抗紫外线纤维及纺织品的研究
紫外线是波长为200nm—400 nm的光波,一定的紫外线辐射具有杀菌作用、促进维生素D的合成,可用于消毒及相关行业。人们接受适量的紫外线照射,有利于身体健康。但是,近年来随着大气污染的不断加剧,造成大气臭氧层的严重破坏,紫外线辐射强度增大,危害人们的身体健康,由紫外线辐射而引起的疾病主要有皮肤癌和紫外线过敏两大类。因此,开发抗紫外线纺织品用于保护人们身体健康,就显得十分重要。
1. 紫外线辐射对人体的危害
紫外线的波长是在200nm~400nm 之间,不同波长的紫外线对人体的危害程度如下:
在波长低于280nm区域内,紫外线对人体的危害主要是使皮肤发红、出现局部结块;而当波长达到280nm时,皮肤炎症出现,紫外线对人体的危害加剧;当紫外线的波长在280nm—320nm 之间时,经紫外线照射,人体皮肤黑色素增多,有产生皮肤癌的危险。因此可以得出,对人体有害的紫外线波长是在200~320nm之间,特别是波长在280nm~320nm之间,紫外线辐射对人体的危害最大,也是开发抗紫外线纺织品时应重点考虑的问题。
2.抗紫外线纺织品的加工技术
抗紫外线纺织品应具有抗紫外线辐射的能力,其关键技术是如何阻碍紫外线与人体皮肤的接触。纺织品抗紫外线技术目前主要有两大类。一是在加工生产化学纤维时,将紫外线屏蔽剂加入,即采用熔融法纺丝时,加入紫外线屏蔽剂,使生产出的化学长丝或短纤维本身就具有屏蔽紫外线的功能;二是采用表面涂层法,即采用抗紫外线物质均匀地分散于粘合剂中,涂在织物上形成屏蔽薄膜,阻隔紫外线与人体皮肤接触。紫外线屏蔽剂的主要作用是反射或散射紫外线,目前常用的紫外线屏蔽材料为陶瓷粉ZnO、TiO2等。为保证紫外线屏蔽剂的效果,其粉末颗粒直径d≥λ/2(λ为波长),但颗粒直径过大,会影响纺丝的质量,织物的手感也会受到影响,一般要求颗粒直径d≤0.01μm.日本开发的ZnO-100和Zn-200两种紫外线屏蔽剂的物理性能如表1所示(该屏蔽剂主要用于涂层法)。该产品一般结合涂层整理,具有涂层高度分散、无色透明、耐久性强等优点。
表1 抗紫外线屏蔽剂的物理指标
项 目 |
ZnO-100 |
ZnO-200 |
结晶形状 |
六方晶体 |
六方晶体 |
粒子直径/μm |
0.005~0.015 |
0.01~0.02 |
比表面积/m2.g-1 |
60(SN2) |
40(SN2) |
体积质量/g.cm-3 |
5.88 |
5.88 |
吸油量/ml.(100g)-1 |
89 |
90 |
折射率 |
1.86 |
1.86 |
色调 |
白色 |
白色 |
用途 |
纺织品 |
医药、化妆品 |
除紫外线屏蔽剂外,也可以采用紫外线吸收剂来达到防紫外线的作用。吸收剂在吸收紫外线光能量后,转变成活性异构体,随之以光和热的形式释放这些能量恢复到原分子结构,同时光稳定性好。纺织用紫外线吸收剂主要有水杨酸系列(有效吸收波长为290nm—330nm);苯酮系列(有效吸收波长为280nm—340nm和270nm—380nm两种);苯三唑系列(有效吸收波长为270nm—380nm);氰基丙烯酸系列(有效吸收波长为280nm—350nm)。但目前紫外线吸收剂的使用效果仍不尽人意,如有的吸收剂以本身灭亡为代价吸收紫外线,抗紫外线寿命降低;有的吸收剂吸收紫外线后产生危害性转移,并有可能缩短织物的服用时间。
根据以上分析,认为采用纺丝法生产的抗紫外线纤维加工的纺织品,具有屏蔽效果好,抗紫外寿命长,对织物外观和手感影响小,同时陶瓷粉还具有隔热、抗菌、除臭的效果,是生产抗紫外线纺织品的理想原料。
3. 抗紫外线纤维的物理指标
国产抗紫外线涤纶长丝及短纤的主要物理指标见表2、表3、表4。由表2、表3、表4可以看出,不管是涤纶长丝还是短纤维,其物理指标都与常规涤纶无大的差异,在纺纱或织造的过程中加工顺利,因此采用常规的纺纱工艺和设备都可生产出良好的产品。
表2 抗紫外线POY涤纶长丝主要物理指标
细 度 |
170 dtex/36f |
130 dtex/36f |
断裂强度/cN.dtex-1 |
2.36 |
2.32 |
断裂强度CV/% |
3.12 |
3.23 |
断裂伸长/% |
104.2 |
107.7 |
断裂伸长CV/% |
2.71 |
4.51 |
沸水收缩率/% |
46.19 |
50.36 |
含油率/% |
0.56 |
0.65 |
表3 抗紫外线DTY涤纶长丝主要物理指标
细 度 |
120 |
85 |
断裂强度/cN.dtex-1 |
4.17 |
4.23 |
断裂强度CV/% |
3.56 |
0.76 |
断裂伸长/% |
32.18 |
29.08 |
断裂伸长CV/% |
0.68 |
1.96 |
沸水收缩率/% |
4.9 |
5.7 |
表4 抗紫外线涤纶短纤维主要物理指标
物理指标 |
数据 |
物理指标 |
数据 |
细度/dtex |
1.58 |
长度偏差/% |
-3.4 |
强度/cN.dtex-1 |
5.88 |
超长纤维/% |
0 |
强度CV/% |
15.2 |
倍长纤维/% |
0 |
伸长率/% |
23.1 |
疵点/mg.(100g)-1 |
0.3 |
10%定伸长强度 /cN.dtex-1 |
3.15 |
卷曲数/个.(25mm)-1 |
12.6 |
卷曲度/% |
10.7 |
||
平均长度/mm |
36.7 |
含油率/% |
0.19 |
4.抗紫外纤维织物的抗紫外线效果
a)针织物抗紫外线效果
采用抗紫外线短纤与棉混纺,纱号为18tex,混纺比为T/C 65/35,经针织成T恤面料。采用紫外线强度累计法测试并计算紫外线透过率和紫外线遮蔽率,即测定给定时间通过面料的紫外线累计量Qs(J/cm2)和未放试样状态下相同时间内紫外线累积量Qk(J/cm2),然后利用公式可求出:
紫外线透过率=Qs/Qk×100%
紫外线遮蔽率=(1- Qs/Qk)×100%
不同波长时针织物紫外线透过率和遮蔽率见表5.
表5 针织物抗不同波长紫外线的性能指标
波长/mm |
透过率/% |
遮蔽率/% |
400 |
3.35 |
96.65 |
390 |
3.42 |
96.58 |
380 |
3.37 |
96.63 |
370 |
3.12 |
96.88 |
360 |
3.18 |
96.82 |
350 |
3.32 |
96.68 |
340 |
3.16 |
96.84 |
330 |
2.87 |
97.13 |
320 |
2.60 |
97.40 |
310 |
1.75 |
98.25 |
300 |
1.43 |
98.57 |
290 |
1.47 |
98.53 |
280 |
1.52 |
98.48 |
270 |
1.53 |
98.47 |
260 |
1.53 |
98.47 |
250 |
1.44 |
98.56 |
240 |
1.46 |
98.54 |
230 |
1.25 |
98.75 |
220 |
1.25 |
98.75 |
210 |
1.22 |
98.78 |
200 |
1.25 |
98.75 |
由表5可知,在紫外线波长范围内,最大透过率为3.42%,最小透过率为1.22%,最大遮蔽率为98.78%,最小遮蔽率为96.58%。在对人体皮肤危害严重的波长范围内(波长范围在280nm—320nm之间),其透过率在1.43%—2.60%之间,遮蔽率在97.40—98.57之间。由此可见,利用抗紫外线纤维与棉纤维混纺加工成的针织物,具有良好的抗紫外线效果。
b)机织物抗紫外线效果
采用抗紫外线涤纶短纤与粘胶纤维混纺,纺制T/R 65/35 13tex 纱,机织物为平纹府绸。采用同样的测试计算方法对其进行紫外线透过率和遮蔽率的测试,其结果见表6.
表6 机织物抗不同波长紫外线的性能指标
波长/mm |
透过率/% |
遮蔽率/% |
400 |
33.85 |
66.15 |
390 |
30.16 |
69.84 |
380 |
13.87 |
86.13 |
370 |
7.04 |
92.96 |
360 |
7.29 |
92.71 |
350 |
7.26 |
92.74 |
340 |
7.12 |
92.88 |
330 |
7.03 |
92.97 |
320 |
6.15 |
93.85 |
310 |
2.87 |
97.13 |
300 |
2.54 |
97.46 |
290 |
2.62 |
97.38 |
280 |
2.69 |
97.31 |
270 |
2.68 |
97.32 |
260 |
2.64 |
97.36 |
250 |
2.66 |
97.34 |
240 |
2.72 |
97.28 |
230 |
2.90 |
97.10 |
220 |
3.04 |
96.96 |
210 |
3.29 |
96.71 |
200 |
4.33 |
95.67 |
由表6可知,在紫外线的波长范围内,最大透过率为33.85%,最小透过率为2.54%,相对应的遮蔽率为66.15%和97.46%。在波长为280nm—320nm区段内,其透过率在6.15%—2.54%之间,遮蔽率在93.85%--97.46%之间。这些都表明织物对有害波长紫外线有良好的屏蔽作用。
另外,采用130dtex/36f 抗紫外线涤纶长丝与普通涤纶长丝交织而成的面料以及采用85dtex/36f 抗紫外涤纶长丝针织成的T恤衫,经测试,在紫外线光谱200nm—380nm区段,平均遮蔽率为94.0%--96.8%。
以上产品不但具有抗紫外线的功能,而且对于可见光、红外光线均有定的反射作用,经有关人员试穿,普遍反映凉爽舒适。
5. 结语
(1) 紫外线波长在200nm—380nm之间对人体皮肤有伤害作用,特别是波长在280nm—320nm之间,对人体皮肤损害更为严重。
(2)抗紫外线纺织品可采用抗紫外线纤维或采用涂层法,两种方法各有其特点,可根据不同需要进行选择。
(3)采用抗紫外线涤纶与棉或粘胶混纺,生产的织物具有良好的抗紫外线效果,同时混入棉或粘胶纤维,不但可改善织物的服用性能,同时又可以降低成本。
(4)采用陶瓷粉作为紫外线屏蔽剂,不但具有抗紫外线功能,同时还具有隔热、除臭和抗菌的效果,特别适合用作夏季服装面料。
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