉织物是人们春夏秋常用的面料，且其防紫外线能力较低，因此纯棉织物的防紫外线整理尤为重要。

（二）织物和助剂对紫外线的防护作用

防止紫外线对皮肤的伤害，从纺织品方面来说，必须减少紫外线透过率。织物对光的作用表现为对光的吸收、反射和透射三种形式，对同一织物来说，要减少紫外线透过织物的量，就必须加强织物对紫外线的吸收或反射，减少紫外线的透射。减少紫外线透过量的途径主要有以下两种：

（1）提高织物对紫外线的反射能力。可以选用适当的纤维（如高比表面纤维）和织物结构，或使用反光性强的物质，如陶瓷粉（MgO、TiO2 等）进行织物的后整理加工，使透过织物的紫外线的量大大减少。

（2）提高织物对紫外线的吸收能力，即选用适当的紫外线吸收剂（absorbent）对织物进行处理，或在化学纤维进行纺丝时加入纺丝浴中制成抗紫外线纤维，紫外线吸收剂大多含有发色基团（C ═N，N ═N）和助色基团（—NH2，—OH，—SO3H）。利用紫外线吸收剂吸收紫外线的能量，并使之向低能级转化，变成低能量的热能或波长较短的电磁波，从而减少或消除对人体的危害。

1.纤维和织物对紫外线防护的影响　不同织物对阳光的吸收、反射和透射的能力是不同的，即对阳光的防护能力不同，这种对阳光的防护能力可以用阳光防护因子SPF （sun protec⁃tion factor）来表示，它大体上可反映出对紫外线的防护能力，其值越大，防护能力越强。天然纤维中羊毛的SPF 值最高，棉纤维值最低，蚕丝介于其中，这主要与纤维的化学结构有关，因此纯棉织物更需要进行防紫外线整理。涤纶织物的SPF 值很高，这和涤纶分子中含有苯环有关；锦纶和弹性纤维织物相对较低。此外，不论天然纤维织物还是合成纤维织物，织物越厚重，SPF 值越高，也就是说阻止光透过的能力越强，从织物的孔隙度（void content）分析，孔隙度越低，SPF 值越高，反之越低。

总的说来，织物的SPF 值首先取决于纤维的化学结构，化学结构的不同引起对紫外线吸收能力的不同，其次是织物的组织结构、单位面积质量、纤维粗细和形态结构等，它们主要影响织物对光的反射性能，从而影响紫外线的透过率（transmissibility）。夏天穿着的纯棉服饰不仅对紫外线的吸收性能低，而且由于其单薄、稀松而反射性能低，因此对其进行防紫外线整理更有实用意义。

2.染料对织物防紫外线性能的影响　有些染料对紫外线有一定的吸收作用，因此织物经这些染料染色后其对紫外线的防护能力都得到提高。染料在电磁波的可见光区域的吸收特性决定着染色织物的色泽和深度，但多数染料的吸收波谱延伸至紫外区域，使得这些染料成为潜在的紫外线吸收剂，用这样的染料染色的织物具有防紫外线的作用。

染色织物防紫外线作用的程度取决于染料在紫外区域的吸收谱带的位置和强度以及其染色深度。色泽并非染色织物提供防紫外线作用的可靠标志，黑色染料不一定提供最佳的防护作用，红、蓝、绿和棕色染料也都可以增加防紫外线的作用，这取决于它们对紫外线的吸收特性。

3.助剂对织物防紫外线性能的影响　一些助剂对紫外线有一定的吸收或反射作用，织物经过这类助剂的整理而具有防紫外线功能，因此这类助剂被称为防紫外线整理剂。目前应用的织物防紫外线整理剂主要有以下几类：

（1）金属离子化合物。作为螯合物使用，一般只适用于可形成螯合物的染料，主要的目的往往是提高染色物的耐光色牢度。

（2）水杨酸类化合物。是适用于聚丙烯、聚乙烯、聚氧乙烯纤维和薄膜的紫外线吸收剂，价格低廉。但由于其熔点低、易升华，而且吸收波长分布于短波长一侧，应用较少。

（3）苯酮类化合物。用于纤维素、聚酯、聚酰胺等纤维。它的价格较贵，应用也较少。由于具有多个羟基，对一些纤维具有较好的吸附能力。这类化合物具有共轭结构和氢键，吸收紫外线后能转化成热能、荧光、磷光，同时产生氢键互变异构，此结构能够接受光而不导致链的断裂，而且能使光能转变为热能，在一定程度上较稳定。

（4）苯并三唑类化合物。此类物质在高温时的溶解度较高，熔融温度较高，吸附在纤维上有一定的耐洗性，毒性较小，大量吸收UV－A （315 ～400nm 波段）的紫外线，效果较好，是目前应用得较多的一类化合物。但是它没有反应性基团，活性不高，处理时要吸附于纤维表面才能达到吸收紫外线的作用。它的分子结构与分散染料近似，可以采用高温高压法处理并被涤纶吸附，对涤纶有较高的分配系数。

（5）新型纳米材料。纳米微粒由于其量子尺寸效应而对某些光波的吸收具有“蓝移” 现象，即吸收谱带移向短波。无机纳米粉体对紫外线的中波和长波具有很好的屏蔽作用，透明度高，便于印染后整理加工。

（三）助剂对紫外线的防护原理

1.无机类紫外线屏蔽剂（shielding aids）对紫外线的防护原理　无机类紫外线屏蔽剂，也称为紫外线反射剂，主要通过对紫外线的反射和折射阻止物质对紫外线的吸收而达到防紫外线的目的。

无机类紫外线屏蔽剂一般为陶瓷或金属氧化物等具有良好反射或折射能力的材料，而且被加工成细粉或超细粉末与纤维织物相结合，增加织物表面对紫外线的反射和折射能力，防止紫外线透过织物损伤皮肤。这类粉末包括：高岭土、碳酸钙、滑石粉、氧化铁、氧化锌等。这些无机组分与有机组分的紫外线吸收剂相比，在耐光性、耐热性和防紫外线方面都有一定的优越性。但由于紫外线反射剂在用于高质量的屏蔽纤维或织物后整理时要求先制成纳米级的超细粒子，并要求降低粒子的表面活性，提高其在纤维中的分散性等，技术比较复杂。

2.有机类紫外线吸收剂对紫外线的防护原理　紫外线吸收剂吸收紫外线的原理与染料吸收可见光的原理相似，都是由于分子内部的电子吸收光子而发生能级的跃迁，电子在发生能级跃迁时，由于电子能级量子化的原因，分子只能对特定波长的光子进行吸收，于是就形成了分子的吸收光谱，如果这个吸收光谱的波长正好处在紫外区域的话，那么这个物质就具有吸收紫外线的能力。

（四）织物的防紫外线整理工艺

常用的防紫外线整理工艺有以下几种。

1.高温高压吸尽法　一些不溶或难溶于水的整理剂，可采用类似于分散染料染涤纶的方法，在高温高压下吸附扩散进入涤纶。对涤纶等化纤织物也可以采用与染料同浴进行一浴法染色整理加工。

2.常温常压吸尽法　对于一些水溶性的防紫外线整理剂处理棉、羊毛、蚕丝以及锦纶等纺织品，则只需要在常温常压条件下以其水溶液进行加工处理，类似于水溶性染料染色。有些防紫外线整理剂也可以采用和染料同浴进行一浴法染色整理加工。例如，反应性防紫外线整理剂UVA2 与K 型活性染料同浴染色整理的工艺如下：

配液（染料、整理剂、元明粉）→升温至60℃入布（保温30min）→升温（1.5℃／min）→90℃染色（保温20min）→加入1／2 碱（保温10min）→加入1／2 碱→续染40min→自然降温至60℃→平洗→干燥。

3.浸轧法　对于水溶性防紫外线整理剂也可采用类似于水溶性染料浸轧染色的方法进行整理加工。例如，整理剂UVA2 与K 型活性染料同浴浸轧染色整理工艺如下：

室温二浸二轧（轧余率70%）→烘干→汽蒸（100 ～102℃，4min）→水洗→皂洗→水洗→烘干。(www.xing528.com)

此外，对于非水溶性的紫外线整理剂处理棉、麻等天然纤维时可采用与涂料染色一样的工艺条件。

4.涂层法　在涂层剂中加入适量的防紫外线整理剂，在织物表面进行涂层，然后经烘干等热处理，固着在织物的表面。这种处理方法会使织物手感受到影响，但处理成本低，对技术和设备要求不高，适合于对纤维没有亲和力的整理剂。涂层法也较适用于雨衣、遮阳伞和窗帘等织物的加工。

纺织品的防紫外线整理工艺与产品的最终用途有关，如作为服装面料，对柔软性和舒适性要求较高，宜采用吸尽法；如作为装饰、家用或产业用纺织品，比较强调其功能性，可采用涂层法。

（五）防紫外线整理效果的测试和评价

1.防紫外线整理效果的测试方法

（1）分光光度计法。采用紫外分光光度仪（ultraviolet spectrophotometer）测定纺织品的紫外分光透过率曲线，用面积求出某一紫外区域的紫外线透过率。这种方法又分为全波长域平均法和特定波长域平均法，前者选取全部紫外线区域，求其紫外线透过率的平均值，后者则选取指定波长区域进行测量，再取其平均值。

（2）变色褪色法。把被测织物覆盖在耐晒牢度标准卡上，用紫外线灯在局部试样50cm处照射，先测出标准卡达到一级变色的时间，再进行分析。

（3）紫外线强度积累法。用阳光式紫外线灯照射放在紫外线强度累积仪上的织物，按给定的时间照射，测定出通过织物的紫外线累计量，然后进行计算。

2.防紫外线整理效果的评价指标　目前国际上使用的纺织品防紫外线性能的评价指标主要有：

（1）紫外线阻断率C：

（2）整理效果K：

式中：T0——分光光度仪测得的无试样时紫外线透射曲线（transmitted curve）所围的面积；

Ta——经整理后的织物所测得的透射曲线所围的面积；

Tb——未经整理的织物所测得的透射曲线所围的面积。

显然，C 值越接近1，则试样防紫外线的效果越好；K 值越大，则试样的整理效果越好。

（3）紫外线透过率T：

式中：I——有试样遮盖时透过织物的紫外线辐射强度（radiant intensity），J／m2；

I0——无试样遮盖时紫外光源的紫外线辐射强度，J／m2。

T 值越小，则试样对紫外线的防护功能越强。

（4）阳光紫外线防护因子SPF：

式中：T——紫外线透过率。

SPF 值与紫外线防护等级（protective grade）的关系见表5－5 。

表5－5　SPF 值及紫外线防护等级

（5）织物紫外线防护因子UPF （ultraviolet protection factors）：

式中：ε——织物的覆盖系数，表示织物防护紫外线的能力，是紫外线对未防护皮肤的平均辐射量与经测试的织物遮断后紫外线辐射量之比值。

UPF 值与紫外线防护等级的关系见表5－6。UPF 值越大，表示防护效果越好。我国国家标准GB／T 18830—2009 规定，当纺织品的UPF＞30，透过率T （UVA）＜5%时，可称为防紫外线产品。

表5－6　UPF 值及紫外线防护等级