自体涂层双重防护服用织物的开发

张永革， 王慧玲,2, 周 彬,2, 陈 燕

(1. 盐城工业职业技术学院 纺织服装学院， 江苏 盐城 224005；2. 浙江理工大学 材料与纺织学院， 浙江 杭州 310018)

紫外线与电磁辐射是目前比较常见的电磁污染。防紫外线织物常采用紫外线屏蔽剂涂层整理的方式进行生产加工，通过涂层整理增加其功能性，不影响原有织物的性能，但往往功能单一，没有多重防护效果，且紫外线屏蔽剂的效果也千差万别。防电磁织物大都是采用含金属导电纤维混纺纱织造的，虽然弥补了导电纤维服用性差的缺陷，但也导致金属导电纤维很难形成连续的导电网络，屏蔽效能欠佳。

本文结合现有功能织物存在的问题，设计了一种新型双重防护织物，该织物以镀银涤纶丝交织形成防护层，采用与基层自体接结的方式进行连接，基层为腈纶丝和棉纱的交织物，防护层外侧利用纳米二氧化钛(TiO2)防紫外线涂料进行涂层整理，最终形成一种既具防紫外线和电磁辐射功能，又不失舒适性能的自体涂层双重防护服用织物，可应用在具有多重辐射的场合，保护使用者免受过多辐射伤害。

1 双重防护织物结构和组织设计

本文设计的自体涂层双重防护服用织物包括织物基层、防护层和纳米二氧化钛涂层3部分。织物基层由经纱和纬纱交织而成，经纱为腈纶丝，纬纱为棉纱，防护层为超细镀银涤纶丝按照三上二下加强斜纹组织织造而成，防护层外有1层纳米二氧化钛涂层[1]，织物的结构如图1所示。

1—织物基层；2—防护层；3—纳米TiO2涂层。图1 防护织物的截面图Fig.1 Sectional viewgraph of protective fabric

腈纶弹性好、强力高、保暖性优良，耐晒性在普通纤维中是较好的；棉纤维柔软、吸湿性、导电性好，不易产生静电。二者交织做成的面料穿着舒适而且具有耐用性，适用于生产防护服。超细镀银涤纶丝(青岛天银纺织科技有限公司)手感柔软，光泽柔和，具有高柔韧性、高密度、高比表面积以及高保温性能，超细涤纶织物外观具有丝绸效果且更适于进行涂层整理[2-3]；超细涤纶纤维表面包覆一层致密、均匀、牢固的镀银层，纤维导电性良好，可对外界的电磁波产生反射和引流，将其阻挡在膜的外层无法进入材料内部空间，防电磁辐射性能优良。纳米TiO2既能吸收紫外线，又能反射、散射紫外线，还能透过可见光，是性能优越的屏蔽紫外线防护剂。 本文设计织物基层经纱选用线密度为37 tex的腈纶丝，纬纱为29 tex的棉纱，捻度为15捻/cm；织物基层的经向密度为16～20根/cm，纬向密度为14～18根/cm。防护层的经纬纱均采用线密度为16.7 tex的超细镀银涤纶丝，防护层织物的紧密度要高于基层[4]。根据织物常用的经纬密范围，结合织物功能要求，经向密度一般为31.5～39.5根/cm，纬向密度一般为27.5～35.5根/cm。

织物的基层与人体接触，选用浮长线较长的缎纹组织，手感柔软舒适，防护层组织需要与基层组织配合良好，2层组织中的经纱与纬纱按照1∶2进行排列[5-6]，防护层与基层组织采用双层接结的织物组织结构设计原理自成一体，在织机上一次成形[7-8]。基层组织与防护层组织以及二者接结[9]后形成的合成组织如图2所示。

图2 织物组织图Fig.2 Diagram of fabric weave. (a) Basic level weave; (b) Protective layer weave; (c) Synthetic weave of basic layer and protective layer

织物试样在SGA598型全自动剑杆织样机(江阴市通源纺机有限公司)上织造。投纬为35次/min，织物筘幅为50 cm，筘号为180筘/(10 cm)，每筘3入，12页综，分区穿。

2 试验部分

2.1 试验材料

双重防护服用织物；钛酸四丁酯(C16H36O4Ti)、无水乙醇(C2H6O)、硝酸、聚氨酯(PU)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、六偏磷酸钠，均为分析纯，南京化学试剂股份有限公司提供。

2.2 试验仪器

BT-2003型激光粒度分布仪(丹东百特仪器有限公司)；YH-200DH型超声振荡搅拌器(上海予皓科学仪器有限公司)；LAB-COATOR纺织品涂层整理小样机(南通宝来纺织设备有限公司)；YG902C型防紫外线透过及防晒保护测试仪、DR913型织物防电磁辐射性能测试仪(温州市大荣纺织仪器有限公司)；YG461E型数字式织物透气量仪、YG811D-2型电脑式织物悬垂仪(南通三思机电科技有限公司)。

2.3 纳米TiO2颗粒的制备

利用溶胶-凝胶法制备纳米TiO2，将60 mL钛酸四丁酯与300 mL无水乙醇充分混合，利用超声振荡搅拌器快速搅拌5 min，将混合液均匀加到pH值为3.0的硝酸水溶液中，再用超声搅拌10～20 min，静置72 h，便可得到半透明的纳米TiO2溶胶[10]。

2.4 防紫外线涂料的制备及涂层

1)将一定质量的聚氨酯(PU)颗粒均匀倒入装有DMF的溶解杯，边倒边搅拌，使聚氨酯颗粒完全溶解；2)将一定质量的TiO2颗粒均匀倒入装有DMF的溶解杯，超声搅拌使其均匀分散在DMF溶液中；3)将第2步所得的混合液倒入第1步所得的PU溶胶中，通过搅拌使其混合均匀；4)将所配制的防紫外线涂料通过纺织品涂层整理小样机涂覆到织物上，制得涂层织物，车速为2 m/min，烘燥温度为105 ℃。

2.5 TiO2粒径测试

采用激光粒度分布仪对TiO2颗粒进行粒径及其区间分布测试，以纯水为介质，折射率为1.333，折光率为5.21，数据处理采用Mie散射理论。

2.6 防紫外线和电磁辐射性能测试

参照GB/T 18830—2009《纺织品 防紫外线性能的评定》，采用防紫外线透过及防晒保护测试仪对织物进行防紫外线性能指标测试；参照SJ 20524—1995 《材料屏蔽效能的测量方法》，采用织物防电磁辐射性能测试仪对织物进行全频率防辐射性能指标测试。

3 结果与讨论

3.1 TiO2粒径及其分布

利用激光粒度分布仪测试TiO2颗粒粒径及分布，结果如图3所示。由测试结果可知，制得的TiO2颗粒体积平均粒径为27.46 nm，中位粒径为25.31 nm，其主体粒径范围在18.97～49.74 nm之间。

3.2 试验方案选取

TiO2的涂覆量是防护织物防紫外线功能和服用舒适性能的主要影响因素，防护层镀银涤纶丝经纬交织形成屏蔽辐射的网络，其经纬密是织物防电磁辐射性能的主要影响因素，因此选取防护层TiO2的涂覆量、防护层镀银涤纶丝的经密、防护层镀银涤纶丝的纬密3个因素作为影响织物功能的指标，根据正交试验设计原理，按照L9(33)正交表(见表1)安排试验，最终形成9种代表性的生产方案，结果如表2所示。

图3 TiO2颗粒粒径分布图Fig.3 TiO2 particle size distribution map

表1 工艺参数Tab.1 Process parameters

表2 试验方案和测试结果Tab.2 Scheme and results

3.3 方案优选

选取2个功能性防护指标紫外线防护系数和最大屏蔽效能，2个服用舒适性指标透气率和悬垂系数共4个量为评价指标，各指标具有正相关性且权重相当。将9种方案按照灰色聚类方式进行优选。

3.3.1方案白化数的确定

用dij表示聚类白化数，其值为

3.3.2白化权系数矩阵

对白化数dij程序运算，得到白化权系数矩阵：

按照灰色聚类的运算原理，白化权系数矩阵每行中的3个数值对应方案综合指标属于“优”“良”“差”的可能性大小，其最大数值所对应的灰类，即为该方案的指标评价结果。由此可知，优选方案为方案5、方案7和方案9。

4 防护功能测试分析

以第5种方案为例，分析织物整理后的防护性能。

4.1 防紫外线性能

织物的防紫外线性能测试结果如图4所示。涂层整理后，织物的防紫外线系数(UPF)可达到60.1，UVA透射比为3.61%，UVB透射比为0.91%，日光紫外线透射比为2.82%。按照GB/T 18830—2009《纺织品 防紫外线性能的评定》，当测试样品的UPF值大于40、UVA透射比小于5%时，可称其为具有防紫外线功能的产品，因此，所测样品具有较好的防紫外线效果。

图4 防紫外线辐射性能Fig.4 Anti-UV radiation performance

4.2 防电磁辐射性能

织物防电磁辐射性能的测试结果如图5所示。屏蔽效能的计算公式为Es=10lg(P0/P1)×100%。根据测试结果可知：该织物平均屏蔽效能为99.992 0%；最大屏蔽效能为99.998 9%，所对应频率为120 MHz；最小屏蔽效能为99.958 6%,所对应频率为205 MHz。表明该织物具有非常好的防电磁辐射性能。

图5 防电磁辐射性能Fig.5 Anti-electromagnetic radiation performance

5 结 论

1)设计了由基层、防护层、涂层3层结构组成的防护织物。防护层采用镀银超细涤纶长丝进行经纬交织，按照加强斜纹组织结构设计，与织物基层按双层组织原理以自体接结的方式进行连接，在防护层外侧利用纳米TiO2防紫外线涂料进行涂层整理，可形成稳定有效的防紫外线保护层。防护层通过接结的方式与基层连接，基层采用接触舒适性较好的腈纶和棉纤维，增加了服用舒适性。

2)借助正交试验选定9种生产方案，利用灰色聚类分析确定最优工艺参数，分别测试了制得的防护织物的紫外线防护性能和防电磁辐射性能。结果表明：防护织物的紫外线防护系数为60.1；平均屏蔽效能为99.992 0%；最大屏蔽效能为99.998 9%，所对应频率为120 MHz；最小屏蔽效能为99.958 6%，所对应频率为205 MHz。

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