纺织品紫外线防护性能分析*

陈 东 石程玉 徐 丽 刘洪玲

东华大学纺织学院， 上海 201620

纺织品紫外线防护性能分析*

陈 东 石程玉 徐 丽 刘洪玲

东华大学纺织学院， 上海 201620

比较并分析织物组织、厚度、经纬密和紧度对纺织品的紫外线透过率和紫外线防护系数(UPF值)的影响。结果表明：在其他参数接近的情况下，斜纹织物的抗紫外线性能优于平纹织物，平纹织物又优于平纹地提花组织织物；织物越厚，其紫外线透过率越小，抗紫外线性能越好；随着织物经纬密和紧度增加，其紫外线透过率减小，UPF值增加，抗紫外线性能提高。

纺织品， 紫外线透过率， 紫外线防护系数

随着生活水平的提高和环境污染的加重，人们对纺织品防护功能的要求越来越高，对有关的功能整理的需求越来越迫切，织物的紫外线防护处理就是其中之一。虽然适量的紫外线照射可以促进人体对维生素D的吸收，但是过量的紫外线会破坏人体皮肤细胞中的胶质原和弹性纤维，引发皮肤病甚至皮肤癌[1]141。因此，人们开始研究紫外线防护产品，包括纤维原料的选择、纺纱方式、织物结构和后整理等对织物的抗紫外线性能的影响[2]。Zimniewska等[1]141的研究表明，天然纤维(如汉麻和亚麻)中包含的化学组分——天然色素、木质素、蜡和果胶，是天然的紫外线吸收剂，有利于提高织物的抗紫外性能；另外，他们比较了不同组织结构的织物的UPF值，得出了缎纹组织织物的抗紫外性能优于斜纹组织织物，而斜纹组织织物的抗紫外性能优于平纹组织织物的结论。Kan等[3]的研究表明，无扭矩环锭纱制成的针织物比常规环锭纱制成的针织物拥有更好的抗紫外线性能，但将2种织物经紫外线吸收剂和生物抛光处理后，常规环锭纱制成的针织物表现出更好的抗紫外性性能。Grifoni等[4]89的研究表明，亚麻织物用明矾媒染和蜡菊属植物染色，会获得很好的抗紫外性能。

紫外线是指电磁波谱中100～400 nm波长范围内的一段。通常，波长在320～400 nm范围内的称为UVA，约98.8%的UVA波段的紫外线能够穿透人体肌肤的真皮层，并对真皮层的弹性纤维和胶原蛋白纤维造成一定损害。波长在290～320 nm范围的称为UVB，其大部分被臭氧层吸收，只有约1.1%能到达地球表面，但该波段的紫外线对人体的伤害程度约为UVA的1 000倍，可导致皮肤老化、皮肤疾病及引起基因突变和肿瘤等。波长在290 nm以下的称为UVC，其在经过地球表面同温层时几乎被臭氧层完全吸收，对人类不会造成伤害[1]142， [5]。当紫外线照射到人们穿着的服装上时，其中一部分被织物表面所吸收，另外一部分被织物反射，还有一部分会透过织物，而透过织物的这部分紫外线将对织物里面的人体皮肤产生不良影响[6]。紫外线防护系数(即UPF值)是指当皮肤无防护时计算出的紫外线辐射平均效应与皮肤受到防护品防护时计算出的紫外线辐射平均效应的比值。防护品的UPF值越大，表明其抗紫外线效果越好[7]。

本试验从面料市场上采购了多种织物，从中选出具有代表性的9种织物，每种织物按需取小样进行分析，探讨织物组织、厚度、经纬密和紧度等基本参数对织物的抗紫外线性能的影响。

1 试验部分

1.1 材料

本试验选用9种织物作为样品(编号为1～9)，各取5块小样。厚度，用织物厚度仪测量；经纬密，用照布镜计数纬向、经向10 cm长度内的纱线根数而得到；纱线直径，用Nikon生物显微镜对织物拍照，然后使用Nano Measurer软件进行测量；紧度，根据经纬密和纱线直径计算得到。各基本参数以5块小样的测试值的平均值作为测试结果(表1)，样品外观如图1所示。

表1 样品基本参数测试结果

1号

2号

3号

4号

5号

6号

7号

8号

9号

1.2 紫外线透过率测试

本试验采用日立U-4100型紫外分光光度计获得各样品的分光透过率曲线，进而得到各样品在290～400 nm波长范围内的紫外线透过率。测试前，样品须放在温度(20±2)℃、相对湿度(65±2)%的恒温恒湿室内调湿24 h。

1.3 紫外线防护效果评价

本试验采用澳大利亚/新西兰标准(AS/NZS 4399-l996)，评价样品的紫外线防护效果。

根据测得的样品的紫外线透过率，计算UVA和UVB波段的平均透过率[T(UVA)AV和T(UVB)AV]，再计算出UPF值：

(1)

(2)

(3)

式中：Eλ为相对红斑量光谱影响力；Sλ为太阳光谱辐射度，W/(m2·nm)；Tλ为某一波段上紫外线透过织物的百分数，%；λ为波长，nm；△λ为波长间隔，nm。

表2给出了UPF值与防护等级的关系[4]91，由此可以得到样品的紫外线防护效果。

表2 UPF值与防护等级的关系

2 结果与分析

2.1 织物组织对纺织品抗紫外线性能的影响

为探讨织物组织对纺织品抗紫外线性能的影响，选取3种织物组织不同但厚度和经纬密相近的1、 2、 7号样品进行分析，且1、 2号样品的紧度相近。图2和表3分别是1、 2、 7号样品的紫外光谱图及紫外线透过率与UPF值。

图2 1、 2、 7号样品的紫外光谱图

表3 1、 2、 7号样品的紫外线透过率与UPF值

由图2可以看出，无论在UVA波段还是UVB波段，7号样品的紫外线透过率都高于1、 2号样品，即其紫外线防护性能较1、 2号样品差，UPF值最小。由表1可见，7号样品为平纹地提花组织织物，再依据图1，其表面的凹凸不平现象明显，这使得其漫反射增加，而沿着法线方向的正反射减少，造成织物的抗紫外线性能下降。另外，从表1可知7号样品的紧度为86.76%，小于1、 2号样品，这也是其紫外线透过率较大、遮蔽性能较差的原因之一。

从表3可以看出2号样品(斜纹组织织物)的紫外线防护效果优于1号样品(平纹组织织物)。在织物厚度、经纬密和紧度接近的情况下，平纹组织的交织次数较多，纱线与纱线之间的缝隙较多，而斜纹组织的浮线较长、交织次数较少，纱线之间更容易相互靠紧，故缝隙较小[8]，因此2号样品的紫外线防护效果优于1号样品。

由此可见，当织物厚度、经纬密和紧度相近时，斜纹组织织物的抗紫外线性能优于平纹组织织物，平纹组织织物又优于平纹地提花组织织物。

2.2 织物厚度对纺织品抗紫外线性能的影响

为探讨织物厚度对纺织品抗紫外性能的影响，选取织物厚度差异较大的3种样品(2、 3、 8号)进行分析，其中2、 3号样品为斜纹组织织物、8号样品为缎纹组织织物，且它们的经密、纬密和紧度相近。图3和表4分别是2、 3、 8号样品的紫外光谱图及紫外线透过率与UPF值。

图3 2、 3、 8号样品的紫外光谱图

表4 2、 3、 8号样品的紫外线透过率与UPF值

从图3可见，3号样品的紫外线透过率远远大于2、 8号样品，其最低的紫外线透过率在15.00%以上，而2、 8号样品的最高的紫外线透过率分别在1.00%、 5.00%以下，说明它们的抗紫外性能差异明显。由表1可知，2、 8号样品的厚度较大，分别为0.755、 0.511 mm，3号样品的厚度最小，仅为0.235 mm， 说明3种样品的紫外线透过率随织物厚度增加而减小。从表4可见，2、 3、 8号样品的UPF值相差甚多，依次为157.07、 4.94和33.54。从织物组织分析，当其他参数接近时，缎纹组织织物的抗紫外性能应优于斜纹组织织物，但8号样品(缎纹组织织物)的UPF值小于2号样品(斜纹组织织物)，由此可见织物厚度对织物的抗紫外线性能的影响非常明显。其原因不难理解，当织物厚度增加时，织物中的纤维层数增加，紫外线照射到织物上时会发生多次反射和折射，这导致更多的紫外线被纤维反射和吸收，所以从织物中透过的紫外线减少，因此织物的抗紫外线性能增强[9]，紫外线防护效果越好，即防护等级越高。

2.3 经纬密对纺织品抗紫外线性能的影响

为探讨织物经纬密对纺织品抗紫外线性能的影响，选取紧度和织物组织相近的5、 6、 9号样品进行分析，且6、 9号样品的厚度相近。图4和表5分别是5、 6、 9号样品的紫外光谱图及紫外线透过率与UPF值。

图4 5、 6、 9号样品的紫外光谱图

表5 5、 6、 9号样品的紫外线透过率与UPF值

如图4所示，5号样品的紫外线透过率为10.00%～ 15.00%，6号样品的紫外线透过率在6.00% 以下，而9号样品的紫外线透过率小于5.00%。 研究表明，紫外线透过率在5.00%以下的织物有很好的抗紫外线性能[10]，说明9号样品的紫外线防护性能很好。从表5可以看到，5、 6、 9号样品的UPF值随着经纬密的增大而提高，分别为7.52、 19.83、 28.13，相应的防护等级为一般、良好、很好。从表1可知，5号样品的厚度大于6、 9号样品，由此可看出经纬密对织物的抗紫外线性能的影响非常显著。经纬密越大，织物更加紧密且缝隙更小，织物遮挡和吸收的紫外线增多，紫外线透过率就下降，织物的抗紫外线性能越好。

2.4 紧度对纺织品抗紫外线性能的影响

为探讨织物紧度对纺织品抗紫外线性能的影响，选取厚度和织物组织相近的4、 6、 9号样品进行分析。图5和表6分别是4、 6、 9号样品的紫外光谱图及紫外线透过率与UPF值。

图5 4、 6、 9号样品的紫外光谱图

表6 4、 6、 9号样品的紫外线透过率与UPF值

根据图5、表6，可以看出，无论在UVA波段还是UVB波段，紧度最小的4号样品的UPF值都远远小于紧度较大的6、9号样品，未能达到防护效果良好的防护等级。其原因是紧度小的织物中经纬纱覆盖面积小，织物遮挡和吸收的紫外线减少，透过织物的紫外线增多，织物的抗紫外线性能下降[11]。一般来说，织物紧度在92.00%以上就具备很好的紫外线防护效果[1]150。9号样品的紧度为93.73%，UPF值为28.13，达到了防护效果很好的防护等级。由此可知，当厚度和织物组织相近时，织物紧度越大，其经纬纱覆盖面积增大，对紫外线的遮挡和吸收增加，透过织物的紫外线就越少，织物的抗紫外线性能越好。

3 结论

本文测试了不同组织结构、厚度、经纬密和紧度的织物的紫外线透过率和紫外线防护系数，分析了织物组织、厚度、经纬密和紧度对纺织品抗紫外线性能的影响，得出：

(1) 当其他基本参数相近时，斜纹组织织物的抗紫外线性能优于平纹组织织物，而平纹组织织物又优于平纹地提花组织织物。

(2) 当其他基本参数相近时，织物越厚，紫外线透过率越小，织物的抗紫外性能越好。

(3) 当其他基本参数相近时，经纬密越大，织物更加紧密且纱线间缝隙更小，紫外线透过率越小，织物的抗紫外性能越好。

(4) 当其他基本参数相近时，织物紧度越大，表明经纬纱覆盖面积越大，织物对紫外线的遮挡和吸收越多，透过织物的紫外线就越少，织物的抗紫外性能越好。

[1] ZIMNIEWSKA M， BATOG J. Chapter 4-Ultraviolet-blocking properties of natural fibres[M]// Handbook of Natural Fibres，Volume 2： Processing and Applications. Cambridge： Woodhead Publishing Limited， 2012.

[2] 朱航艳，于伟东.纺织品抗紫外线性能与评价[J].纺织导报，2003，21(5)：141-144.

[3] KAN C W， AU C H. Effect of biopolishing and UV absorber treatment on the UV protection properties of cotton knitted fabrics[J]. Carbohydrate Polymers， 2014， 101(1)：451-456.

[4] GRIFONI D， BACCI L， LONARDO S D， et al. UV protective properties of cotton and flax fabrics dyed with multifunctional plant extracts[J]. Dyes & Pigments， 2014， 105(3).

[5] 张秀红，姜连仁.抗紫外纺织品概述[J].中国科技信息，2006，23(5)：70-70.

[6] 寇勇琦，段亚峰，党旭艳.防紫外线功能性纺织品的技术机理与应用[J].国外丝绸，2009，24(1)：30-32.

[7] 刘晓东，靳玉伟.防紫外线纺织品性能测试方法[J].中国个体防护装备，2004，22(5)：31-32.

[8] 周永凯，胡羽轩，韩凌，等.毛织物的抗紫外线性能评价[J].毛纺科技，2004，22(8)：48-52.

[9] 朱航艳，于伟东，王正伟.织物防紫外线性能的表征[J].产业用纺织品，2003，21(12)：16-20.

[10] FENG Xingxing， ZHANG Lili， CHEN Jianyong， et al. New insights into solar UV-protective properties of natural dye[J]. Journal of Cleaner Production， 2007， 15(4)：366-372.

[11] 朱航艳.纺织品光学性能的表征与评价[D].上海：东华大学，2004.

Analysis on ultraviolet resistance properties of textiles

ChenDong，ShiChengyu，XuLi，LiuHongling

College of Textiles， Donghua University， Shanghai 201620， China

The influences of weave structure， thickness， warp density， weft density and tightness of fabric on the transmittance of ultraviolet and the ultraviolet protection factor(UPFvalue) of textiles were compared and analyzed. The results showed that， in the case of the closeness of other parameters， the resistance to ultraviolet of twill fabrics was better than that of plain fabrics， while the resistance to ultraviolet of plain fabrics was better than that of plain jacquard fabrics； the thicker the fabric was， the smaller the transmittance of ultraviolet of the fabric was， and the better the resistance to ultraviolet of the fabric was. With the increasing of warp density， weft density and tightness of fabrics， the transmittance of ultraviolet of the fabric decreased， theUPFvalue of the fabric increased， and the resistance to ultraviolet of the fabric improved.

textile， transmittance of ultraviolet， ultraviolet protection factor

*上海市大学生创新训练项目(sh201510255110)

2016-07-02

陈东，女，1995年生，在读本科生，主要研究方向为纺织材料改性

刘洪玲，Email： hlliu@dhu.edu.cn

TS101.923

A

1004-7093(2017)04-0022-06