防紫外线材料的应用

1抗紫外线材料的发展及应用1、概述理论上来说，短波紫外线在经过地球表面同温层时被臭氧层吸收，不能达到地球表面，不会对人体产生危害。但是近年来,随着人类使用大量的氟利昂等含卤素化合物日益增多，且不断的向空气中排放，致使出现臭氧层空洞。因此，到达地球的紫外线量增加，人类也意识到了的紫外线对人体健康可能造成的危害。有报告指出，自从1979年以来，中国大气臭氧层总量日益减少，至1999年臭氧层减少了14%，而臭氧层每递减1%，皮肤癌的发病率就会上升3%的几率。研究证明，紫外线会导致人体免疫功能下降，深度伤害遗传因子，导致皮肤癌、白内障、色斑癌的发病率增加等危害。表1-1不同波段的紫外线对人体的危害人们清楚地认识到紫外线对人类健康可能会造成的各种伤害。人们研制出的各种各样的防晒霜和抗紫外线化妆品，受到广大消费者尤其是女性消费者的青睐。但是，因为此类产品的防护能力和作用时间有限，且其产品成份含有的各种重金属会在人体积累，长时间的使用对人体健康造成一定的伤害。因此，人们把目光投向了防紫外线纺织品的研究，研制出具有防紫外线性能的遮阳伞、窗帘，帽子等等。人们发现，防紫外线纺织品能够更有效的，更大面积的阻挡紫外线对人体的过度伤害。2早在20世纪90年代，国外就开始对防紫外线纺织品的开发研究。澳大利亚、新西兰、日本等发达国家都对防紫外线纺织品进行了大量的研究和开发。其中，日本取得了令人瞩目的成就。虽然国内对防紫外线纺织品这方面的研究比较少，但是最近几年，国内的防紫外线纺织品研制开发得到了迅速的发展。目前在东部沿海地区的城市的许多公司已开发出具有优异防紫外线功能的纤维和织物。但是，相比较外国而言，我国对防紫外线纺织品的研究和生产都相对比较落后，商品种类较少，商品化程度较低。因此，我国的防紫外线纺织品的质量和技术含量还是有待提高，其防紫外线性能和服用性能的改善还需要更多的探索和研究。按照国标GB/T18830-2009《纺织品防紫外线性能的测定》规定，当样品的UPF40,且T(UVA)AV5%时，该种才具有较好的防紫外线性能。2、抗紫外线的研究现状2.1国外研究情况近年来，世界各国对防紫外线研究的深度和广度各不相同，在一些发达国家纺织界对开发研究紫外线防护产品已经形成一定规模化的生产。处低纬度日照较强的国家，以澳大利亚为代表率先开发研究抗紫外线纺织品对人体进行防护，而且使抗紫外线纺织品进入了商品化阶段。在开发抗紫外线织物中一直处于国际领先地位的日本，相继推出具有抗紫外线辐射功能的衬衫、帽子、运动服和太阳伞等制品，受到广大消费者的欢迎。澳大利亚及新西兰对紫外线防护比较重视。他们已制订了防紫外线整理织物的测试标准及评价方法。在1996年已用UPF值来表示衣服的紫外线屏蔽性能。我国有必要在参照有关国际、国外标准的基础上，制订相应的标准，以便与国际接轨，有利产品出口。紫外线防护剂可分为紫外线吸收剂和紫外线屏蔽剂。前者大多是有机化合物，后者则多为无机化合物。近年来，日本对抗紫外线的研究取得了重大的成果，其防紫外线产品得到了广大消费者的喜爱和消费，并得到了国际上的认可。例如，日本可乐丽公司产品]埃斯莫]纤维应用了日本住友水泥公司开发了超细氧化锌粒子(n-100,n-200)来获得防紫外线的性能。因为超细氧化锌粒子可以单分散状态吸附在织物上，所以用它整理后的产品]埃斯莫]纤维有较高的透明性。超细氧化锌粒子性能优异，为3六方晶系。超细氧化锌粒子易于分散的原因是因为超细氧化锌粒子结晶度高，比表面能小。日本已经研制出纳米级的氧化锌或氧化钛类屏蔽剂。日本Shiibo公司产品]RICAKGUARD]是用脂肪族多元醇类这种化合物整理的织物的，整理后的织物具有较好的抗紫外线性能。据报导，经脂肪族多元醇类这种化合物整理后的棉及涤／棉织物色牢度、透气性和吸湿性基本上没有多大的变化。经整理后织物的UVA透过率UVB透过率都很低，具有极好的防紫外线性能和耐洗性能。2.2国内研究情况在我国对防紫外线研究的起步较晚，取得的成果还不多。近年来，在我国的东部沿海地区的一些公司和一些高校对开发防紫外线功能的纤维和织物都进行了研究和开发。例如，我国厦门华普高技术产业有限公司开发的纳米级陶瓷棉纺织品，同时具有抗紫外线，抗菌及远红外保温功能。山东巨龙化工公司将紫外线吸收剂和屏蔽剂合理配合，成功研制用于棉织物的抗紫外线整理剂。在国内设有纺织专业、材料专业和化工专业的高校对防紫外线的产品也都有所研究。例如，在东华大学化纤工程研究中心研制出化纤级抗紫外线超微粉体和母粒。北京服装学院曾测试过经氧化锌处理的织物。抗经二氧化钛处理的织物紫外线性能良好，紫外线透过率较低，具有极好的耐洗性。总的来说，现在国内外防紫外线纺织品的生产主要采用以下两种方法。第一制种方法是得防紫外线纤维，然后利用防紫外纤维与普通纤维混纺，交织，构成抗紫外线织物产品具有永久抗紫外线性能。由于无机紫外线屏蔽剂耐热耐氧化，因此可以掺入聚酯母粒，纺成防紫外线纤维。其中效果较好的是采用纳米级的陶瓷粉末，这种产品国内尚未见报道。第二种方法是后整理法，利用紫外线遮蔽剂浸渍或涂层于织物表面，起到一定防护作用，近年来这方面的课题研究较多。两类防紫外线产品的生产方法中，第一种制得的防紫外线织物产品具有风格不变，防紫外线功能持久有效，但又有生产路线较长，加工比较复杂，成本较高等缺点。第二种方法，生产路线相对较短，加工相对简单，成本较低，但织物风格及耐久性均不如前者。43.1防紫外线材料类型防紫外线屏蔽剂的研究现状根据防护机理的不同，使用的紫外线屏蔽剂类型可分为两种。1.有机类紫外线吸收剂作用机理主要是对紫外线具有吸收作用的。有机类紫外线屏蔽剂即紫外线吸收剂，是指能吸收波长为270—400nm紫外线的有机化合物此类有机化合物的共同点是在结构上都含有羟基，在形成稳定氢键，氢键螯合环等过程中能吸收能量转变成热能散失。所以传导到高聚物中的能量很少起到防紫外线的作用。国内市场上常用的是二苯甲酮类、苯并三唑类，多用于织物涂层整理。水杨酸系由于熔点低、易挥发、吸收带偏向于低波段而很少使用。二苯甲酮中由于有可以自由控制的反应基团-OH,对于能同纤维进行离子结合的情况利用性较大,但其耐热性较差。二苯甲酮的光致互变使光能转为热能,将吸收的能量消耗而回复到基态能级。它对280nm以下紫外光吸收较小,有时易泛黄。苯并三唑系由于对近紫外有最大范围的吸收使其成为首选紫外吸收剂。但是该化合物本身不带有反应性基体,一般以单分子状态吸附在纤维表面。该类吸收剂熔点高,毒性小,在高温下有一定的水分散性。有机类紫外吸收剂的耐热性不足,时间长可能分解,同时其对于皮肤的刺激性也要加以考虑。2、无机类紫外线反射剂，作用机理主要是对紫外线进行反射。紫外线屏蔽剂大多是金属氧化物或陶瓷粉末，如二氧化钛、氧化锌、滑石粉、陶土、碳酸钙等。它们都具有较高的折射率，加入织物中，可增加织物表面对紫外线的反射和散射。由于无机类紫外阻挡剂的高效性、安全性、持久性，用于5纤维时也不会影响织物的风格，因而越来越受到人们的重视。[1-3]其中二氧化钛，氧化锌的紫外线透射率较低，较为常用。近年来由于纳米技术的发展,纳米TiO2、纳米ZnO的制备成为可能,同时粉体的紫外屏蔽特性随着粒径的减小而进一步增强，对于纳米TiO2-纳米ZnO复合粉体的研究发现,复合体系的紫外屏蔽性能优于单一体系。防紫外线纤维生产方法及防紫外线添加剂性能4防紫外线产品的制备4.1普通纤维的防紫外线性能选择未经染色处理并且工艺参数接近的棉、毛、丝、涤纶和粘胶等机织物进行紫外光透射率的测试，结果见表1。从表1可见，不同纤维织物对紫外光透射率的影响很大，毛织物的紫外光透射率最低(8.6％)，粘胶织物最高(27.3％)。需要注意的是，测试中毛织物的厚度几乎是其他织物的2倍，因为与其他样布相同厚度的羊毛织物未找到。因此，在进行比较分析时，需对紫外光透射率的平均值用厚度和覆盖度进行修正，经修正后的紫外光透射率平均值中，较低的是丝织物和涤纶织物(16.8％和15.3％)，而棉织物和粘胶织物的紫外光透射率较高(26.9％和26.O％)。6分析原因，主要是因为羊毛和蚕丝等蛋白质纤维中含有芳香族氨基酸，涤纶分子中含有苯环，它们的分子活性比较大，对小于300nm的紫外光有良好的吸收性，且大多数的涤纶纤维中都含有消光剂，对UVA(320～400rim)和UVB(290～320nm)具有较高的吸收率。而棉纤维和粘胶纤维中缺少这种活性基团，因此其防紫外辐射能力低。而麻类纤维具有独特的果胶质斜偏孔结构；苎麻、罗布麻纤维中间有沟状空腔、管壁多孔隙；大麻纤维中心有细长的空腔并与纤维表面纵向分布着的许多裂纹和小空洞相连。由于这些结构原因使麻纤维不仅吸水好，而且对声波和光波有很好的消除作用，因而具有较强的防紫外功能。将紫外线辐射阻断剂如氧化锌、氧化钛、碳化锆、氧化锆或陶瓷微粒掺入纺丝液中(涤纶、锦纶、醋酯纤维、腈纶等)制成防紫外辐射纤维。用这种防紫外涤纶纤维织成的织物，其紫外线辐射透过率约为棉织物的1／15、普通涤纶织物的1／6。所以具有防紫外线功能的羊毛麻类、蚕丝、涤纶、防紫外化纤等应作为首选原料。4.2防紫外线纤维生产方法(1)在成纤聚合物聚合过程中或熔融状态下加入具有紫外线屏蔽性能的成分。选择一种合适的紫外线吸收剂与成纤高聚物的单体一起共聚，制得防紫外线共聚物，然后纺成防紫外线纤维。例如，日本专利报道，用常规的直接酯化或酯交换后缩聚的方法制得防紫外线良好的线型聚酯，再通过常规的熔融纺丝法纺制成纤7维。这种纤维具有良好的防紫外线性能，能有效地吸收波长为280～340nm的紫外线，可用作室外用品。用至少一种芳香族二羧酸（比如TPA、IPA等）和EG为原料，在原料中或二羧酸的乙二酯中添加质量分数为0.04%-10%可耐250℃的二价苯酚类化合物（例如4，4＇-二羟基二苯甲酮等），用常规的直接酯化或酯交换后缩聚的方法制得防紫外线良好的线型聚酯，再通过常规的熔融纺丝法纺制成纤维。这种纤维具有良好的防紫外线性能，能有效吸收波长为280-340nm的紫外线。(2)在纤维制造过程中或任意阶段将屏蔽紫外线剂混入纤维中。防紫外线纤维的生产制造可通过共混纺丝制得，即将紫外线屏蔽剂或紫外线吸收剂的粉体在聚合物聚合时加入或直接共混纺丝，也可先制成防紫外线母粒再进行纺丝。这样制得的防紫外线纤维比后整理法制成的纺织品的防紫外线功能持久，耐洗性好，手感柔软，易于染色。但其混纺丝法由于粉体加入量的多少、颗粒的大小和均匀度的不同，其功能也不一样，并有可能逐渐堵塞喷丝孔，缩短喷丝板的寿命，增加成本。防紫外线添加剂性能选择合的防紫外线添加剂很重要。它需能选择性地强烈吸收波长为290～400nm的紫外线，有效地防止和抑制紫外线渗透。它还应具备低挥发性、良好的热稳定性、化学稳定性、耐水解性、耐水中萃取性、与高聚物有相容性等。聚合物经添加剂改性后，能与普通制品一样具有较好的耐洗性和耐烫性；良好的安全性、光稳定性；对皮肤无伤害，阳光下穿着感舒适。5防紫外线的后整理的方法5．1纺织品防紫外线辐射整理机理纺织品防紫外线辐射整理的机理，是在纺织品上施加一种能反射紫外线或能选择性吸收紫外线，并能进行能量转换，以热能或其他无害低能辐射，将能量释放或消耗的物质。施加这些物质后的纺织品，对织物各项服用性无不良影响，并达到使用要求，还可以增加织物对紫外线的反射和散射作用，防止透过织物。具有防暑、隔热、触感凉爽的性能。从光学原理上讲，光射到物体上，有一部分在表面反射，部分被物体吸收，其余的则透过物体。可是，经防紫外线辐射整理的8织物，光射到织物上，织物上的紫外线屏蔽剂不是将紫外线反射，就是选择性吸收并将其能量转换成低能而释放，以致将紫外线遮蔽，而另一小部分通过织物的间隙透过织物。5．2防紫外线辐射整理工艺5．2．1高温高压吸尽法对涤纶、耐纶等合成纤维织物的紫外线屏蔽整理，可以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，只要选择合适的紫外线吸收剂就可以。5．2．2常压吸尽法对于一些水溶性的吸收剂处理羊毛、蚕丝、棉以及