不同防晒材料的光谱分析对运动防晒措施的启示

李 恒

(南京航空航天大学 体育部,江苏 南京 210016)

不同防晒材料的光谱分析对运动防晒措施的启示

李 恒

(南京航空航天大学 体育部,江苏 南京 210016)

通过光谱实验分析伞布、白色T恤、防晒服以及防晒霜的防晒机理，探讨对运动防晒的启示。研究认为，深色伞布比浅色伞布吸收紫外线的能力要强；多层夹层和小孔的白色T恤能够增加对光的吸收、散射和漫反射；防晒霜和防晒服主要功能是吸收紫外线。同时指出，利用静态的材料做短时性的固定光的光谱分析，来阐述防晒可能会用到的措施和手段，从面对运动过程的复杂性来看还远远不够，需要保持一个开放性和批判性的思维和视角，用相对精确的数据来说明一些运动防晒理性的问题。

防晒材料；光谱分析；运动防晒

现代社会的发展，越来越崇尚回归自然，走向户外，将身心释放到一个更广阔的空间里。随之而来的是人们生活方式和身体活动形式的多样化和趣味化。越来越多的人选择户外身体活动，追求身体活动乐趣，开展各项运动竞赛，当他们在收获身体体质健康水平趋好，体验生活生存乐趣的同时，也产生了关于防晒的思考，在趋利避害的心理引导下，更多的防晒措施和方法得以尝试，更多的防晒材料和用品层出不穷。本研究将通过解析防晒的机理，从衣物材料的选择和防紫外线辐射方面，为户外运动防晒提供更多的参考和选择。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

研究选取遮阳伞布(背面为银灰色)、白色体能训练T恤布料、防晒霜[0.01 g涂在尺寸为2×2 cm的高透光的PET(0.188 mm)衬底上]和防晒服的投射、吸收和发射光谱进行分析。

1.2 研究方法

用检测器测量实验样品的光谱进行分析研究。

三个检测器：光电倍增管(PMT)、InGaA 和 PbS 检测器，可以覆盖从深紫外到近红外的范围，InGaAs 和 PbS 两个检测器使得在近红外区的灵敏度极高。

实验样品的透射、吸收和反射光谱是在紫外-可见-近红外分光光度计(UV-3600)测量，光谱范围200～3 300 nm。

光源有氘灯和溴钨灯(波长覆盖200～2 000 nm)。

2 检测结果

2.1 深色伞布比浅色伞布吸收紫外线的能力要强

遮阳伞多是银胶布料，具有遮光、防辐射功能。

图1 不同颜色遮阳伞的反射光谱图

图1是三种颜色的遮阳伞伞布彩色面的反射光谱。从散射光谱中可以看出：可见光区的反射带对应我们看到的彩色遮阳伞的颜色(如紫色、蓝色和浅蓝色)；波长小于400 nm，反射率迅速降低；由于遮阳伞布对200～1 000 nm范围光的透射率均小于2%，而反射系率降低，说明遮阳伞对光的吸收或散射逐渐加强，若透射率以2%计算，紫色和蓝色的遮阳伞对紫外线的吸收率在44%～93%，而浅蓝色伞的防晒效果较差(就这三种伞布而言)，这也是深色伞布比浅色伞布吸收紫外线的能力要强的原因；对于400 nm ～300 nm范围的紫外波段，遮阳伞的反射率减弱，吸收或散射加强，其中对UVB的吸收或散射在80%～93%。

2.2 多层夹层和小孔的白色T恤能够增加对光的吸收、散射和漫反射

图2是不同空隙的运动白色T恤的反射光谱(对200～1 000 nm范围光的透射率均小于5%)，可见光区的较宽的反射是我们看到白色T恤的原因。对于波长小于400 nm的紫外线，反射率迅速降低。但由于多层夹层的存在，增加了对光的散射或漫反射，若白色T恤对200～1 000 nm范围光的透射率以5%计算，大孔的白色T恤对紫外光的反射率在6%～77%，对紫外光吸收和散射率在18%～90%，小孔白色T恤较为致密，对紫外光中UVB的反射率达28%，吸收和散射达73%。

图2 不同透气性白色T恤反射光谱图

2.3 防晒霜和防晒服主要功能是吸收紫外线

图3是SPF30、SPF37 PA++、SPF50和SPF50++++分别涂在PET高透光薄膜的透射光谱。可以看出PET对200～2 000 nm的光是高透过的。从图3中可以看出：随着SPF量值的增加，紫外线的透过率减小，且四种防晒霜对紫外线的透过率均小于2%，其中SPF50几乎能阻挡所有的紫外线。和SPF30相比，SPF37 PA++明显降低了UVA的透过率。由于颜色和粘稠度的不同，它们对可见光均有一定的透过率。

图3 不同防晒霜的透射光谱(衬底为高透光的PET薄膜)

既然防晒霜对紫外线的透过率很小，那么它们对紫外线是属于反射/散射还是吸收呢？

图4 不同防晒霜的反射光谱(衬底为高透光的PET薄膜)

图4是不同防晒霜的反射光谱，可以看出：可见光区较高的反射说明了防晒霜的乳白色，但四种防晒霜对紫外光的反射率较低，其中SPF50可以反射部分UVA，SPF30对UV-B的反射率相对较高；SPF30和SPF37主要反射长波长的可见光而呈现浅红色；SPF50可以反射几乎全部的可见光。因此，既然防晒霜对紫外光的透射和反射都较低，那么防晒霜的防晒效果主要来自对紫外线的吸收。

图5 防晒霜涂在PET上的吸收光谱(衬底为高透光的PET薄膜)

图5是不同防晒霜的吸收光谱。和反射光谱对应，SPF50几乎不吸收可见光，但对紫外光强烈吸收，SPF30和SPF37吸收短波长的可见光而呈现与此短波长互补的颜色；SPF37 PA++对短波长的紫外光吸收降低。从防晒霜的光谱结果可以看出：这几类防晒霜主要是利用吸收紫外线而达到防晒目的的。

图6 玫红色防晒服的反射和透射光谱

图6是玫瑰红色防晒服，显示可反射部分UV-A，透光性很小。这一点和防晒霜的光谱结果比较类似。

3 讨论与分析

3.1 运动防晒机理

3.1.1 太阳光波能量

太阳辐射从近紫外到中红外这一波段区间能量最集中， 太阳能量约99%集中在0.2～4 μm间，可见光部分约集中了38%的太阳能量。海平面处的太阳辐照度曲线与大气层外的曲线有很大不同，波长小于300 nm的紫外线大大降低，这主要是地球的保护伞臭氧层及大气和水蒸气对太阳辐射的吸收和散射(见图7)。

图7 大气层外和海平面处的太阳辐照度

作为一种不可见光线，紫外线根据波长可以分为三种，分别是UVA、UVB、UVC，其波长由长到短分别是UVA(315～400 nm)、UVB(280～315 nm)和UVC (280 nm以下)。一般来讲，波长越短，透入皮肤的深度越小，照射后黑色素沉着较弱;波长越长，透入皮肤的深度越大，照射后黑色素沉着较强。由于光化学反应的作用，能级较高的光子流能引起细胞内的核蛋白和酶的变性。

3.1.2 防晒指数

针对防晒的效果问题，我们需要首先了解一些防晒指数。

1)SPF

SPF是防晒指数(Sun Protection Factor )的英文缩写，是防晒护肤产品对紫外线防护能力的大小。它能防护UVB， SPF指数越高，对皮肤给予的保护能力就越大。SPF值不同，表示有效防晒的时间也不同。具体见表1。[1]

表1 不同SPF值的防晒时间和防护效果表

2) PA

PA是protection UVA的简称,PA代表防晒产品对UVA的防护效果(UVA是肌肤老化的凶手)，这是一种来自日本防晒指数测量标准，测试标准为2～4小时阳光照射后皮肤持久性黑色素沉淀的稳定指数。PA保护程度为PA+，PA++，PA+++。 “ + ”字越多， 防止UVA的效果就越好，有效防护时间也就越长。具体见表2。

表2 不同PA保护程度表

3.1.3 紫外线晒伤

在我们平时的生活和运动环境中，遇到的晒伤主要来自于紫外线中UVB和UVA。我们在采取防晒措施之前，首先要认识这两个不同波长范围的射线，表3是UVA和UVB两种不同紫外线的对照表。[2]

表3 紫外线中UVB和UVA的对照表

紫外线中，大气的臭氧层将一部分UVB(波长290～300 nm)和全部的UVC(波长<290 nm)吸收掉，不会接触到我们的皮肤； UVB带有强大的即时能量，作用于皮肤表层，会导致晒黑和晒伤，如果长期或过量照射，能破坏DNA，甚至引起皮肤癌变；UVA的能量值是UVB的100倍，有较强的穿透能力，当它深入真皮层，就会刺激自由基生成，加速皮肤老化和色素沉着。通过表1我们不难看到，最佳的防晒效果就是既要防止晒黑，又要防止老化，也就是说，我们的防晒措施和手段是要同时针对紫外线中的UVB和UVA。尤其要指出的是，作为主要防护对象UVA是一年四季都存在的。

根据以上的分析，目前防晒既要防止晒黑，又要防止老化，也就是针对紫外线中的UVB和UVA进行多种途径的综合处理。防紫外线的原理主要是减少它的透射,使紫外线尽量被反射掉或吸收掉。对于吸收的能量进行转换,以热能或其他无害低能辐射释放出去。因此，防晒需要反射/散射和吸收结合起来才能达到效果。一般防紫外线一般有两种方式：第一种是反射或散射紫外线，包括镀金属膜的镜面反射和粗糙或珠光面料散射[3]。例如，银胶布多用作防紫外线伞(遮阳伞)的面料，具有遮光、防辐射等功能，然而雨水会损伤伞的涂层，降低防晒效果。第二种是在织物纤维的内部掺入吸收紫外线的材料，或是在织物完成以后做后期处理，掺入一些吸收紫外线的材料，如纳米级的氧化锌或二氧化钛等，但是对颗粒的尺寸有严格的要求，颗粒太大不能满足光吸收的要求，颗粒太小会阻塞毛孔或进入体内。

3.2 运动防晒措施选择

在日常生活中，一提到辐射，我们首先想到的是紫外线辐射。 紫外线有化学作用、生理作用和商业的荧光效应而被用于消毒杀菌，人体合成维生素D和防伪验钞机等。太阳光中，各种光波都带有不同能级的能量，能量的存在，就会产生不同的作用效果。太阳光中的紫外线带有极强的能量，即使在晚上，紫外线依然存在。当我们处于户外或是直接在阳光下运动，就会接受到不同辐射或光线的能量，其中紫外线可穿透皮肤到达真皮层，损伤弹性纤维，伤害皮肤微血管到达皮肤的表皮，短时间即造成皮肤伤害，而对皮肤形成灼伤的罪魁祸首就是紫外线。我们的防晒主要就是防止或减轻太阳光中的紫外线对皮肤的伤害。

在运动过程中，我们可以选择的防晒方式有衣服、帽子、太阳伞、太阳镜、防晒霜防晒甚至食物防晒。其中使用防晒服、防晒霜和太阳伞是运动中最常见的几种防晒方式。

3.2.1 运动T恤的防晒

一般来说，一件普通的T恤衫也可以隔离95%的紫外线，尤其是对主要防护对象UVA的反射较大，所以外出时，尽量不要将皮肤过多地暴露在外，应穿着织法细密的长袖衬衫和长裤。然而，在闷热、潮湿的夏季，一旦衣服潮湿，T恤也就失去了防晒的效果，同时皮肤在湿润的状态下吸收紫外线的能力会大大提高。因此，夏季浅色T恤或体能训练服装一般是带有网状的夹层，一方面增加对光的散射几率，防止紫外线的直接透射，另一方面增加透气和散热功能，防止毛孔堵塞。

运动过程中肢体动作比较频繁，运动T恤可以起到很好的包裹作用，从而能够起到防晒作用。同时，运动过程中会产生大量的汗液，带来衣物防晒效果的降低，这时要注意及时更换衣服，同时要控制运动的时间。

3.2.2 防晒霜的防晒

防晒霜是指添加了能阻隔或吸收紫外线的防晒剂来达到防止肌肤被晒黑、晒伤的化妆品。根据防晒原理，可分为物理防晒和化学防晒(或无机和有机防晒)。物理防晒是利用防晒品中的粒子阻挡、反射或散射掉紫外线，使到达皮肤的紫外线量得以减少，通常会比较油腻。化学防晒是让防晒是利用吸收的原理达到防晒效果，防晒品中的化学成分(乳氨基苯甲酸及其衍生物、肉桂酸等)进入皮肤角质，经皮肤吸收后，跟紫外线产生交互作用，使其转变为无害的能量，因此需要提前半小时使用。随着纳米技术的发展，氧化物纳米颗粒也常常被用在日常防晒中，如氧化钛纳米粒子可完全阻隔UVB，但无法阻隔UVA；氧化锌纳米粒子可以阻隔大部分UVA和UVB[4]。化学防晒霜不会很油腻但是对皮肤刺激较大。理论上，物理防晒要好于化学防晒，但目前多数使用化学防晒。

运动中选择适合自己皮肤特点的防晒霜比较重要，一方面不会因为皮肤的油腻和汗液的杂糅而影响到运动情绪，同时又可以有效地避免运动过程中长时间暴露在紫外线的照射下而被灼伤。

3.3 后续研究展望

我们应该能够清楚地看到，在研究过程中，只能是利用静态的材料做短时性的固定光的光谱分析，来阐述防晒可能会用到的措施和手段，但从实际的运动过程的复杂性来看，我们的研究还远远不够。因为不同的运动项目会有不同的动作要求，人体在运动过程中的轨迹和路线不尽相同，那么，由此产生的皮肤暴露也不一样，采取的防晒措施和材料也会有显著的差别，这是其一；其二，运动过程中人体会产生很多汗液，汗液对防晒衣物以及防晒霜的防晒效果的折损是显然存在的，但是目前无法进行跟踪实验，来探明汗液量的多少与防晒效果之间的线性关系，这是后续研究所要解决的重点问题；第三，我们可以展望的是，运动时间和运动强度对于不同的人群对太阳光照射的需求与回避，这不可同一而论[5]，否则我们的研究将会陷入深深的教条主义，而失去应有的价值和探索性。所以，我们暂时保持一个开放性和批判性的思维和视角，来探索运动中的防晒，也只能通过静态的物化处理，得出相对精确的数据来说明一些理性的问题，这是研究的出发点，也是研究的终极目标。

4 结论与建议

4.1 结论

4.1.1 选择防晒霜防晒比较符合日常运动的需要

目前常用的防晒物品有防晒霜、隔离霜等直接涂抹在皮肤表层用以阻隔紫外线对皮肤的伤害，另外还有防晒服、防晒伞等通过遮挡或吸收部分紫外线来达到保护皮肤的目的。因为直接关乎到美容的问题，运动中很多时候在防晒霜的选择上比较常见，加上防晒霜以及隔离霜的宣传、广告效应，这方面的知识较为普及，而且通过上述的分析来看，各种防晒的选择很直观。

4.1.2 防晒服会受到汗液和水的浸润而降低防晒效果

常用的遮阳伞，一般来说遮阳伞透光率越低、形成的影子越深，则防晒效果越好。但是在运动中，我们的身体不可能时刻处于遮阳伞的保护下，所以使用防晒霜的同时，还要加强衣物对皮肤的防晒保护。我们试图通过对衣物的防晒光谱分析来说明防晒情况，以便于制作、选择和使用。而防晒衣只适合远足、登山，而且户外活动时湿衣服的防晒能力会明显下降。

4.2 建议

4.2.1 运动时尽量远离一切反射面，降低镜面反射的影响

紫外线强烈而又闷热的夏季，针对不同的活动形式，采用不同的防晒方式。镜面反射会反射高达85%的紫外线，打伞、戴帽也不能防住地面、水面反射的紫外线，所以日常生活中应尽量远离一切反射面，如海面、沙堆、橱窗等。

4.2.2 运动时根据自身的皮肤特质和需要选择合适的防晒霜

防晒霜只有防晒功能，但隔离霜不同。隔离霜除了具有防晒功能之外，在成分中还会添加抗氧化成分、美白成分或维他命成分。隔离霜最大的功效是抵挡紫外线给皮肤带来伤害的同时，还能隔离脏空气、脏东西，以减少自由基对皮肤的伤害。这些知识都可以通过防晒霜以及隔离霜的使用说明获得。

[1]杨慧娟.防晒功能生活装的研究和设计实验[D].上海：东华大学，2014:5.

[2]张英，范林，马子川.防晒剂防晒机理及其应用[J].化学世界，2007(12):762-765.

[3]慕容秀.防晒剂现状及应用[J]. 日用化学品科学，2008，31(7)：4-6，10.

[4]杜晶.在效果卓越的防晒及护肤产品中防晒保护的配方策略[J].日用化学品科学，2002，25(6)：37-41.

[5]李陈，王宏，邵际晓，文雨田.重庆地区中小学生皮肤光分型及防晒行为调查[J].中国学校卫生，2013，34(1)：81-84.

Spectral analysis of various materials of sunscreen for sports

LI Heng

(DepartmentofPhysicalEducation,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,Jiangsu,China)

It analyzed the sunscreen mechanism of umbrella cloth, white T-shirt, sunscreen and sunscreen by spectroscopic experiment, and explored the revelation of sports sunscreen. It is believed that dark umbrella cloth is stronger than that of light-colored to absorb ultraviolet light; The multi-layer sandwich and small hole in the white T-shirt can increase the absorption of light, scattering and diffuse reflection; The main function of sunscreen cream and sunscreen clothing is to absorb ultraviolet. It is also pointed out that the use of static materials to make a short-term fixed light spectral analysis can elaborate the the measures and means of sun proof, however, it is far from enough on the basis of the complexity of the exercise process. We need to maintain an open and a critical thinking and perspective to illustrate some of the rational problems of sports sun care with some relative accurate data.

sunscreen material; spectral analysis; sports sunscreen

2016-12-09

江苏省高校哲学社会科学研究基金指导项目(编号：2014SJD055)。

李恒(1980- )，男，硕士，讲师，研究方向体能训练与产品开发。

G818.4

A

1009-9840(2017)01-0059-05