紫外線防護整理
紫外線防護整理
一紫外線的組成及危害
二紡織品對紫外線的防護作用
三抗紫外線整理機理
四抗紫外線吸收劑
五抗紫外線屏蔽劑
六抗紫外線整理劑
一紫外線的組成及危害
1.1紫外線的雙重作用
益處：
（1）紫外線照射是有益的，它能促進維生素D的合成→促進鈣、磷在體內(nèi)的吸收→幫助骨骼生長發(fā)育
（2）殺菌、消炎作用
害處：紫外線照射容易引起角膜炎、結(jié)膜炎，誘發(fā)皮癌、人的免疫能力下降。
氟利昂（氯氟烴），農(nóng)藥（溴甲基化合物）
臭氧層破壞1%，到達地球表面的紫外線增加2%，皮膚癌發(fā)病率增加4%，人的免疫能力下降。因此，紡織品的防紫外線整理更加引人注目。
1.2不同波長紫外線的特征
紫外線 UV-A UV-B UV-C
波長/nm 320-400 280-320 100-280
臭氧層吸收程度 穿透臭氧層 大部分被臭氧層吸收 絕大部分被臭氧層吸收
到達地面的輻射量 95% 不足2% 約為0
對人體傷害 對人體皮膚造成損傷 較UV-A損傷高1000倍 難以到達地面
不同波段紫外線對人體的影響
①UV-A（320-400）段：引起肌膚變黑、干皺老化、失去彈性、嚴重的會導致皮癌。是紫外防護整理的主要對象。
②UV-B（280-320）段導致真皮血管擴張，紅腫，產(chǎn)生水泡，曬傷皮膚。紫外防護主要對象。
③UV-C（100-280）段被臭氧層吸收。
1.3對高分子材料的危害
（1）紫外線能夠催化高分子材料降解，引起材老化。尤其對室外使用的高分子材料的破壞更為明顯。如塑料分子降解表現(xiàn)為失去韌性，而脆性增加，因此制造塑料時要加入防老化劑；
（2）引起紡織材料的降解，導致光脆損；
（3）引起染料發(fā)色基團的破壞，導致光褪色；
紡織品防紫外整理有助于防止織物的光脆損和光褪色，因此防紫外整理的防護性能是多方面的。
第二節(jié)紡織品對紫外線的防護作用
2.1入射光線：
一部分被吸收;
一部分被反射；
一部分透射過織物發(fā)生擴散輻射和直接輻射.
這些光線中作用人體是直接輻射部分。
如果織物吸收、反射紫外線的能力強，則紫外防護性能好。
2.2UV-R防護作用的表征
UPF越大，防護效果越好。
紫外線防護指數(shù)UPF（ultravioletprotectionfactor）：
表征紡織品和服裝對紫外線的防護能力。定義為紫外線對未防護皮膚的平均輻射量與經(jīng)被測試織物遮擋后紫外線平均輻射量的比值。
在美國稱為:太陽保護系數(shù)(SPF)
UPF UV-ray透過量 類別 防護等級
大于40 小于2.5 優(yōu)良 3
30-40 3.3-2.5 很好 2
20-29 5.0-2.4 良好 1
2.3影響紡織品防紫外線輻射的因素
（1）滌綸纖維防紫外線能力強
苯環(huán)結(jié)構(gòu)對300nm以下的紫外線有很強的吸收能力，滌綸纖維大分子中含有密度較高的苯環(huán)結(jié)構(gòu)，防紫外線性能好。
（2）羊毛防紫外線能力較強
蛋白質(zhì)分子中的芳香族氨基酸對紫外線有很強吸收性，因單位質(zhì)量苯環(huán)的密度低于滌綸，在織物密度、厚度相同的情況下，羊毛、蠶絲的防紫外性能不如滌綸，但好于纖維素纖維。
錦綸和彈力纖維織物防護性能相對低些。
（3）棉、黏膠纖維織物防紫外能力低。是整理的對象
（4）消光滌綸纖維較有光滌綸纖維防紫外線能力強
纖維原料本身是透明的，在服用上因遮蔽性的需要，要進行消光處理，一般的消光劑是二氧化鈦，而二氧化鈦是紫外線屏蔽劑，通過反射作用降低紫外線的透過量。如有光纖維的紫外防護指數(shù)UPF為9，消光纖維的UPF為15。
不同纖維未染色織物的UPF
纖維種類 織物類型 厚度/mm 克重/g/m2 UPF
棉 府綢（坯布） 018 107 6
棉 府綢（漂白） 0.22 110 2
麻 平紋 0.14 89 18
蠶絲 緞縐 0.20 84 6
毛 0.28 125 13
滌綸 0.29 165 24
黏膠 0.11 92 4
2.4纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響
（1）纖維纖度細，防護效果好
（2）異形截面較圓形截面防護效果好
（3）短纖維織物的防護效果優(yōu)于長絲織物
2.5織物組織規(guī)格與紫外線防護的關(guān)系
（1）織物厚重防護效果好
粗紡織物厚重，一般較精紡織物防紫外效果好；
（2）緊度大織物防護效果好
緞紋、斜紋組織緊密，一般較平紋組織織物防紫外效果好。
輕薄、稀疏織物紫外線易透過，防護效果差
UPF正比于100/孔隙率或正比于100/（1-覆蓋率）
織物的空隙率過大抗紫外整理效果也不明顯。也就是說，抗紫外線整理的織物應(yīng)有一定的密度。
（3）織物表面平坦光滑防護效果好
織物表面平坦光滑度越高，對光線的反射能力越強，
則防護效果好
2.6織物顏色與紫外線防護的關(guān)系
（1）深濃顏色對紫外光吸收強如黑色、深藍色。
淺淡顏色織物紫外線透過率高。
（2）藍、綠色透光率小，紅色是佳的防護色。紫外線容易被波長長的紅色吸收，紅色吸收600nm以下譜段；
（3）熒光染料染色、熒光增白織物紫外防護性能好。
熒光染料或熒光增白劑產(chǎn)生熒光的機理：吸收紫外光電磁波，發(fā)生電子躍遷，使分子處于不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)，當電子遷回基態(tài)能級時，發(fā)出可見光，即熒光?？梢?，熒光染料和熒光增白劑具有紫外防護功能。
三抗紫外線整理機理
織物對光線的反射透射作用
（1）增強織物對紫外線的吸收能力：可以選用具有紫外吸收能力的纖維（抗紫外功能纖維）編織織物和利用紫外吸收劑進行織物整理來達到。
（2）增強織物對紫外線的反射能力：
例如：高比表面纖維及含高比率的TiO2纖維；還可以選擇適當?shù)目椢锝M織結(jié)構(gòu)，如織物的緊密度和平整度，來增強對光的反射能力；
利用染整加工的手段通過對織物施加紫外線反射劑，使織物具有紫外線防護功能。
吸收、反射兩者結(jié)合起來達到的。
光物理過程：紫外吸收劑吸收紫外線能量后，產(chǎn)生電子遷移，基態(tài)S。激發(fā)成低激發(fā)單線態(tài)S1或更高激發(fā)的單線態(tài)S2。而激發(fā)態(tài)的分子又可能通過三種途徑釋放能量回到基態(tài)：即發(fā)射熒光、磷光或?qū)⒛芰恳詿崮艿男问椒懦龌氐交鶓B(tài)。這樣就將吸收的紫外能量以無害的熱能或無害的低輻射能量釋放出來，而本身結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化，從而避免了紫外線損害皮膚和防止高分子聚合物因吸收紫外線能量而發(fā)生分解。
四抗紫外線吸收劑
4.1結(jié)構(gòu)
有機類抗紫外線整理劑分子結(jié)構(gòu)上大多有芳環(huán)結(jié)構(gòu)，且有連接于芳香環(huán)上的發(fā)色基團:C//N，N：N，N一O，C一O，-OH等，發(fā)色基團吸收波長小于400nm的紫外線
在光照作用下，二苯甲酮衍生物分子吸收紫外光，分子中的羰基呈不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)，容易從臨位的酚羥基上奪取氫原子，生成烯醇釋并放出多余能量，進一步分子內(nèi)的烯醇與醛酮發(fā)生互變異構(gòu)，恢復成初的二苯甲酮結(jié)構(gòu)，并放出熱量。
這個化學反應(yīng)過程伴隨著紫外線能量的消耗（化學鍵的互變異構(gòu)或光能轉(zhuǎn)變成熱能放出），終紫外線吸收劑回到它的初始狀態(tài)。
4.2抗紫外吸收劑的作用機理
紫外吸收劑強烈地、選擇性地吸收高能量的紫外線,并通過光物理過程和／或光化學反應(yīng)，將吸收的紫外能量轉(zhuǎn)化為無害的熱能或無害的低輻射能量釋放出來，從而起到防護紫外線的作用，紫外吸收劑本身結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化。
五抗紫外線屏蔽劑
5.1結(jié)構(gòu)
紫外線反射（屏蔽）劑：主要是無機類化合物
如陶瓷粉、金屬氧化物（氧化鋅，二氧化鈦等）的細粉或超細粉
5.2反射（屏蔽）劑作用機理
利用無機物質(zhì)對入射紫外線有較大的反射和折射或散射作用，降低紫外線的透過率，而達到防紫外線的目的。
5.3紫外線屏蔽劑：
無機類抗紫外整理劑具有安全高效、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，無機粒子通過對紫外線反射、折射、散射作用屏蔽紫外線。
主要品種：氧化鋅、二氧化鈦、氧化鐵、硫酸鋇、二氧化硅、氧化鋁等。
氧化鋅：屏蔽效果好，價格低，無毒，應(yīng)用廣泛。反射波長240/X380nm（UV-B全部、UV-A；-C一部分）。
二氧化鈦：反射波長340/X360nm反射波長窄，30-40nm二氧化鈦，對紫外線有良好的吸收能力。
陶瓷粉或微粒、氧化鐵、氧化亞鉛也有屏蔽紫外線功能。
應(yīng)用多的是氧化鋅、二氧化鈦、陶瓷粉或微粒。
5.4紫外反射劑特點
安全性能優(yōu)良；
對紫外線反射或散射、折射的波長范圍廣
六抗紫外線整理劑
6.1理想的抗紫外整理劑應(yīng)具備的條件
a、安全無毒，對皮膚沒有刺激或過敏反應(yīng)。
b、吸收紫外線的波長范圍廣，效果好。有些紫外吸收劑吸收波長窄，就需要幾種助劑配合使用。
c、不影響織物色澤、手感、強度和色牢度。
d.耐水洗和干洗，對光、熱、化學品穩(wěn)定。
e.吸收紫外線后不泛黃，不產(chǎn)生有毒氣體或固體。
6.2有機類抗紫外線整理劑
二苯甲酮類
（1）作用機理：
具有共軛結(jié)構(gòu)，吸收紫外光后發(fā)生
氫鍵的互變異構(gòu)，使光能轉(zhuǎn)變成熱能或（且）放出熒光、磷光
消耗吸收的能量，達到防紫外線的目的。
（2）對紫外線有效吸收波長
吸收280-400nm紫外線，即UVA和UVB段；
對280nm以下紫外線吸收少
（3）對纖維親和性
含有多個羥基，對纖維的吸附能力較好，適宜纖維素織物
的整理
易泛黃
苯并三唑類
（1）作用機理:
與二苯甲酮類相似，具有內(nèi)在氫鍵，形成螯合環(huán)。當吸收紫外線后，氫鍵破壞或變?yōu)楣饣プ儺悩?gòu)體，把紫外線的能量轉(zhuǎn)化為熱能或光能而釋放。
（2）有效吸收紫外波長
大量吸收315-400nm紫外線，即UVA段；
（3）對纖維的作用
分子結(jié)構(gòu)與分散染料很相近，可以采用高溫高壓法與分散染料染色同浴進行，主要應(yīng)用于滌綸的抗紫外整理。
錦綸、羊毛、蠶絲和棉織物應(yīng)用水溶性的這類化合物，是在分子中接上適當數(shù)量的磺酸基。
（4）毒性??；品種產(chǎn)量大
水楊酸酯類吸收劑
應(yīng)用早的紫外線吸收劑
（1）作用機理
分子有內(nèi)在氫鍵，在紫外線照射下發(fā)生分子重排，形成了紫外線吸收能力強的二苯甲酮結(jié)構(gòu)，從而強化其紫外線吸收作用。
（2）有效吸收紫外波長
大量吸收280-330nm紫外線，即大量吸收UVB段少量吸收UVA段；
吸收波長分布于短波一側(cè)
（3）熔點低，易升華，牢度低，應(yīng)用較少
（4）強光照下形成醌型結(jié)構(gòu)，會出現(xiàn)變色現(xiàn)象
（5）價格便宜
金屬離子螯合物類
金屬離子化合物是作為螯合物使用
應(yīng)用：適用于可形成螯合物的染色纖維，例如錦綸的裝飾材料常用這類化合物處理，目的是提高染色品的耐光牢度。
反應(yīng)型抗紫外整理劑
結(jié)構(gòu)
在紫外線吸收劑的母體上接上活性基團。被稱為活性紫外線吸收劑
根據(jù)聯(lián)接的基團制成適用于滌綸和纖維素、蛋白質(zhì)纖維的助劑
天然纖維用反應(yīng)型紫外吸收劑
（1）水溶性紫外吸收劑適用于棉、麻纖維素纖維和
蛋白質(zhì)纖維；
（2）反應(yīng)性基團與活性染料的活性基結(jié)構(gòu)相似，反應(yīng)機
理相似。
Ciba公司專為親水性纖維棉、麻等開發(fā)的防紫外線整理劑。
商品名稱：CIBAFAST（汽巴快斯）CEL
特點：（1）含有雙活性基團，被稱為活性紫外線吸收劑。
（2）良好的堅牢度，在沸水中重復洗滌對其紫外輻射防護系數(shù)也無影響。
6.3納米抗紫外線整理劑
有透明性或白質(zhì)的金屬氧化物的粉體
如三氧化二鋁、氧化鎂(MgO)、氧化鋅(ZnO)、二氧化鈦(TiO2)、高嶺土等。
納米TiO2
納米TiO2的電子結(jié)構(gòu)，由充滿電子的價電子帶和沒有電子的空軌道形成的傳導帶構(gòu)成，存在禁止帶間隙。禁止帶間隙約為3．2eV，相當于約410nm波長的光能，當納米二氧化鈦受光照射時的能量與禁止帶間隙相同或比禁止帶間隙能量稍大的光被吸收，價電子帶的電子激發(fā)至傳導帶，因而對紫外線部分產(chǎn)生吸收。
粒徑小于100nm的TiO2紫外線透過率低于20％。
ZnO廉價無毒，屏蔽紫外線波長范圍比較寬，
納米ZnO還被證實具有抗菌防霉防臭功能，因而應(yīng)用前景更廣
影響納米材料紫外線屏蔽效果的因素
主要有：
①粒徑:一般要求顆粒直徑d<100nm，以30//50nm為佳；
②晶型：對TiO2的晶型而言，金紅石型屏蔽紫外線的效果要優(yōu)于銳鈦型；
③分散性：納米材料在介質(zhì)中分散性越好，越有利于小尺寸效應(yīng)的發(fā)揮，抗紫外效果就越好。ZCU5E6p
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