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防紫外线技术与原理

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防紫外线技术与原理

时间:2017/7/13 21:44:51来源: 作者:
阳光中的紫外线根据波长可分为3部分:UVA(315~400 nm),UVB(280~315 nm),UVC(100~280nm)。

    阳光中的紫外线根据波长可分为3部分:UVA(315~400 nm),UVB(280~315 nm),UVC(100~280nm)。Uvc到达地面前基本被吸收,直接作用于地表的紫外线主要是UVA和IUVB,即波长280~400nm的紫外线部分。因此,对这一波段紫外线的防护尤为重要。服装作为人体的第二皮肤,应具有一定的保护人体尽量免受外界恶劣环境侵害的功能。随着人类对紫外线危害认识的深入,加强研究防紫外线纺织品势在必行。

  普通纺织品的防护效果不是很理想,这就要求染整工作者采用一定的技术和工艺,开发出有效防御紫外线照射的功能整理剂。

  1 抗紫外线机理

  纺织品对紫外线防护的机理,分为反射和吸收两种。紫外线照射到织物上,一部分被纤维吸收,一部分被反射,还有一部分从织物纤维问的孔隙中透射,也有可能直接通过纤维本身。只有透过织物的紫外线才可辐射到人体,而且大部分是直接辐射至人体的,其余的是通过散射辐射到达的。因此,抗紫外线织物主要是用屏蔽剂对纤维或织物进行防紫外线处理,来增强纺织品吸收或反射紫外线的能力。常用的紫外线屏蔽剂有无机和有机两大类。

  1.1无机类紫外线屏蔽剂

  无机紫外线屏蔽剂也称紫外线反射剂,具有较高的折射率,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。

  有些超细粒子(如纳米粉体)由于小尺寸效应等特性而导致其优异的抗紫外性能。作为染整助剂,为了不影响纺织品的色彩效应,最好选用具有透明性或白质材料,所以一般选用金属氧化物的粉体,如三氧化二铝(Al203)、氧化镁(MgO)、氧化锌(zno)、二氧化钛(Ti02)、高岭土等,它们屏蔽紫外线的功料与结构中的禁止带间隙密切相关。如Ti02的电子结构,由充满电子的价电子带和没有电子的道形成的传导带构成,存在禁止带间隙。禁止带间隙约为3.2eV,相当于约410nm波长的光能,当纳米二氧化钛受光照射时,能量与禁止带间隙相同或比禁止带间隙能量稍大的光被吸收,价电子带的电子激发至传导带,因而对紫外线部分产生吸收。研究表明,粒径小于100nm的Ti02紫外线透过率低于20%。ZnO廉价无毒,屏蔽紫外线波长范围比Ti02宽,折光率(n=1.9)也比Ti02(n=2.6)小,对光线的漫散射率低,透明度也高。ZnO还被证实具有抗菌防霉防臭功能,因而应用前景更广。

  多种纳米粉体共同添加对紫外线有更好的屏蔽作用。如二氧化钛、氧化锌和二氧化硅混合,其中前2者只针对uvA和uVB处吸收,而二氧化硅则在uVA和uvB的范围内对紫外线的反射率高达85%,并在紫外线和可见光范围内出现一个很长的高反射平台。

  1.2有机类紫外线屏蔽剂

  有机防紫外线整理剂也称为紫外线吸收剂,通常是指能吸收波长为270~400nm紫外线的有机化合物。

  国内外紫外线吸收剂品种较多,常用的产品主要有非反应性、小分子紫外线吸收剂如水杨酸酯类化合物、二苯甲酮类、苯并三唑类、取代三嗪类、取代丙烯腈类以及聚合物型紫外吸收剂。水杨酸酯类化合物使用得较早,因其稳定性较差而在应用方面有所局限;取代三嗪与取代丙烯腈类用于高聚物的光稳定剂较多;目前最有发展前景的当属二苯甲酮类及苯并二唑类。这两者因其自身有效吸收波长范围广、相容性好等优点在工业领域应用很广泛,目前正尝试将其化学结合入高分子骨架以避免它自身的某些缺点,有着相当广泛的应用前景。

  1.2.1 非反应性紫外线吸收剂

  (1)水杨酸酯及其衍生物

  聚合物加工和织物后整理过程中应用最早的一类紫外线吸收剂,可用于聚乙烯、聚丙烯、聚氧乙烯、聚酰胺等纤维及其塑料薄膜产品,有效吸收波长范围为290~320nm。代表性化合物有水杨酸苯酯、水杨酸对叔丁基苯酯等。产品优点为低毒,凝同点低,有紫外线吸收与消毒防腐作用;缺点是升华性强,光稳定性能较差,对紫外线的吸收波长范围较窄,因而应用方面具有局限性。

  (2)二苯甲酮及其衍生物

  二苯甲酮及其衍生物不溶于水,易溶于甲醇、乙醇等有机溶剂,这一特性使其与油溶性材料或高分子材料的物理兼容性较好,故可用于塑料、油墨、化妆品、防晒剂等配方中。但此类产品用于织物整理,分子与纤维之间只存在物理吸附以及氢键作用,而无化学结合,故整理的织物耐晒性良好、但耐洗性却差。

  (3)苯并三唑及其衍生物

  苯并二唑类紫外吸收剂的特点是毒性小,与树脂的相容性好,可用作包装食品的聚乙烯、聚丙烯以及聚丁烯、聚苯乙烯、聚氨酯、环氧树脂及涂料、染料、颜料等的光稳定剂,故在纺织、塑料、汽车涂料等方面有广泛应用。

  (4)取代二嗪及其衍生物

  在二嗪衍生物中取代苯环上的羟基与二嗪环上的氮原子存在分子内键的键合与断开反应,从而转化紫外能量,使此类化合物具备吸收紫外线能量的功能而被用作紫外线吸收剂。因此,这类化合物吸收紫外线效果与邻羟基的个数有关,邻羟基个数越多,吸收紫外线的能力越强,引入不同取代基,能降低均二嗪环的碱性,因此可改善此类化合物的耐光坚牢性及其与树脂的相容性。它的缺点是与高聚物的相容性差,使用过程中易导致整理的织物着色。

  (5)取代丙烯腈及其衍生物

  此类紫外线吸收剂虽然仅能吸收31O~320nm的紫外线,但因其不含酚式羟基,故具有良好的化学稳定性和与高聚物的相容性。

  1.2.2 聚合物型紫外吸收剂

  非反应性、小分子紫外线吸收剂整理的织物耐洗牢度差,抗紫外线效果难以持久,而且织物的透气性、手感、卫生性能受到影响。反应性紫外线吸收剂可解决结合牢度等问题,但仅适用于高分子材料、化学纤维的合成或纺丝,在天然纤维或生态纤维的后整理方面其应用受到一定限制。所以开发对人体低毒或无毒,与纤维结合牢度高,又符合绿色生态环保需求的高分子紫外吸收剂已势在必行。

  聚有机硅氧烷是一类特种高分子材料,表面能低、易成膜,具有优异的耐高低温性能耐辐射性、耐氧化性、透气性、耐候性等。事实上氨烃基、环氧基、羧烃基、聚醚基等改性聚二甲基硅氧烷,是目前纺织工业大量使用的柔软整理剂。所以,若在聚二甲基硅氧烷的侧链或主链上,化学键合入二苯甲酮、苯并三氮唑等紫外吸收基团,则可望获得兼具二者综合性能的新型紫外吸收剂。

  羧烃基硅油与水杨酸经高温酯化反应合成的水杨酸酯烃基聚硅氧烷,用于护肤、毛发以及蛋白纤维的防护保养,则能赋予基质持久的抗紫外线效果。

  携带有2,2,6,6-四甲基派啶及其衍生物侧基的聚有机硅氧烷,本身虽无吸收紫外线的能力,但可捕获光氧化反应或者聚合物降解过程中产生的自由基,分解氢过氧化物并传递激发态分子能量,因而具有光稳定效果。

  将Zn0等无机纳米抗紫外线粉体与氨基硅乳柔软剂复配,用于织物整理,可使棉织物获得抗紫外线与柔软等多重功能,而且经此处理的织物耐水洗,纤维强度、拉伸性、色泽等不受影响。

  2 防紫外线辐射整理方法及其工艺

  织物紫外线屏蔽整理工艺与其最终用途有关。如作为服装面料,夏季穿着的对柔软性和舒适性要求高,以采用吸尽法或浸轧法施加紫外线吸收剂为好;如作为装饰、家用或产业用纺织品,则强调其功能性要求,可选用涂层法;对于混纺织物的防紫外线整理,从技术角度来说,还是以吸尽法和浸轧法为好,因为这种工艺对纤维性能、织物风格、吸湿(水)性和强力影响较小,同时还可与其他功能性整理同浴进行,如抗菌防臭、亲水、防皱整理等。

  2.1高温高压吸尽法

  高温高压吸尽法类似于涤纶的高温高压染色,这是由于一些不溶或难溶于水的紫外线吸收剂,它们的分子结构利分散染料很接近,在高温高压的条件下可以进入纤维内部而固着。高温高压吸尽法适用于涤纶、锦纶等合纤类织物,此法比较多地采用分散染料染色与抗紫外整理同浴进行。

  2.2常压吸尽法

  常压吸尽法则主要适合于棉、麻、羊毛、蚕丝等天然纤维类织物的抗紫外整理。常压吸尽法须选用水溶性的紫外线吸收剂,如一些二苯甲酮类的水溶性紫外线吸收剂的分子结构中有多个羟基,对棉及其它天然纤维有较好的吸附能力,因此,可以在常压下被用于此类织物抗紫外整理。

  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,而采用与树胎同浴,将屏蔽剂闻着在织物表面。浸轧液由紫外线屏蔽剂、树脂、柔软剂等组成。但经热处理后,织物上空隙易被树脂所覆盖,会影响整理织物的风格、吸水性和透气性。用浸轧法对纯棉织物进行抗紫外线整理的工艺条件如图1所示:

  2.4涂层法

  一般在涂层剂中加入适量紫外线屏蔽剂,用涂布器在织物表面进行精密细涂层,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。

  2.5微胶囊技术和印花法

  微胶囊技术是一种微包装技术,是用天然或合成高分子成膜材料把分散的固体、液体或气体包覆,使形成微小粒子的方法。其实质是通过密闭的或半透性的壁膜将芯材与外界环境隔离开来,从而达到保护和稳定芯材、屏蔽气味和颜色、控制释放芯材等目的。其制成品典型大小范围在2~2000μm之间,壁的典型厚度在0.5~150μm之间。可将抗紫外线整理剂注入胶囊内,这样在服装的服用过程中由于受到磨擦使胶囊外层破裂,达到抗紫外线整理剂缓释的效果;如果胶囊内加入光敏变色晶体则能使织物获得变色功能。光敏变色服装除了增加美感外,还增强了抗紫外线功能,可抵御长时间紫外线辐射。

  印花法就是将紫外线屏蔽剂或吸收剂调制在印花色浆中,印制后,采用汽蒸处理固着在织物上,此法适合于对紫外线屏蔽率要求不是很高的织物。

  2.6溶胶一凝胶技术

  一般的屏蔽剂的耐洗牢度都比较著,作为一种多用途的新工具,溶胶凝胶技术可在织物表面涂覆一层透明的金属氧化物薄膜,极大地改善了耐洗牢度,同时抗紫外线性能也非常优良。

  3 防紫外线织物效能的评价及测试方法

  目前织物抗紫外线效果评价方法有分光光度计法、紫外线强度累计法、变色褪色法和直观法等,其中分光光度计法较优。分光光度计可检测各个不同波长下的透射比,是目前国际上最流行和通用的方法。直观法由于紫外线过量照射对人体有害,应少采用为宜。目前国内外的主要评价标准有:我国的GB/T18830—2002,澳大利亚/新西兰的AS/ZS4399,美国的AATCCl83—1998、ASTM草案D13.65,英国的BS7914.1998、BS7974.1999以及欧盟的PrEN13758等。

  3.1分光光度计法

  采用积分球式紫外分光光度计测试织物的紫外线透过率。紫外线透过率越小,表明织物隔断紫外线效果越好。

  3.2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,光照一定时问,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。

  3.3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。

  3.4直观法

  分别使用防紫外线织物和相同材质的非防紫外线织物覆盖皮肤,通过照射紫外线进行直接对比观察。

  3.5织物抗紫外耐久性

  实际应用中,还要求抗紫外功能纺织品有优良的耐久性能,即经多次洗涤后仍然保持良好的抗紫外效果。可以参照国标GB/T3921.3—1997,用下述条件对织物进行洗涤:

  皂液:标准皂片5g/L;

  无水碳酸钠:2g/L;

  温度:(60±2)℃;

  时问:30min;

  浴比:50:1

  然后测定织物的紫外透过率,依此来评定耐久性。

  对于防紫外线织物质量的评价指标,现采用紫外线遮蔽率较多。日本提出了采用紫外线遮蔽率与紫外线透过量减少率相结合的标准。紫外线透过量减少率等于传统织物透过量与防紫外线织物的差值与传统织物透过量的百分比。日本提出的标准是,织物首先要满足紫外线透过量减少率达到50%的要求,然后再根据绝对遮蔽率进行等级划分。一般分为3级,遮蔽率在90%以上者为A级,遮蔽率在80%~90%者为B级,遮蔽率在50%~80%者为c级。这对于国内评价防紫外线织物的性能具有很好的借鉴作用。

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