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浅析纺织品抗紫外线整理的研究与实践

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浅析纺织品抗紫外线整理的研究与实践

时间:2017/12/27 13:50:43来源: 作者:
       摘要:阐述了纺织品防紫外线辐射机理,浅述纺织面料抗紫外性能要求和抗紫外线整理的种类,织物通过抗紫外线处理,赋予防紫外线功能,降低紫外线的透过率。&

       摘要:阐述了纺织品防紫外线辐射机理,浅述纺织面料抗紫外性能要求和抗紫外线整理的种类,织物通过抗紫外线处理,赋予防紫外线功能,降低紫外线的透过率。

       关键词:纺织品;紫外线辐射;抗紫外线剂;功能整理 ;纺织品防紫外线测试仪


前  言

       随着人类文明进程的加快、科技的进步和人们消费观念的改变,人们对影响人类生活质量的衣、食、住、行等各个方面的要求越来越高;就穿着而言,人们对纺织服装的要求,已经从最初的遮体、保暖、防护等实用性,转向功能性、功效性、舒适性等。功能整理纺织品正受到人们的关注和喜爱,防水、防油、防污、抗菌、防紫外线及抗静电等多功能整理剂的应用也越来越广泛。

       近几年来,由于地球的大气臭氧层不断遭到破坏,从而使地球表面的太阳紫外线辐射逐渐增加、以及工作与生活中电子产品的辐射等问题,严重影响着人体健康;对织物进行抗紫外线功能整理,对保护人类的健康具有重大意义。因此,服装面料具有较好的抗紫外线功能也越来越被人们重视。

        影响织物抗紫外线性能的因素:

       (1)织物的结构:织物的稀松厚度、紧密度(覆盖或孔隙率)和原纱结构,截面中纤维根数、捻度、毛羽等对紫外线的屏蔽作用存有差异。

       (2)纤维的种类及染料类别:不同纤维经不同性质的染料染色,染料分子结构不同对光谱的吸收也不一样。

       (3)染料的色泽及其用量的影响:即使同一性质的染料,因染色的色系不同及染料用量不同,被织物对紫外线的屏蔽性能也是不同的;一般来说,同一种材料的纺织品经同一种染料染色,颜色越深对紫外线的吸收愈多,对紫外线的屏蔽作用越好,深色的棉布紫外线防护性能要比浅色好。

       (4)纺织品抗紫外线性能还受到纤维本身基质以及人工附着于纤维的有机或无机材料的影响;棉、真丝等天然纤维对紫外线的吸收能力低,因而抗紫外线性能就差,羊毛则稍为好一些;合成纤维对紫外线的吸收能力强于天然纤维。

       (5)后整理的影响:拒水拒油整理等,一方面织物的厚度增加,织物的孔隙率也会降低;另一方面,功能整理剂本身的缘故也可能增加屏蔽紫外线的作用。

1.织物抗紫外线整理原理

       抗紫外线整理的原理就是利用紫外线屏蔽(吸收)剂对染色纤维或织物进行整理,当紫外光辐射到织物上时,绝大部分则被紫外线屏蔽剂反射或选择性吸收,并将其能量转换成其他无害低能辐射而释放或消耗,从而将紫外线遮挡;在一般情况下,透过率+反射率+吸收率=100%;因此,反射率和吸收率增大,透过率就减少,对紫外线的防护性就好,从而将紫外线遮挡屏蔽。

       因此,纺织品对紫外线的防护机理分为反射和吸收两种;未整理普通纤维主要通过吸收对紫外线起到阻隔作用,而抗紫外线整理主要通过屏蔽剂来增强纺织品吸收或反射紫外线的能力。

2.织物抗紫外线性及抗紫外线的种类

       纺织品和其他任何物质一样,对光具有吸收和反射性能;不同的纤维和织物品种,对紫外线的透过率都不同。所谓抗紫外线纤维及其织物,即指对紫外线有较强的吸收和反射性能的纤维和织物;其制备和加工原理通常是对纤维和织物添加能屏蔽紫外线的物质,进行混合和处理,以提高纤维及其织物对紫外线的吸收和反射能力。

       这里的能屏蔽紫外线的物质指的是两类起反射紫外线作用的物质,习惯上称为紫外线屏蔽剂;而对紫外线有强烈选择吸收,并能进行能量转换而减少它的透过量的物质,习惯上称为紫外线吸收剂。紫外线屏蔽剂,通常选用一些金属氧化物的粉体,如:Al203、Si02、Mg0、Zn0、Ti02、高岭土等。将这些材料制成纳米级的超细粉体,由于微粒尺寸与光波波长相当,比表面积大,表面能高,超细粉体在与纤维材料共混结合后,增强了纤维材料对紫外线的反射和散射作用,从而防止和减少紫外线透过纤维材料。

       紫外线吸收剂通常是一些有机化合物,国内外紫外线吸收剂品种较多,常用的有水扬酸酯类化合物、金属离子螯合物、二苯甲酮类以及苯并三唑类等。紫外线吸收剂可使紫外线的能级降低,并使光能转化为热能而散发。

       2.1 紫外线屏蔽剂

       2.1.1 无机类紫外线屏蔽剂

       无机类紫外线屏蔽剂没有光能的转化作用,而是利用陶瓷或金属氧化物等细粉或超细粉末与纤维或织物结合,增加其表面对紫外线的反射和散射作用,以防止紫外线透过织物,损害皮肤。这些粉末包括高岭土、碳酸钙、滑石粉、氧化铁、氧化锌和氧化亚铅等。经试验对310~370nm波长区紫外线的反射或防护效果,以氧化锌和氧化亚铅为好,二氧化钛和高岭土也有一定作用。这些无机组分与有机紫外吸收剂相比,具有一定优点,除耐光性能和耐紫外线性能比较优越外,耐热性能也比较突出,特别是氧化锌更具有抗菌、防臭等功能。用于高质量的屏蔽纤维或织物的后整理,要求将紫外线屏蔽剂制成纳米材料。

       作为紫外线屏蔽剂的无机物对入射紫外线波长都具有较大的折射率,一般反射率与折射率有很大的关系,折射率越大,反射率也越大,对紫外线的反射就越强烈。Ti02、Zn0的折射率都很高,纳米Ti02的折射率为2.71,纳米Zn0的折射率为2.03。同时,物质的反射率和光波的波长也有关系,入射光的波长如果是在所选物质的吸收线或者吸收带附近,物质的折射就变的很大,相应地,这个波长的光波在物质的表面上也就强烈的被反射。或者在属于物质的发射光谱线附近,正好也就是反射光强度很高的位置,而被选作屏蔽剂的无机物的发射光谱线恰好在紫外线波长区域。

       因而,对紫外线具有强烈的反射作用。此外,折射率越高,紫外线散射效果就越大。这些强烈的反射和散射作用就使无机紫外线屏蔽剂能达到遮蔽紫外线的目的。

       2.2 紫外线吸收剂

       有机紫外线屏蔽剂主要是利用有机物质对紫外线光波具有强烈的、选择性的吸收作用。有机紫外线屏蔽剂分子结构上大多有连接于芳香族衍生物上的吸收波长小于400nm的发色基团(如C=N,N-N,N=O,O=O等)和助色基团(如-NH2,-OH,-S03H,-COOH 等),它们能强烈地、选择性地吸收高能量的紫外线,发生光物理过程或光化学反应,将紫外线能量转化为其他的能量形式而起到防紫外线的作用。一般当紫外线屏蔽剂在受到紫外光作用,吸收紫外线能量后,分子中产生电子迁移,SO激发成最低激发单线态Sl或更激发的单线态S2。被激发的分子又可能通过三种途径回到基态:发射荧光回到基态或内部先过渡到三线态Tl,然后释放出磷光回到基态或将能量以热能的形式传递给其他分子而回到基态;第三种是能量转移给能量转移剂而回到基态。这样一来就将吸收的能量以无害的热能或无害的波长较长的低辐射能量释放出来耗掉,而本身结构不发生变化,从而避免损害皮肤和防止高分子聚合物因吸收紫外线能量。

       目前,常用的紫外线吸收剂能吸收高能量的紫外线,进行能力转换,变为低能量的热能或波长较短的电磁波,使其对人体无害。国内外不同类型的紫外线吸收剂品种很多,但用在紫外线防护方面的要求较高,最好具有以下条件:

       ◆具有较好的防护效果,基本能够全部吸收有害的紫外线;

       ◆吸收剂能与纤维或织物较牢固地结合,具有一定的耐洗性;

       ◆处理工艺简单方便,基本上可以在原有的各种纺织印染设备上加工;

       ◆对纤维和织物的强度和色泽等方面无明显影响;

       ◆无毒,对皮肤无刺激;

       ◆原料制造方便,能批量或大量供应,价格不贵,使产品有竞争力。

       常用的紫外线吸收剂主要有二苯甲酮类、水扬酸酯类、苯并三唑类和有机镍聚合物等。它们各自作用于织物的机理及应用特点如下:

       (1)二苯甲酮类

       二苯甲酮类紫外线吸收剂是紫外线吸收剂中应用最广泛的一类;有反应性羟基和纤维容易结合,能吸收UVA和UVB紫外线;对280nm的紫外线吸收较少,有时易泛黄,价格较贵;分子中的酮基与羟基能产生内在氢键,构成了一个螯合环。当吸收紫外线能量后,发生分子的热振动,内在氢键破坏,螯合环打开,把紫外线能量变成热能而释放出来。此外,分子中的羟基会被吸收的紫外光能量所激发,产生互异构现象,生成烯醇式结构,也消耗掉一部分能量。

       (2)水扬酸酯类

       水扬酸酯类紫外线吸收剂是应用最早的一类;水扬酸酯分子中也有内在氢键。这类紫外线吸收剂吸收的能量在开始时很低,而且吸收的波长范围极窄(小于340nm);但经紫外线照射一定时间后,对紫外线的吸收逐渐增大,直到最大吸收:这是由于其在紫外线照射下发生分子重排,形成了紫外线吸收能力强的二苯甲酮结构,从而强化其紫外线吸收作用。该类价格低廉,大量吸收UVB,仅吸收少量UVA 紫外线;熔点低升华性强,使用有一定局限性。

       (3)苯并三唑类

       苯并三唑类紫外线吸收剂作用机理与二苯甲酮类相似,它也具有内在氢键形成螯合环,当吸收紫外线后,氢键破坏或变为光互变异构体,把紫外线的能量转化为热能而释放。其大量吸收UVA紫外线,效果好;而且由于其熔点高,吸附在纤维上有一定的耐洗性。但是,其无反应性基团,处理时要吸附于纤维表面才能达到吸收和屏蔽紫外线的效果。

       (4)有机镍聚合物

       有机镍聚合物也可作为紫外线吸收剂,它与一般的紫外线吸收剂的作用机理不同,前几种都是通过分子本身结构变化(光化学反应)来消散能量,而有机镍聚合物则通过分子间的能量转移(光物理过程)来消散能量。当紫外线照射到有机镍聚合物上时,与高分子聚合物被激发成为激发态的分子作用,使激发态回到基态,把紫外线能量转化为低能量的光谱散发,而不致使其破坏,从而保护高分子不被破坏。该类对部分纤维或织物,在一定条件下形成螯合态结合体,产生对紫外线的屏蔽作用,但其离子有颜色,使用时有一定的局限性。

       所以,各种紫外线吸收剂作用于织物有其共同点,同时,在具体应用方面又有各自的优点和局限性。因此,在选用紫外线吸收剂时要综合考虑其特点和结合应用中的实际情况。

3.改善织物抗紫外线性能的方法

       防止紫外线对皮肤造成的伤害,从纺织品方面来说,必须减少紫外线透过织物的量;织物对光的作用表现为对光的吸收、漫反射、透射三种形式。因此减少紫外线透过量可以有以下两种方法:

       (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积的纤维,或使用反光性强的物质如陶瓷粉(Mg0,Ti02等)进行织物的后整理加工。

       (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对织物进行处理,或在化学纤维纺丝时将其加入纺丝浴中。这种方法主要是利用其本身能吸收紫外线能量,并使之向低能级转化,变为低能量的热能或波长较短的电磁波,从而消除紫外线对人体和织物的危害。

       纺织品的抗紫外线防护就是在织物上施加一种能屏蔽紫外线的物质,并且被这些物质施加后的织物,其各项服用性能基本无不良影响。目前,国内外紫外线防护纺织品的生产,主要分为两大类:一种是抗紫外线纤维法(纺丝法),是通过在聚合或纺丝时加入紫外线遮蔽剂,制得抗紫外线纤维,然后,利用抗紫外线纤维生产织物;另一种方法是后整理法,是用紫外线遮蔽剂通过浸渍、浸轧或涂层等的方法,还有利用微胶囊技术和印花的整理方法以获得抗紫外线性能。

       3.1 抗紫外线整理方法

       改善织物的抗紫外线性能另一类方法可以采用一定的整理工艺对织物进行后整理,从而使其具备良好的抗紫外线功能;纺织品抗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几种:

       (1)高温高压吸尽法

       高温高压吸尽法相当于涤纶的高温高压染色。此方法主要是对于一些不溶或难溶于水的紫外线吸收剂,如苯并三唑类化合物,它们的分子结构同分散染料很接近,这样在高温高压的条件下可以进入纤维内部而固着,从而达到抗紫外线效果;对涤纶、锦纶等合成纤维织物的紫外线屏蔽整理,可以采用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、对皮肤毒性低的紫外线吸收剂就可以对织物进行处理。

       (2)常压吸尽法

       常压吸尽法主要对于一些水溶性的吸收剂处理棉、麻、羊毛、蚕丝等天然纤维类织物的抗紫外线处理。该类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。这种处理方法选用的吸收剂为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。这样,棉及其他天然纤维有较好的吸附能力。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。

       (3)浸渍式法

       浸渍法即在配置好的整理液中浸入织物,在规定的温度下浸泡一定的时间,然后取出,干燥或进行一定的热处理。

       (4)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。即将紫外线整理剂和相应助剂根据使用要求配置成一定浓度的溶液,以浸轧法处理到织物上去;浸轧液可由紫外线屏蔽剂、树脂、柔软剂等组成,浸轧法即将织物放到整理液中浸湿,然后用压辊轧去水分,此叫一浸一轧,也可以重复一次,即二浸二轧,这样使整理剂通过机械力作用挤压到纤维中去,然后进行干燥或热焙烘。

       但经烘干和或热处理后,织物上空隙孔眼容易被树脂(粘合剂)所覆盖,会影响整理织物的风格、吸水性和透气性。浸轧法可以分为轧烘法、轧蒸法和轧堆法;目前,采用较多的是轧烘法,其整理基本工艺流程:浸轧→烘干→热处理(焙烘)→成品。轧蒸法和轧堆法一般选用一些对纤维有反应性能的紫外线屏蔽剂,在浸轧→汽蒸(或堆置)过程中,屏蔽剂上的活性基团与纤维上的羟基(-OH)、氨基(-NH2) 发生化学反应而固着。该过程的作用机理类似于活性染料对棉和羊毛的染色过程,因此也可采用与活性染料同浴加工。

       (5)印花法

       为了提高印花织物的耐光(日晒)色牢度,有时也可将紫外吸收剂加入到印花色浆中,与染料同浆印花。由于汽车内装饰织物对耐光牢度的要求很高,故国外在其织物印花时多将紫外吸收剂与高耐光染料同浆印花。

       (6)涂层法

涂层法是将紫外线整理剂和涂层整理剂共混,均匀分散后得稳定的涂层胶,用涂布器(如刮刀、圆网印刮等)涂印到织物上,经过必要的烘干和热处理,在织物表面形成一层薄膜,从而达到紫外整理的功效。但经涂层整理后的织物存有弯曲性能、透气性和手感变差的趋势。

       (7)微胶囊整理

       将紫外线吸收剂用微胶囊技术制成微胶囊,其囊衣以高分子聚合物,如苯乙烯、丙烯酸酯为佳,采用边聚合边微胶囊的方法制成微胶囊。将紫外线吸收剂包于囊芯,然后用粘合剂及交联剂将微胶囊固着在织物上,可制成紫外线屏蔽率达85%以上的纺织品,微胶囊可以缓释紫外线吸收剂,从而达到长效防紫外的目的。

4.棉织物面料的抗紫外线整理

       抗紫外线整理生产实例:

       织物:60S×60S 108×68梭织物平纹布(染色)。

       抗紫外线整理剂:KIEPTON UV-C。

       工艺流程及条件:

       棉活性染色布→浸轧防紫外线整理剂40g/L→预烘(90~100℃×2~3min)→热拉幅定型(150~160℃×2.5~3min)→落布、成品。

       通过后整理——浸轧法对棉织物进行抗紫外线处理,对整理后的织物进行紫外线透过率及织物紫外线辐射防护系数(UPF)测试,测试结果见表1。

       通过生产实践及相关分析,可得如下结论:

       (1)利用抗紫外线吸收剂KIEPTON UV-C对棉织物进行浸轧处理后,织物的抗紫外线效果得到较好的改善,达到抗紫外线面料的要求;同时,经过抗紫外线整理后织物的服用性能基本没有大的不良影响,而且织物耐水洗性能也较好。

       (2)影响棉织物抗紫外线性能的织物结构因素主要是织物紧度;对织物其他结构参数基本相同的情况下,织物紧度越大,则织物抗紫外线性能越好。这主要是由于织物紧度大,其覆盖率也越大,从而织物紫外线透过率就少,抗紫外线效果也变好。

       (3)对不同织物组织的棉机织物而言,在其他织物结构参数基本相同的情况下,织物抗紫外线性能效果缎纹棉织物最好,斜纹织物其次,平纹织物最差。

5.结束语

       (1)抗紫外线整理纺织品是当前新发展的功能性产品,在发达国家尤其受到妇女儿童的青睐;纺织品的防紫外线整理应采用高科技进行原料(纤维)和纺纱研究,从原料的选择、织物结构、织物染色色泽和后整理技术上综合考虑,以提高织物面料防紫外线的性能。

       (2)研制开发新型环保具有反应活性的整理剂,以提高整理后织物防护性能及耐久性,并且对人体和环境不造成的危害;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、易去污等进行多功能复合整理,提高产品的附加值。

       (3)单一功能的纺织品并不满足市场需求,人们更倾向于多功能的织物;多功能整理纺织品正受到人们的关注和喜爱,例如人们对拒水、拒油、易去污、抗菌、防辐射及抗静电等具有多种功能的纺织品需求越来越大,多功能整理剂的应用也越来越广泛,功能性纺织品将会得到迅速的发展。

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作者简介:

彭志忠,江西新余人,印染高级工程师,从事染整工艺近三十年,致力于纺织染整、印花新技术研发及技术应用推广等工作。


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