普通染整加工对织物紫外线防护性能的影响-纺织技术中心

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普通染整加工对织物紫外线防护性能的影响

来源：印染在线　发布时间：2009年10月28日

关超王柏华北京服装学院材料工程学院北京 100029作者简介：王柏华（1958-）男，副教授，中国纺织工程学会信息专业委员会委员，从事服装材料研究开发与评价等工作

紫外线对人体的危害早已为人们所了解[1,2]。提高纺织品紫外防护的重要性也渐渐为人们所关注。在以往的抗紫外整理研究中，人们往往把注意力全部集中于各种抗紫外整理剂(紫外屏蔽剂或紫外吸收剂)的合成与应用"但是，研究表明，织物的紫外防护性能取决于许多因素，包括煮练、漂白、荧光增门剂、染料、抗紫外整理剂等。因此，我们认为通过调节抗紫外整埋剂以外的其他染整加工来实现抗紫外整理的目的也是很有可能的。在已发表的文献中专门针对此的文章有限，有关介绍比较零散，而且很多观点是相互矛盾的，因此，本文较系统的论述这方面的内容：前处理中的煮练和漂白去除了织物中一些可吸收紫外线的物质(如木质素、天然色素等)，因此使织物的紫外透过率提高；荧光增白剂可以吸收紫外线并使其转化成可见光反射出来，最终的结果是导致测试紫外透过率时的结果偏高；某些染料可以强烈吸收紫外线，从而造成织物紫外透过率的下降，大大提高织物的紫外防护性能，现详细分述如下。

1 棉织物前处理对织物紫外防护性能的影响棉织物前处理的主要目的是将织物上的木质素、色素、棉脂棉蜡等物质去除，从染整加工的角度而言，这些物质属于杂质，需要通过前处理工序将其去除，以提高织物的白度和润湿性能，便于后期的染色、印花、后整理加工。但是从抗紫外整理加工的角度而言，这些杂质却是天然的紫外吸收剂，应该尽量的保留。因此，这些杂质的去除对织物紫外防护性能的提高是不利的，杂质去除越少，织物的紫外防护性能越好。下面进行具体的论述。棉织物的煮练过程会使其UPF值尘小，使织物紫外防护性能降低。例如：研究中[3]分别测试煮练前后棉织物的紫外线透过率，发现煮练后棉织物在整个波段上的透过率都有所提高，例如：和3

5Onm处的紫外透过率为6%左右，而煮练后的紫外透过率达到14%左右，提高了一倍以上，紫外透过率的水平总体(从2OOnm到40Onm的整个波段上)上升大约10%，最高达到20%左右。这可能是因为在煮练过程中去除掉了棉脂棉蜡及少量的色素这些对紫外线有良好吸收性能的天然杂质，从而使UPF减小。棉织物的漂白处理会进一步使其紫外防护性能明显下降[3,4]，例如：研究表明[3]经过丝光漂白后棉织物的紫外透过率上升。在UVA段最高，可以达到35%左右。另有研究表明漂白棉印在织物的紫外光透过率为23.7%，同规格未漂白棉印在织物的紫外光透过率为14.4%。经漂白处理后，织物的紫外光透过率几乎提高了1倍。这可能是因为漂白过程减少了天然棉中的色素、木质素等这些天然的紫外线吸收剂，因此棉织物的漂白会使UPF明显降低，黄麻/棉漂白织物与其同规格未漂白织物比较，也更容易使紫外线透过[4]；分别用漂白、未漂白黄麻/棉织物覆盖在染色羊毛织物的表面，然后一起拿去长时间照射。结果发现，照射48h后，由漂白黄麻/棉织物覆盖保护的羊毛织物的K/S值从30.06下降到了26.04，而由未漂白黄麻/棉织物覆盖保护的羊毛织物的K/S值则只从30.06下降到26.79。这都间接的表明，漂白后的黄麻/棉织物的UV射线透过率提高了。在这种织物中，可能也是由于天然的紫外吸收剂(色素、木质素等)被去除的结果。综上所述可以看出，染整加工的前处理工序能提高织物的紫外光透射率，对织物紫外防护性能的提高是不利的。其主要原因是棉纤维结构中所去除的一些物质对紫外线有着很好的吸收性能。如木质素主要是由C16-C18，长链脂肪烃和少量芳烃构成，其结构如下:

由此可见，木质素的结构中含有容易吸收紫外线的苯环结构，因此对紫外线有良好吸收。另外，色素属于天然染料，染料结构中如果含有可吸收紫外线波长的共扼体系，也会对紫外线产生很好的吸收。以天

然彩棉为例：对天然彩棉色素的研究表明，天然彩色棉色素属于多酚类或黄酮类天然色素，具有2-苯基苯并吡喃的母核结构，这个结构中也存在容易吸收紫外线的芳环结构。某研究中[3]将浅绿色、茶色、棕色三种有色棉样品经8OAFUs(American Association of Textile Chemists and Colorist fading units)氖光曝晒并洗涤漂白后其防紫外线UPF值为4.3，仍大于未处理常规棉布的UPF值(4.0)。另外，Deepti Gupta等[6]研究十种天然染料的紫外防护性能时也发现，这十种天然染料在UV-B波段(280-320nm)都具有高吸收性能，将这些天然染料应用到煮练后的棉织物上后，被测染色织物的UPF值为15到20之间(空白试样的平均UPF值为4.91)。这些数据都说明了天然色素所具有的良好的紫外吸收性能。总之，我们要有一个根本性的观念上的转变：不要一味地只顾往织物上施加新的功能(如往织物上施加专门的抗紫外整理剂)，却忽视了织物本身原本就具有的功能性(如棉织物上的木质素、天然色素等物质本身就具有抗紫外的效果)，而对于棉织物的前处理加工，我们要分情况来对待，如果是普通加工，则前处理过程对于后期整理加工的顺利进行是十分有利的；但若要生产具有紫外防护性能的织物时，就要保留织物本身所具有的紫外防护性物质，尽量避免前处理加工或大幅减弱前处理加工的强度。

2 荧光增白剂染整加工中常用的荧光增白剂对织物的紫外防护性能有较大的反作用。荧光增白剂是具有良好平面性的特殊结构的无色染料。其增白原理是通过吸收日光中的紫外线(波长为300-400nm)，使分子激发，再回到基态时，紫外线能量便消失一部分，转化成能量较低的可见光(波长420-500nm的蓝紫光)反射出来，使得在可见光范围内的反射率增加，织物上黄光消除而不留痕迹，亮度又提高。表面上看来，它也是一

种吸收紫外线的物质，某些情况下可以作为紫外屏蔽剂，例如在生物药剂学领域。在研究荧光增白剂VBL对苏云金芽抱杆菌的光保护作用的研究中发现[7]，未加荧光增臼剂苏云金芽抱杆菌(简称Bt)在经过紫外光照8h后，毒力只剩下50%；而加了0.4g/kg的VBL的苏云金芽抱杆菌在8h的紫外照射后毒力仍有61%。lOg/kgVBL在短时间2-4h紫外处理中不仅100%保护Bt杀虫活力，而且同时出现增效作用；在8h紫外照射后Bt毒力仍保持在70%以上。这都说明荧光增白剂VBL是一种非常好的紫外光屏澈剂。但是，在实际测试织物的紫外透射率的过程中却发现[3]，凡是使用荧光增白剂的织物无论是棉、毛、真丝、涤纶，其紫外线透过率都较大幅度的提高了。比如，丝光漂白布在荧光增白前在25Onm处的紫外透过率为30%左右，但荧光增白后增大为75%左右；涤纶旗帜布在荧光增白前在25Onm处的紫外透过率为6%左右，但荧光增白后增大为20%左右；真丝电力纺在荧光增白前在25Onm处的紫外透过率为5%左右，但荧光增白后增大为30%左右；氯化羊毛织物在荧光增白前在35Onm处的紫外透过率为10%左右，但荧光增白后增大为35%左右，造成这种现象的原因是由于紫外光的连续照射使服装材料上的荧光物质反射、折射所形戊的一种增大织物紫外透过率的绕射现象。因此，当生产紫外防护的功能性织物时，要避免使用荧光增白剂。

3 染料对织物紫外防护性能的提高每只染料对织物的紫外防护性能主要决定于其特定的化学结构。如果染料具有与紫外吸收剂类似的结构，而此结构又不参与染料的共扼体系，则具有对紫外线光波强烈的、选择性吸收作用，就可以大大的提高织物的紫外防护性能。3·1 常用紫外吸收剂的结构首先简要的考察一下常用紫外吸收剂的结构，我们发现，常用紫外吸收剂的结构可以分为两大类： (1)二苯甲酮系、水杨酸酯系和苯并三唑系紫外吸收剂。

他们分子结构中都可以生成苯环上的基团与邻近的某个基团产生内在氢键，从而构成一个鳌合环。而这个鳌合环结构便是强烈吸收紫外线的功能性基团。 (2)含金属离子整合结构的紫外吸收剂。他们是通过分子间的能量转移(光物理过程)来消散能量。3·2 具有紫外线吸收剂类似结构的染料参照紫外吸收剂结构的两大分类，我们认为可以发生强烈紫外吸收的染料结构可能主要有以下三种:3·2·1 含有由共扼结构与分子内在氢键形成的鳌合结构的染料研究发现如直接红28、直接绿26、直接黑38等几种染料有非常突出的紫外吸收性能[8,9]。(编者按：直接红28、直接黑38均含联苯胺结构，属禁用染料之列，请读者从原理上来理解下述举例)而这几只染料共同的特征就是分子结构中含有由共轭结构与分子内在氢键形成的鳌合结构。这种结构与二苯甲酮系、水杨酸酯系和苯并三唑系紫外吸收剂的结构是比较类似的。现举例分述如下:3·2·1·1 直接红28 Srinivasan Magesh[9]对不同化学组成的90种染料进行的研究结果显示，C.l.直接红28在降低织物的紫外光透过率方面表现突出，即使在0.5%的染色深度，也可以将棉印花布的UPF值提高到大于40(与未染色织物的4.0的UPF值比较，增加了10倍)。该分子结构及含有鳌合结构的互变异构体如下:

3·2·1·2 直接黑38研究发现[8]，0.5%(owf)的直接黑38溶液施加到棉印花布上后，织物的UPF值可以达到29.8。该分子结构及含有鳌合结构的互变异构体如下：

以上所说的这种结构的染料都是通过自身异构现象产生可以吸收紫外线的共轭结构，通过分子本身结构变化(光化学反应)来消散能量，从而达到紫外防护的目的，作为对比，我们以直接黄12为例：

可以看到，其分子结

构中不含有由共轭结构与分子内在氢键形成的鳌合结构，故紫外防护效果较差，其上染织物的UPF值仅为13.1[8]。3·2·2 含有金属离子鳌合结构的染料研究发现如酞菁结构的染料(直接蓝86、活性蓝7)、使用金属媒染剂处理过的天然染料等这些染料都有比较好的紫外防护性能。而它们所具有的共同的特征就是分子中含有金属离子鳌合结构。这点与含金属离子鳌合结构的紫外吸收剂十分类似，3·2·2·1 直接蓝86 Shrinivasan Magesh[9]的研究结果显示，C.I.直接蓝86在降低织物的紫外光透过率方面表现也很突出，即使在0.5%的染色深度，也可以将棉印花布的UPF值提高到大于40。其结构如下:

这显然是一种含金属离子的鳌合结构。3·2·2·2 活性蓝7 花Srinivasan Magesh[9]的研究中显示，C.I.活性蓝7也是一只具有非常好紫外防炉效果的染料，即使用0.5%的染色深度时同样可以将棉印花布的UPF值提高到大于40，和直接蓝86一样，它也是一种酞菁结构的染料。3·2·2·3 用金属媒染剂处理过的天然染料使用金属媒染剂处理过的天然染料也具有十分好的紫外防护性能，Deepti Gupta等[]6选用十种天然染料应用到煮练后的棉织物上后，发现当使用金属媒染剂时，所有研究中被测染色织物的UPF值都有一个显著的提高(从15-20增加到35-50)。这很可能就是因为"染料-媒染剂"结合物(金属离子鳌合物)所具有的特殊的紫外光吸收特性造成的。以上所说的这种结构的染料都是通过分子间的能量转移(光物理过程)来消散能量的，与含金属离子鳌合结构的紫外吸收剂原理类似。当紫外线照射到金属离子鳌合结构的染料上时，染料

高分子鳌合物被激发成为激发态，分子间的作用使激发态分子的能量转移，并使激发态回到基态，把紫外线能量转化为低能量的光谱散发，从而达到紫外防护的目的，3·2·3 含硫元素的染料硫元素对紫外吸收的可能影响早有人关注[3]。有一些染料，如直接黄、硫化染料等，其结构中具有各种形式的硫元素(如杂环中的硫、-S-S-结构中的硫等)。这部分结构的染料可能也都具有比较好的紫外防护性能。3·2·3·1 直接黄28 研究发现[8]，O.5%（owf）的直接黄28溶液施加到棉印花布上后，织物的UPF值可以达到19.9。与前面的直接红28、直接绿26比较，直接黄28的UPF值要略低，这是因为其分子结构中没有由共轭结构与分子内在氢键形成的鳌合结构。直接黄28结构如下:

其分子结构中含有杂环硫元素，这可能就是造成它紫外防护效果显著比较落后好的原因。3·2·3·2 硫化红棕B3R 笔者曾对硫化红棕B3R(5%owf)染色片棉织物的紫外透过率进行测试，其平均UPF值达到30.3(空白试样的平均UPF为3.50)。与未染色织物比较，织物的UPF值几乎提高了10倍。而且，硫化红棕的紫外防护效果也是各种染料中比较突出的。用巳知的几种直接染料中紫外防护效果最为突出的直接红28(2%owf)进行同规格织物染色试验，直接红染色后的棉织物其平均UPF只可以达到27.6，比硫化红棕可以达到的UPF值(30.3)低。可见，硫化红棕B3R的紫外防护效果是非常好的，关于其他硫化染料的紫外防护效果，是我们目前正在进一步研究的内容之一。硫化染料的高紫外透过率，可能也与其分子结构中的硫尤素有关。综上所述可以看到，某些结构的染料本身就具有比较好的紫外防护性能，可以使织物达到比较高的UPF值(最高可以达到40以上、甚

至50)。而中国计量科学研究院[10]将1999年以来112个抗紫外整理(专门的抗紫外整理加工)后的织物样品的UPF值进行统计分析的纬果表明，UPF值在30以上的只有42%，40以上的只有31%。也就是说，如果合理选择染料的话，单单通过染色就可以达到专门抗紫外整理的效果，使其UPF值相当，甚至达到更高。

4 总结综上所述可以看到，织物的UV保护性能可以通过合理的选择和应用各项普通染整加工工序(如避免前处理加工、取消荧光增白处理、选择合适的染料等)来得到大大的提高。这样，在普通染整加工的间时就可以实现白茫茫抗紫外整理的目的，而不需要经过专门的抗紫外整理工序，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，是一条非常经济的抗紫外整理之路。另外，紫外线吸收剂本身还存在一系列潜在的环境生态问题。如二苯甲酮类的化合物属环境激素，不宜采用。因此，从环境生态的角度考虑的话，通过普通染整加工工序的调整来提高织物的紫外防护效果也是十分有利的，可以降低紫外吸收剂的使用所造成的环境生态影响。

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