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普通染整加工對(duì)織物紫外線防護(hù)性能的影響

來源：印染在線　發(fā)布時(shí)間：2009年10月28日

關(guān)超王柏華北京服裝學(xué)院材料工程學(xué)院北京 100029作者簡(jiǎn)介：王柏華（1958-）男，副教授，中國(guó)紡織工程學(xué)會(huì)信息專業(yè)委員會(huì)委員，從事服裝材料研究開發(fā)與評(píng)價(jià)等工作

紫外線對(duì)人體的危害早已為人們所了解[1,2]。提高紡織品紫外防護(hù)的重要性也漸漸為人們所關(guān)注。在以往的抗紫外整理研究中，人們往往把注意力全部集中于各種抗紫外整理劑(紫外屏蔽劑或紫外吸收劑)的合成與應(yīng)用"但是，研究表明，織物的紫外防護(hù)性能取決于許多因素，包括煮練、漂白、熒光增門劑、染料、抗紫外整理劑等。因此，我們認(rèn)為通過調(diào)節(jié)抗紫外整埋劑以外的其他染整加工來實(shí)現(xiàn)抗紫外整理的目的也是很有可能的。在已發(fā)表的文獻(xiàn)中專門針對(duì)此的文章有限，有關(guān)介紹比較零散，而且很多觀點(diǎn)是相互矛盾的，因此，本文較系統(tǒng)的論述這方面的內(nèi)容：前處理中的煮練和漂白去除了織物中一些可吸收紫外線的物質(zhì)(如木質(zhì)素、天然色素等)，因此使織物的紫外透過率提高；熒光增白劑可以吸收紫外線并使其轉(zhuǎn)化成可見光反射出來，最終的結(jié)果是導(dǎo)致測(cè)試紫外透過率時(shí)的結(jié)果偏高；某些染料可以強(qiáng)烈吸收紫外線，從而造成織物紫外透過率的下降，大大提高織物的紫外防護(hù)性能，現(xiàn)詳細(xì)分述如下。

1 棉織物前處理對(duì)織物紫外防護(hù)性能的影響棉織物前處理的主要目的是將織物上的木質(zhì)素、色素、棉脂棉蠟等物質(zhì)去除，從染整加工的角度而言，這些物質(zhì)屬于雜質(zhì)，需要通過前處理工序?qū)⑵淙コ蕴岣呖椢锏陌锥群蜐?rùn)濕性能，便于后期的染色、印花、后整理加工。但是從抗紫外整理加工的角度而言，這些雜質(zhì)卻是天然的紫外吸收劑，應(yīng)該盡量的保留。因此，這些雜質(zhì)的去除對(duì)織物紫外防護(hù)性能的提高是不利的，雜質(zhì)去除越少，織物的紫外防護(hù)性能越好。下面進(jìn)行具體的論述。棉織物的煮練過程會(huì)使其UPF值塵小，使織物紫外防護(hù)性能降低。例如：研究中[3]分別測(cè)試煮練前后棉織物的紫外線透過率，發(fā)現(xiàn)煮練后棉織物在整個(gè)波段上的透過率都有所提高，例如：和3

5Onm處的紫外透過率為6%左右，而煮練后的紫外透過率達(dá)到14%左右，提高了一倍以上，紫外透過率的水平總體(從2OOnm到40Onm的整個(gè)波段上)上升大約10%，最高達(dá)到20%左右。這可能是因?yàn)樵谥缶氝^程中去除掉了棉脂棉蠟及少量的色素這些對(duì)紫外線有良好吸收性能的天然雜質(zhì)，從而使UPF減小。棉織物的漂白處理會(huì)進(jìn)一步使其紫外防護(hù)性能明顯下降[3,4]，例如：研究表明[3]經(jīng)過絲光漂白后棉織物的紫外透過率上升。在UVA段最高，可以達(dá)到35%左右。另有研究表明漂白棉印在織物的紫外光透過率為23.7%，同規(guī)格未漂白棉印在織物的紫外光透過率為14.4%。經(jīng)漂白處理后，織物的紫外光透過率幾乎提高了1倍。這可能是因?yàn)槠走^程減少了天然棉中的色素、木質(zhì)素等這些天然的紫外線吸收劑，因此棉織物的漂白會(huì)使UPF明顯降低，黃麻/棉漂白織物與其同規(guī)格未漂白織物比較，也更容易使紫外線透過[4]；分別用漂白、未漂白黃麻/棉織物覆蓋在染色羊毛織物的表面，然后一起拿去長(zhǎng)時(shí)間照射。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，照射48h后，由漂白黃麻/棉織物覆蓋保護(hù)的羊毛織物的K/S值從30.06下降到了26.04，而由未漂白黃麻/棉織物覆蓋保護(hù)的羊毛織物的K/S值則只從30.06下降到26.79。這都間接的表明，漂白后的黃麻/棉織物的UV射線透過率提高了。在這種織物中，可能也是由于天然的紫外吸收劑(色素、木質(zhì)素等)被去除的結(jié)果。綜上所述可以看出，染整加工的前處理工序能提高織物的紫外光透射率，對(duì)織物紫外防護(hù)性能的提高是不利的。其主要原因是棉纖維結(jié)構(gòu)中所去除的一些物質(zhì)對(duì)紫外線有著很好的吸收性能。如木質(zhì)素主要是由C16-C18，長(zhǎng)鏈脂肪烴和少量芳烴構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如下:

由此可見，木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)中含有容易吸收紫外線的苯環(huán)結(jié)構(gòu)，因此對(duì)紫外線有良好吸收。另外，色素屬于天然染料，染料結(jié)構(gòu)中如果含有可吸收紫外線波長(zhǎng)的共扼體系，也會(huì)對(duì)紫外線產(chǎn)生很好的吸收。以天

然彩棉為例：對(duì)天然彩棉色素的研究表明，天然彩色棉色素屬于多酚類或黃酮類天然色素，具有2-苯基苯并吡喃的母核結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)中也存在容易吸收紫外線的芳環(huán)結(jié)構(gòu)。某研究中[3]將淺綠色、茶色、棕色三種有色棉樣品經(jīng)8OAFUs(American Association of Textile Chemists and Colorist fading units)氖光曝曬并洗滌漂白后其防紫外線UPF值為4.3，仍大于未處理常規(guī)棉布的UPF值(4.0)。另外，Deepti Gupta等[6]研究十種天然染料的紫外防護(hù)性能時(shí)也發(fā)現(xiàn)，這十種天然染料在UV-B波段(280-320nm)都具有高吸收性能，將這些天然染料應(yīng)用到煮練后的棉織物上后，被測(cè)染色織物的UPF值為15到20之間(空白試樣的平均UPF值為4.91)。這些數(shù)據(jù)都說明了天然色素所具有的良好的紫外吸收性能。總之，我們要有一個(gè)根本性的觀念上的轉(zhuǎn)變：不要一味地只顧往織物上施加新的功能(如往織物上施加專門的抗紫外整理劑)，卻忽視了織物本身原本就具有的功能性(如棉織物上的木質(zhì)素、天然色素等物質(zhì)本身就具有抗紫外的效果)，而對(duì)于棉織物的前處理加工，我們要分情況來對(duì)待，如果是普通加工，則前處理過程對(duì)于后期整理加工的順利進(jìn)行是十分有利的；但若要生產(chǎn)具有紫外防護(hù)性能的織物時(shí)，就要保留織物本身所具有的紫外防護(hù)性物質(zhì)，盡量避免前處理加工或大幅減弱前處理加工的強(qiáng)度。

2 熒光增白劑染整加工中常用的熒光增白劑對(duì)織物的紫外防護(hù)性能有較大的反作用。熒光增白劑是具有良好平面性的特殊結(jié)構(gòu)的無色染料。其增白原理是通過吸收日光中的紫外線(波長(zhǎng)為300-400nm)，使分子激發(fā)，再回到基態(tài)時(shí)，紫外線能量便消失一部分，轉(zhuǎn)化成能量較低的可見光(波長(zhǎng)420-500nm的藍(lán)紫光)反射出來，使得在可見光范圍內(nèi)的反射率增加，織物上黃光消除而不留痕跡，亮度又提高。表面上看來，它也是一

種吸收紫外線的物質(zhì)，某些情況下可以作為紫外屏蔽劑，例如在生物藥劑學(xué)領(lǐng)域。在研究熒光增白劑VBL對(duì)蘇云金芽抱桿菌的光保護(hù)作用的研究中發(fā)現(xiàn)[7]，未加熒光增臼劑蘇云金芽抱桿菌(簡(jiǎn)稱Bt)在經(jīng)過紫外光照8h后，毒力只剩下50%；而加了0.4g/kg的VBL的蘇云金芽抱桿菌在8h的紫外照射后毒力仍有61%。lOg/kgVBL在短時(shí)間2-4h紫外處理中不僅100%保護(hù)Bt殺蟲活力，而且同時(shí)出現(xiàn)增效作用；在8h紫外照射后Bt毒力仍保持在70%以上。這都說明熒光增白劑VBL是一種非常好的紫外光屏澈劑。但是，在實(shí)際測(cè)試織物的紫外透射率的過程中卻發(fā)現(xiàn)[3]，凡是使用熒光增白劑的織物無論是棉、毛、真絲、滌綸，其紫外線透過率都較大幅度的提高了。比如，絲光漂白布在熒光增白前在25Onm處的紫外透過率為30%左右，但熒光增白后增大為75%左右；滌綸旗幟布在熒光增白前在25Onm處的紫外透過率為6%左右，但熒光增白后增大為20%左右；真絲電力紡在熒光增白前在25Onm處的紫外透過率為5%左右，但熒光增白后增大為30%左右；氯化羊毛織物在熒光增白前在35Onm處的紫外透過率為10%左右，但熒光增白后增大為35%左右，造成這種現(xiàn)象的原因是由于紫外光的連續(xù)照射使服裝材料上的熒光物質(zhì)反射、折射所形戊的一種增大織物紫外透過率的繞射現(xiàn)象。因此，當(dāng)生產(chǎn)紫外防護(hù)的功能性織物時(shí)，要避免使用熒光增白劑。

3 染料對(duì)織物紫外防護(hù)性能的提高每只染料對(duì)織物的紫外防護(hù)性能主要決定于其特定的化學(xué)結(jié)構(gòu)。如果染料具有與紫外吸收劑類似的結(jié)構(gòu)，而此結(jié)構(gòu)又不參與染料的共扼體系，則具有對(duì)紫外線光波強(qiáng)烈的、選擇性吸收作用，就可以大大的提高織物的紫外防護(hù)性能。3·1 常用紫外吸收劑的結(jié)構(gòu) 首先簡(jiǎn)要的考察一下常用紫外吸收劑的結(jié)構(gòu)，我們發(fā)現(xiàn)，常用紫外吸收劑的結(jié)構(gòu)可以分為兩大類： (1)二苯甲酮系、水楊酸酯系和苯并三唑系紫外吸收劑。

他們分子結(jié)構(gòu)中都可以生成苯環(huán)上的基團(tuán)與鄰近的某個(gè)基團(tuán)產(chǎn)生內(nèi)在氫鍵，從而構(gòu)成一個(gè)鰲合環(huán)。而這個(gè)鰲合環(huán)結(jié)構(gòu)便是強(qiáng)烈吸收紫外線的功能性基團(tuán)。 (2)含金屬離子整合結(jié)構(gòu)的紫外吸收劑。他們是通過分子間的能量轉(zhuǎn)移(光物理過程)來消散能量。3·2 具有紫外線吸收劑類似結(jié)構(gòu)的染料參照紫外吸收劑結(jié)構(gòu)的兩大分類，我們認(rèn)為可以發(fā)生強(qiáng)烈紫外吸收的染料結(jié)構(gòu)可能主要有以下三種:3·2·1 含有由共扼結(jié)構(gòu)與分子內(nèi)在氫鍵形成的鰲合結(jié)構(gòu)的染料研究發(fā)現(xiàn)如直接紅28、直接綠26、直接黑38等幾種染料有非常突出的紫外吸收性能[8,9]。(編者按：直接紅28、直接黑38均含聯(lián)苯胺結(jié)構(gòu)，屬禁用染料之列，請(qǐng)讀者從原理上來理解下述舉例)而這幾只染料共同的特征就是分子結(jié)構(gòu)中含有由共軛結(jié)構(gòu)與分子內(nèi)在氫鍵形成的鰲合結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)與二苯甲酮系、水楊酸酯系和苯并三唑系紫外吸收劑的結(jié)構(gòu)是比較類似的。現(xiàn)舉例分述如下:3·2·1·1 直接紅28 Srinivasan Magesh[9]對(duì)不同化學(xué)組成的90種染料進(jìn)行的研究結(jié)果顯示，C.l.直接紅28在降低織物的紫外光透過率方面表現(xiàn)突出，即使在0.5%的染色深度，也可以將棉印花布的UPF值提高到大于40(與未染色織物的4.0的UPF值比較，增加了10倍)。該分子結(jié)構(gòu)及含有鰲合結(jié)構(gòu)的互變異構(gòu)體如下:

3·2·1·2 直接黑38研究發(fā)現(xiàn)[8]，0.5%(owf)的直接黑38溶液施加到棉印花布上后，織物的UPF值可以達(dá)到29.8。該分子結(jié)構(gòu)及含有鰲合結(jié)構(gòu)的互變異構(gòu)體如下：

以上所說的這種結(jié)構(gòu)的染料都是通過自身異構(gòu)現(xiàn)象產(chǎn)生可以吸收紫外線的共軛結(jié)構(gòu)，通過分子本身結(jié)構(gòu)變化(光化學(xué)反應(yīng))來消散能量，從而達(dá)到紫外防護(hù)的目的，作為對(duì)比，我們以直接黃12為例：

可以看到，其分子結(jié)

構(gòu)中不含有由共軛結(jié)構(gòu)與分子內(nèi)在氫鍵形成的鰲合結(jié)構(gòu)，故紫外防護(hù)效果較差，其上染織物的UPF值僅為13.1[8]。3·2·2 含有金屬離子鰲合結(jié)構(gòu)的染料研究發(fā)現(xiàn)如酞菁結(jié)構(gòu)的染料(直接藍(lán)86、活性藍(lán)7)、使用金屬媒染劑處理過的天然染料等這些染料都有比較好的紫外防護(hù)性能。而它們所具有的共同的特征就是分子中含有金屬離子鰲合結(jié)構(gòu)。這點(diǎn)與含金屬離子鰲合結(jié)構(gòu)的紫外吸收劑十分類似，3·2·2·1 直接藍(lán)86 Shrinivasan Magesh[9]的研究結(jié)果顯示，C.I.直接藍(lán)86在降低織物的紫外光透過率方面表現(xiàn)也很突出，即使在0.5%的染色深度，也可以將棉印花布的UPF值提高到大于40。其結(jié)構(gòu)如下:

這顯然是一種含金屬離子的鰲合結(jié)構(gòu)。3·2·2·2 活性藍(lán)7 花Srinivasan Magesh[9]的研究中顯示，C.I.活性藍(lán)7也是一只具有非常好紫外防爐效果的染料，即使用0.5%的染色深度時(shí)同樣可以將棉印花布的UPF值提高到大于40，和直接藍(lán)86一樣，它也是一種酞菁結(jié)構(gòu)的染料。3·2·2·3 用金屬媒染劑處理過的天然染料使用金屬媒染劑處理過的天然染料也具有十分好的紫外防護(hù)性能，Deepti Gupta等[]6選用十種天然染料應(yīng)用到煮練后的棉織物上后，發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用金屬媒染劑時(shí)，所有研究中被測(cè)染色織物的UPF值都有一個(gè)顯著的提高(從15-20增加到35-50)。這很可能就是因?yàn)?quot;染料-媒染劑"結(jié)合物(金屬離子鰲合物)所具有的特殊的紫外光吸收特性造成的。以上所說的這種結(jié)構(gòu)的染料都是通過分子間的能量轉(zhuǎn)移(光物理過程)來消散能量的，與含金屬離子鰲合結(jié)構(gòu)的紫外吸收劑原理類似。當(dāng)紫外線照射到金屬離子鰲合結(jié)構(gòu)的染料上時(shí)，染料

高分子鰲合物被激發(fā)成為激發(fā)態(tài)，分子間的作用使激發(fā)態(tài)分子的能量轉(zhuǎn)移，并使激發(fā)態(tài)回到基態(tài)，把紫外線能量轉(zhuǎn)化為低能量的光譜散發(fā)，從而達(dá)到紫外防護(hù)的目的，3·2·3 含硫元素的染料硫元素對(duì)紫外吸收的可能影響早有人關(guān)注[3]。有一些染料，如直接黃、硫化染料等，其結(jié)構(gòu)中具有各種形式的硫元素(如雜環(huán)中的硫、-S-S-結(jié)構(gòu)中的硫等)。這部分結(jié)構(gòu)的染料可能也都具有比較好的紫外防護(hù)性能。3·2·3·1 直接黃28 研究發(fā)現(xiàn)[8]，O.5%（owf）的直接黃28溶液施加到棉印花布上后，織物的UPF值可以達(dá)到19.9。與前面的直接紅28、直接綠26比較，直接黃28的UPF值要略低，這是因?yàn)槠浞肿咏Y(jié)構(gòu)中沒有由共軛結(jié)構(gòu)與分子內(nèi)在氫鍵形成的鰲合結(jié)構(gòu)。直接黃28結(jié)構(gòu)如下:

其分子結(jié)構(gòu)中含有雜環(huán)硫元素，這可能就是造成它紫外防護(hù)效果顯著比較落后好的原因。3·2·3·2 硫化紅棕B3R 筆者曾對(duì)硫化紅棕B3R(5%owf)染色片棉織物的紫外透過率進(jìn)行測(cè)試，其平均UPF值達(dá)到30.3(空白試樣的平均UPF為3.50)。與未染色織物比較，織物的UPF值幾乎提高了10倍。而且，硫化紅棕的紫外防護(hù)效果也是各種染料中比較突出的。用巳知的幾種直接染料中紫外防護(hù)效果最為突出的直接紅28(2%owf)進(jìn)行同規(guī)格織物染色試驗(yàn)，直接紅染色后的棉織物其平均UPF只可以達(dá)到27.6，比硫化紅棕可以達(dá)到的UPF值(30.3)低。可見，硫化紅棕B3R的紫外防護(hù)效果是非常好的，關(guān)于其他硫化染料的紫外防護(hù)效果，是我們目前正在進(jìn)一步研究的內(nèi)容之一。硫化染料的高紫外透過率，可能也與其分子結(jié)構(gòu)中的硫尤素有關(guān)。綜上所述可以看到，某些結(jié)構(gòu)的染料本身就具有比較好的紫外防護(hù)性能，可以使織物達(dá)到比較高的UPF值(最高可以達(dá)到40以上、甚

至50)。而中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院[10]將1999年以來112個(gè)抗紫外整理(專門的抗紫外整理加工)后的織物樣品的UPF值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的緯果表明，UPF值在30以上的只有42%，40以上的只有31%。也就是說，如果合理選擇染料的話，單單通過染色就可以達(dá)到專門抗紫外整理的效果，使其UPF值相當(dāng)，甚至達(dá)到更高。

4 總結(jié) 綜上所述可以看到，織物的UV保護(hù)性能可以通過合理的選擇和應(yīng)用各項(xiàng)普通染整加工工序(如避免前處理加工、取消熒光增白處理、選擇合適的染料等)來得到大大的提高。這樣，在普通染整加工的間時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)白茫?？棺贤庹淼哪康模恍枰?jīng)過專門的抗紫外整理工序，既可以降低抗紫外整理的成本，又不降低抗紫外整理的效果，是一條非常經(jīng)濟(jì)的抗紫外整理之路。另外，紫外線吸收劑本身還存在一系列潛在的環(huán)境生態(tài)問題。如二苯甲酮類的化合物屬環(huán)境激素，不宜采用。因此，從環(huán)境生態(tài)的角度考慮的話，通過普通染整加工工序的調(diào)整來提高織物的紫外防護(hù)效果也是十分有利的，可以降低紫外吸收劑的使用所造成的環(huán)境生態(tài)影響。

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