（纺织化学与染整工程专业论文）超拒水、防紫外功能型织物的研究.pdf

摘要摘要本文是超拒水、防紫外功能型织物的研究，其中包括两大部分的内容：一部分是织物防紫外性能的研究；另一部分是织物超拒水性能的研究。首先用正交实验法系统、定性地研究织物防紫外的影响因素。在综合考虑紫外线透过率、透湿量、透气量3 个指标的基础上，通过对影响织物防紫外性能的因素分析，得到一种通过改变织物的结构参数使纺织品的防紫外性能得以改善，同时织物的透湿性、透气性也较好的方法。将织物防紫外性能的影响因素分为直接影响因素( 纤维种类、纱线线密度、织物组织、织物密度) 和间接影响因素( 紧度、厚度、重量) 。结果表明：紧度是最主要的间接影响因素，当织物紧度增加时，紫外线透过率、透湿量、透气量均减小。其次，为了获得超拒水表面的织物，采用仿荷叶表面结构的方法，一是仿荷叶微米结构的乳突，二是仿荷叶的纳米结构。荷叶微米结构的仿制包括纤维细度的选择和织物组织的选择。选用线密度为1 6 0 d t e x 4 8 f 的涤纶超细海岛型纤维仿乳突直径，纤维直径为2 8 7 m ，比荷叶表面乳突平均直径5 9 m 小，所形成的织物单位面积粗糙程度更大，拒水性能更好，符合仿乳突直径要求。以采用绉组织和织物中加入高收缩涤纶丝的方法仿乳突的高度，开纤处理后，屈曲波高增大，增强了凹凸效应，织物的粗糙度增大，拒水性增强。织物成品紧度选择为6 6 和5 3 。其防紫外性能属于极好，透气、透湿性能符合要求，而且具有基本的拒水性能。纤维细度、织物组织及紧度确定了，织物结构参数就确定了，依据这些参数就可织造出相应的织物，这些织物将作为负载纳米粒子的基布。在仿荷叶的纳米结构时，用纳米二氧化钛( t io z ) 和纳米氧化镍( n i o ) 仿纳米结构，这里主要是纳米粒子的分散性研究。单一型分散剂分散的纳米粒子，粒径分布不够理想，用复合分散剂可以提高其分散效果。在纳米t i o ：的分散实验中，确定复合分散剂为月桂酸钠+ 聚丙烯酸铵，当月桂酸钠与聚丙烯酸铵的配比为1 ：1 ，超声时间为l o m i n 时，分散效果比较理想。在纳米n i o 的分散实验中，确定复合分散剂为木质素磺酸钠+ 聚丙烯酸铵，当木质素磺酸钠与聚丙烯酸铵的配比为1 ：1 时，分散效果比较理想。根据以上研究结果，将分散好的纳米粒子负载于设计好的基布上，研制成集超拒水功能和防紫外功能于一身的超拒水、防紫外功能型织物。其拒水性能大幅度提高，防紫外能力属于非常优异的防护，透湿、透气性可以满足基本服用要求，悬垂性和耐皱性都较好，但光泽性不是很好。关键词：防紫外织物结构正交法超拒水荷叶效应超细纤维纳米二氧化钛纳米氧化镍a b s l r a c ta b s t r a c tt h i st h e s i si st h a tt h ef a b r i c sa r er e s e a r c h e do fh a v i n gs u p e rh y d r o p h o b i cf u n c t i o na n du l t r a v i o l e tr e s i s t a n tf u n c t i o n , i n c l u d i n gt w om a j o rp a r t s ：ap a r ti st h er e s e a r c ho fu l t r a v i o l e tr e s i s t a n tp e r f o r m a n c eo ff a b r i c s ；a n o t h e rp a r ti st h er e s e a r c ho fs u p e rh y d r o p h o b i cp e r f o r m a n c eo ff a b r i c s f i r s t ，t h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n ti su s e dt os t u d yt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so ff a b r i ct or e s i s tt ou l t r a v i o l e ts y s t e m a t i c a l l ya n dq u a l i t a t i v e l y o nt h eb a s i so fc o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r i n g3t a r g e t so fu l t r a v i o l e tt r a n s m i s s i b i l i t y , m o i s t u r ep e r m e a b i l i t yc o n t e n t ，a i rp e r m e a b i l i t yc o n t e n t ，t h r o u g ha n a l y z i n gt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so ff a b r i ct or e s i s tt ou l t r a v i o l e t o n ek i n do fm e t h o dc a nb eo b t a i n e dt oc a u s et h eu l t r a v i o l e tr e s i s t a n tp e r f o r m a n c eo ff a b r i ct h r o u g ht h ec h a n g eo fs t r u c t u r a lp a r a m e t e r so ff a b r i ct ob ea b l et ob ei m p r o v e d , s i m u l t a n e o u s l ym o i s t u r ep e r m e a b i l i t ya n da i rp e r m e a b i l i t yo ff a b r i c sa l s ob e t t e r t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so ff a b r i ct or e s i s tt ou l t r a v i o l e ta r ed i v i d e di n t ot h ed i r e c ti n f l u e n c i n gf a c t o r s ( f i b e rt y p e ，y a ml i n e a rd e n s i t y , t e x t i l ew e a v e ，f a b r i cd e n s i t y )a n dt h ei n d i r e c ti n f l u e n c i n gf a c t o r s ( c o v e rf a c t o r , t h i c k n e s s ，w e i g h t ) t h er e s u l t si n d i c a t e dt i l a t c o v e tf a c t o ri st h em o s tm a i ni n d i r e c ti n f l u e n c i n gf a c t o r , w h e nc o v e rf a c t o ri n c r e a s e s ，u l t r a v i o l e tt r a n s m i s s i b i l i t y , m o i s t u r ep e r m e a b i l i t yc o n t e n ta n da i rp e r m e a b i l i t yc o n t e n ta 1 1r e d u c e n e x t , i no r d e rt oo b t a i nt h ef a b r i co fh a v i n gs u p e rh y d r o p h o b i cs u r f a c e ，t h em e t h o di su s e dt h a tt h es u p e r f i c i a ls t r u c t u r eo fl o t u sl e a fi si m i t a t e d , o n ei st oi m i t a t et h et o w e ro fm i c r o ns t r u c t u r eo fl o t u sl e a f , a n dt w oi st 0i m i t a t et h en a n o m e t e rs t r u c t u r eo f l o t u sl e a f t h ei m i t a t i o no f m i e r o ns t r u c t u r eo f l o t u sl e a f i n c l u d e sc h o i c e so ff i b e rf i n e n e s sa n dt e x t i l ew e a v e t h ep o l y e s t e r s u p e r f m es e a - i s l a n df i b e ri ss e l e c t e dt oi m i t a t et o w e rd i a m e t e rt h a tt h el i n e a rd e n s i t yi s1 6 0 d t e x 4 8 f , a n dt h ef i b e rd i a m e t e ri s 2 8 7 h m w h i c h i ss m a l l e r t h a n t h e a v e r a g e d i a m e t e r5 9 p mo f t o w e r o f l o t u sl e a f ,t h u sr o u g h n e s so fp e ru n i ta r e ao ff a b r i cw o v e nf i o mi tt ob eb i g g e r , a n dt h es u p e rh y d r o p h o b i c i t yt ob eb e t t e r , m e e t i n gt h en e e d so ft h ei m i t a t i n gd i a m e t e ro ft o w e ro fl o t u sl e a f a n o t h e rm e t h o di sa p p l i e dt oi m i t a t et o w e ra l t i t u d et h a tc r e p ew e a v ea n dt h eh i g h - s h r i n k a g ep o l y e s t e rf i l a m e n ta r eu s e di nt h ef a b r i c a f t e ro p e n i n gf i l a m e n tp r o c e s s ，t h ew a v i n e s sh e i g h to fy a r na n dr o u g h n e s so ff a b r i ca r ea l li n c r e a s e d ,s t r e n g t h e n e dt h ed i m p l ee f f e c t , s ot h es u p e rh y d r o p h o b i c i t yi se n h a n c e d t h ef i n i s h e dc o v e rf a c t o r so ff a b r i c sa r ec h o s e nt o6 6 a n d5 3 ，o fw h i c hu l t r a v i o l e tr e s i s t a n tp e r f o r m a n c e sa r ee x t r e m e l yg o o d , a n dt h em o i s t u r ep e r m e a b i l i t ya b s t r a c to ra i rp e r m e a b i l i t ya c c o r d sw i t ht h er e q u i r e m e n t ，m o r e o v e rh a v eb a s i c a l l yh y d r o p h o b i c i t y a f t e rt h ef i b e rf m e n e s s ，t e x t i l ew e a v ea n dc o v e rf a c t o rh a v eb e e nd e t e r m i n e d , t h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r so ff a b r i c sa l ed e t e r m i n e d t h ec o r r e s p o n d i n gf a b r i c sa l ep o s s i b l et ob ew o v e na c c o r d i n gt ot h e s ep a r a m e t e r st h a tw i l lb e c o m et h eb a s ec l o t h st ol o a dn a n o m e t e rp a r t i c l e s w h e nt h en a n o m e t e rs t r u c t u r eo fl o t u sl e a fi si m r a t e dw i t hn a n o m e t e rt i t a n i u md i o x i d e ( t i 0 9a n dn a n o m e t e rn i c k e lo x i d eo q i o ) ，i ti st h em a i np r o b l e mt ob es o l v e dt h a tt h eb e t t e rd i s p e r s i b i l i t yo fn a n o m e t e rp a r t i c l ew i l lb eg o t i nt h i sp a p e r , t h ec o m p o u n dd i s p e r s i n ga g e n ti ss e l e c t e dt oe n h a n c ei t sd i s p e r s i b l ee f f e c t , b e c a u s et h ed i s t r i b u t i o no fp a r t i c l ed i a m e t e ri si d e a li n s u f f i c i e n t l yw i t ht h es o l ed i s p e r s i n ga g e n t i nt h ee x p e r i m e n to f d i s p e r s i n gn a n o m c t e rt i t a n i u md i o x i d e , t h ec o m p o u n dd i s p e r s i n ga g e n ti sd e t e r m i n e df o rt h el a u r y ls o d i u m 十p o l y a c r y l i ca m m o n i u m ，w h e nt h ep r o p o r t i o no fl a u r y ls o d i u ma n dp o l y a c r y l i ca m m o n i u mi sl ：la n dt h es u p e r s o n i ct i m ei sl o m i n ，t h ed i s p e r s i b l ee f f e c ti sq u i t ei d e a l i nt h ee x p e r i m e n to fd i s p e r s i n gn a n o m e t e rn i c k e lo x i d e ，t h ec o m p o u n dd i s p e r s i n ga g e n ti sd e t e r m i n e df o rt h el i g n o s u l p h o n a t es o d i u m + p o l y a c r y l i ca m m o n i u m ，w h e nt h ep r o p o r t i o no fl i g n o s u l p h o n a t es o d i u ma n dp o l y a e r y l i ca m m o n i u mi sl ：1 ，t h ed i s p e r s i b l ee f f e c ti sq u i t ei d e a l a c c o r d i n gt ot h ea b o v ef m d i n g s ，t h ed i s p e r s e dn a n o m e t e rp a r t i c l e sa r el o a d e do nt h ed e s i g n e db a s ec l o t h s ，t h u st h ef a b r i c sw i l lb em a d eu pw h i c hh a v es u p e rh y d r o p h o b i cf u n c t i o na n du l t r a v i o l e tr e s i s t a n tf u n c t i o n t h ed e v e l o p e df a b r i c sh a v es a t i s f y i i l gs u p e rh y d r o p h o b i c i t y , t h ee x t r e m e l yo u t s t a n d i n gu l t r a v i o l e tr e s i s t a n tp e r f o r m a n c e , b a s i cm o i s t u r ep e r m e a b i l i t ya n da i rp e r m e a b i l i t y , b e t t e rd r a p ea n dw r i n k l er e s i s t a n c e ，b u tl u s t e ra r en o tv e r yg o o d k e y w o r d ：r e s i s t a n c et ou l t r a v i o l e t ，f a b r i cs t r u c t u r e ，o r t h o g o n a le x p e r i m e n t ，s u p e rh y d r o p h o b i c i t y , l o t u se f f e c t , s u p e r f m ef i b e r , n a n o m e t e rt i t a n i u md i o x i d e ，n a n o m e t e rn i c k e lo x i d e 独创性声明本人声明所呈交的学位论文足本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中4 i 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得云洼王、业塞堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：层j 嚣签字日期：，。o h m ，月培日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解云洼工些盍堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权丞i 塞王些左堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：层才霞签字日期：o b 年j j 月1 8 日导师签名：叼砑? ，五签字日期乏p z 年，月，于日学位论文的主要创新点一、首次运用正交实验法系统、定性地研究织物防紫外的影响因素，具有科学性，其结论可靠合理，具有说服力。与其他已发表的研究比较，更清晰地阐明了各因素对紫外线透过率影响的重要性。二、在研究织物的超拒水性能时，把荷叶表面微米结构的乳突与纳米结构相结合的阶层结构进行综合仿制，更接近真实的荷叶表面结构，其拒水性能大幅度提高。三、研制成集防紫外性和超拒水性于一身的超拒水、防紫外功能型织物的方法。第一章绪论第一章绪论1 1 防紫外织物研究现状与进展1 1 1 紫外线辐射与影响紫外线强度的因子1 1 1 1 紫外线辐射( 1 ) 紫外线太阳光是一种波，波长范围为2 0 0 3 0 0 0 n r a ，由紫外线( 6 i ) 、可见光( 5 1 8) 和红外线( 4 2 1 ) 等辐射线组成，其中波长为2 0 0 4 0 0 n m 之间的是紫外线部分，它具有生物活性作用。紫外线是一种比可见光波长短的电磁波，按照其辐射波长的不同，可分为低能量、波长较长的u v ( u l t r a v i o l e t ，缩写为u v ) - a波段( 3 1 5 4 0 0 n m ) 射线，称为紫外线a ，也称为长波紫外线或近紫外线；高能量、波长较短的u 、r b 波段( 2 8 0 3 1 5 n m ) 射线，占0 4 ，称为紫外线b ，也称为中波或远波紫外线；能量最高、波长最短的是u v c 波段( 2 0 0 2 8 0 n m ) 射线，称为紫外线c ，也称为短波或极短紫外线。1 。( 2 ) 紫外线辐射与臭氧层由于臭氧层的吸收和空气介质的阻隔，阳光中波长在2 9 0 r m 以下的电磁波几乎不能到达地面。但是，近几十年来，由于人类生产和生活活动大量地排放氟里昂之类的氯氟化烃化合物，造成平流层中臭氧含量下降，使阳光中的紫外线辐射强度增加和短波紫外线含量增多，导致皮肤癌患者及其死亡人数的逐年上升。据资料分析“1 ，臭氧层每减少l ，紫外线辐射强度增大2 ，患皮肤癌的可能性提高3 。( 3 ) 紫外线对人类的影响人体接受适量的紫外线照射是有益的，它能促进人体内维生素d 的合成，防止佝偻病，灭菌消毒。但是，过量照射紫外线却是一种危害，其有害影响主要表现为：波长较短的中波紫外线( l r v b ) 能量高，渗透进皮肤可达几毫米，并被皮肤真皮吸收，同时引起皮肤血管扩张，呈红肿、水泡等症状。u v b 射线放出的活性氧分子会引起皮肤烧灼，如果反复出现，特别是对于儿童会有形成黑色素和黑皮肤肿瘤的危险。若长久受u 1 ，一b 照射会导致皮肤出现红斑、炎症、皮肤老化，严重时会引起皮肤癌。光生物学家认为“1 ，中波紫外线( u v b ，2 8 0 3 2 0 n m ) 对人体上皮组织很有害，引起皮肤癌的主要作用波段是2 9 0 3 2 0 n m ，其最典型波长为2 9 7 n m ，这一波段对皮肤造成的伤害要比2 6 0 n m 以下的短波紫外线还要显著。因此，一般服用纺织品应对u v b ，特别是对2 9 7 n m 波长的紫外线进行衰减。第一章绪论长波紫外线u v a 能阶为同计量u v - b 的1 1 0 0 0 ，但辐射到人的能量却占9 8，对衣物和人体皮肤的穿透性远比u v _ b 深。u v - a 射线可引起黑色素母体的转变，对表皮部位的黑色素作用几小时就会发生快速的色素沉淀，即使皮肤黝黑，但是它的程度较轻，持久性也不长。这些辐射也可以较深地渗透进皮肤，引起皮肤老化，导致皮肤失去弹性，形成皱纹。u v a 对皮肤虽然不会引起急性炎症，但长期积累仍可使皮肤失去光泽、代谢加速导致老化等严重损害。美国a n d e r s o n癌症研究中心和b r o o k b a r e n 国家实验室等机构近期的研究结果表明，u v - a 是造成黑色素瘤皮肤癌的直接原因。u 、r c 的能量高，但能被臭氧层吸收，不能到达地面。所以，紫外线对人体造成危害的波长范围定义为2 8 0 4 0 0 n m ，但由于低于2 9 0 n m 的波长到达地面的可能性不大，因此实验中实际计算的波长范围为2 9 0 4 0 0 n m 。1 。根据世界卫生组织公布的结果表明，接受过量紫外线照射还可以引起白内障或其他眼病，削弱人体对某些传染病的抵抗力，减弱接受疫苗的免疫效果。紫外线照射还可促使高分子材料老化、变色，引起高分子材料发生光降解反应，致使性能下降，使用寿命缩短，因此高分子材料的应用范围一直受到限制。1 1 1 2 影响紫外线强度的因子太阳辐射对人体的作用是由许多因素所决定的，包括光的波长、人所处的地理位置、臭氧层的厚度、时间和季节、皮肤的特性、对阳光的敏感性以及暴露时一些环境等因素。不同地理纬度、不同海拔高度的地区，同一地区不同季节，或者同一季节不同气象，紫外线的辐射强度都是不相同的。此外，紫外线对不同人种和肤色的人的影响也有差别。一般讲，高纬度地区人群接受太阳的累积照射相对较少、较弱，肤色较浅，抵御紫外线辐射的能力较低。而靠近赤道的低纬度地区的人群，肤色较深，抵御紫外线辐射的能力较强。因此不同肤色的人群对防护的要求是不同的。1 1 2 防紫外辐射的评价指标目前，对紫外线防护服装及产品推荐应用的指标8 主要有：紫外线防护系数和紫外线透过率。1 1 2 1 紫外线防护系数( u i t r a v j 0 i e tp r o t e c t i o nf a c t o r u p f )由a s n z s4 3 9 9 - 1 9 9 6 可知，紫外线防护系数是表示织物防护紫外线的能力。它是紫外线对未防护的皮肤的平均辐射量与经测试的织物遮挡后紫外线辐射量的比值”1 。u p f 的数值及防护等级如表卜1 所示。2第一章绪论表卜1u p f 的数值及防护等级”u p f 的计算方法”1 如式( 卜1 ) 所示：y 西mu p f - 丽丝一y 死战j u2 9 0式中：五紫外线光波波长，姗；邑相对红斑的紫外线光谱效能：太阳光谱辐射能，w m 。2 姗：死波长为五时的紫外线透过率，；旯紫外线光波长度间距，r l m 。勘和是客观存在，已有测定资料或推算结果。因此对防紫外纺织品来说，在最简化的情况下，其对应于某波长旯的u p f 值与紫外线透过率乃呈现双曲线函数关系，即u p f ：1 扎( 1 2 )1 1 2 2 紫外线透过率紫外线透过率“1 是表示有试样时的紫外线透射辐射通量与无试样时的紫外线透射辐射通量之比。又常分为u v - a 波段的紫外线透过率t ( u v a ) 。和u v - b 波段的紫外线透过率t ( u v _ b ) 。，其计算方法”1 如式( 卜3 ) 和( i - 4 ) 所示：y n x 五t c u v a ) 旷鼍广y 旯j _3 1 5( 1 - 3 )第一章绪论y t a 幽t ( u v b ) 庐罢广y 从j j2 9 0( 1 - 4 )光照射在物体上会出现透射、反射和吸收三种现象。同一物体对光的透过率、反射率和吸收率之和等于1 ，而物体对光的反射率与吸收率之和即为该物体对光的遮蔽率“1 ，那么：遮蔽率= 卜透过率( 1 5 )在国家标准0 1 中将u p f 值和t ( 【j 、r - a ) 。一起作为评价织物防紫外性能的指标，规定为只有u p f 值大于3 0 ，并且t ( u v - a ) 。不大于5 时，才能称为防紫外产品。1 1 3 纺织品防紫外辐射的性能及其影响因素。”1研究纺织品防紫外性能时要考虑各种因素：纤维种类；织物结构因素，如厚度、紧度( 覆盖系数或孔隙率) ；原纱结构因素，如截面中纤维根数( 与细度有关) 、捻度和毛羽等；长丝、短纤等；染整色泽；测试参数等。在实际使用过程中，还有洗涤、雨淋、风吹等因素，这些都影响着纺织品防紫外辐射的实效。1 1 3 1 纤维种类及形态结构涤纶织物防紫外能力比棉织物强。这是由于涤纶纤维分子中含有苯环结构，它对3 0 0 n m 以下紫外线有强烈的吸收能力，因此紫外线透过率低；同理，羊毛、丝绸等蛋白质纤维的分子结构中含有芳香族氨基酸，使得它们对3 0 0 r i m 以下紫外线也有很好的吸收能力。锦纶、棉等纤维分子中不含苯环结构，防紫外能力差。纤维的横截面形状也会影响对光的反射性能。如涤纶纤维为圆形截面，羊毛纤维尽管表面有鳞片层，但截面呈圆形，因此对光的反射强，有助于降低紫外线透过率。由u p f 值测定“”可知：涤纶和羊毛具有较高的防紫外性能。此外，纤维直径减小也有利于反射增强，所以超细纤维织物具有较好的防紫外性能7 1 ”。1 1 3 2 织物的结构具有较大紧度的织物的紫外线透过率较小。织物的紧度即覆盖系数( c o v e rf a c t o r ) 啪3 是指织物中经纬纱线所覆盖的面积与织物总面积之比，用百分数表示。紧度或覆盖系数、孔隙率都可表征织物含有孔隙的程度。同一纤维原料、同一织物组织，紫外线防护性能随着织物的厚度和质量的增加而增加。用织物的紧度或覆盖系数可以预测织物的紫外线透过率。4第一章绪论乃= 卜紧度( ) = 卜覆盖系数( )( 卜6 )1 1 3 3 织物的颜色及颜色的深浅由测定数据。1 矧可知：纺织品的色泽深浅直接影响到它的紫外线透过率。一般来说，深颜色的织物具有较好的防护性能，黑色和深蓝色具有较低的紫外线透过率。同一种织物染深色时，紫外线透过率较低是由于染料结构中的共轭体系除了有选择地吸收可见光外，有的染料吸收带还伸展到紫外线区域，因此起着紫外线吸收剂的作用。颜色越深，说明织物中染料含量越高，对紫外线的吸收越强。1 1 3 4 后整理经防紫外整理的织物，反复洗涤后会影响它的防紫外性能；未经防紫外整理的服装，缩水后会改善它的防紫外性能。1 1 3 5 含湿量一般来说，湿衣物较干衣物具有较低的紫外线透过率。1 1 3 6 织物的伸长一般情况下，随着织物伸长，织物的紫外线透过率增加，即紫外线防护系数减少。1 1 3 7 测试的波长间距波长间距越小，测试结果的精度越高。1 1 3 8 其他因素的影响纺织品防紫外性能的一般规律是：短纤织物优于长丝织物，加工丝产品好于化纤原丝产品，细纤维织物比粗纤维织物好，扁平异形化纤织物优于圆形截面化纤织物，机织物好于针织物，紫外辐射防护膜比透明薄膜好。1 1 4 提高纺织品防紫外能力的途径紫外线照射到织物上，部分被吸收，部分被反射，部分从经纱和纬纱组成的孔隙以及纤维之间的孔隙中透过，同时也透过纤维本身。织物防紫外机理就是通过织物对紫外线的吸收、反射完成的。提高织物防紫外能力，减少紫外线对皮肤的伤害，必须减少紫外线透过织物的量，而减少紫外线的透过量主要有两种途径“”；一种途径是提高织物对紫外线的吸收能力，可以通过选用适当的纤维和用紫外线吸收剂进行整理来达到。此外，选择合适的织物结构也可以适当提高吸收能力。另一种途径是提高织物对紫外线的反射能力，可以通过选用适当的纤维和用紫外线反射剂进行整理来达到，也可以选择适当的织物结构来增强对光的反射和散射。近年来，纳米材料的优异特性，尤其是在光学方面的特性可以对紫外线第一章绪论波段有强吸收作用，使得在提高纺织品的防紫外能力当中成为目前纺织品防紫外功能整理的又一研究热点啪1 ，纳米材料应用于织物的防紫外整理具有很高的化学稳定性、热稳定性、无毒、无刺激性，使用很安全，是广谱遮蔽剂，对紫外线的中波、长波都有遮蔽作用，透明度较高，便于印染后加工整理1 。1 1 5 改变织物结构提高纺织品防紫外能力织物结构汹1 是指经纬纱在织物中的几何形态。经纬纱原料( 纤维种类) 、线密度、密度的配置和经纬纱线的交错情况( 织物组织) 都是织物结构的参数。通过改变织物结构参数，可以提高纺织品防紫外性能。曾有人对2 5 0 种织物的u p f值作了测定o ”，测定结果显示，有相当一部分的织物达虱 a s n z s4 3 9 9 1 9 9 6 标准规定的要求。防紫外产品中，无论是机织产品、针织产品、编结产品、非织造产品，均存在织物结构及其覆盖系数问题。因为无论哪种织物均有缝隙和孔洞，其尺寸至少到十微米数量级，对于波长小于0 4 9 m ( 4 0 0 r i m ) 的紫外线能顺利穿透缝隙孔洞。若织物结构稀疏，即便加倍紫外线遮蔽剂用量，使材料具备全吸收性能也达不到高防护要求嗡2 ”。通过改变织物结构参数来提高其防紫外性能，无需另外添加助剂，不存在助剂毒性问题，不增加成本；紫外线遮蔽剂整理能显著提高织物防紫外性能，但需要采用相应的整理手段再附加上紫外线遮蔽剂，增加了加工工序和加工成本。因此，在生产防紫外织物时，首先考虑选用防紫外性能强的纤维和织物结构，然后考虑选用合适的染料，如果还未达到防紫外要求，再用紫外线遮蔽剂进行整理；也可以选用防紫外纤维、适当的织物结构和染料，再附加紫外线遮蔽剂整理，则效果更理想“”。从服用织物角度讲，尽管纺织品中加入紫外线遮蔽剂会大大提高纺织品防紫外能力，但是，作为化学助剂的紫外线遮蔽剂除了毒性和成本问题，还受热、光和化学作用，对纺织品的色牢度、白度、透气性、吸湿性和手感等都有影响。所以，如果纺织品本身能够满足这一地区人们防紫外的要求，就可避免紫外线遮蔽剂带来的危害。1 1 6 织物防紫外影响因素研究中存在的问题研究织物防紫外的影响因素，确定影响因素的主次顺序，将有助于产品设计者有目的地开发出更好的防紫外产品，拓展产品开发思路。已被科技人员广为认同的影响因素是织物的颜色”1 ，他们认为织物上的染料和较暗、较深色调的颜色都增强了织物遮挡紫外线的性能。然而，其他的织物结构参数，如纤维种类、经纬密度、纱线线密度、织物组织、紧度、厚度、重量等，对织物防紫外的影响还6第一章绪论未确定。在以往研究织物防紫外影响因素的技术文献中，存在诸多问题，导致结论缺乏可信度和说服力，具体表现在以下几方面：( 1 ) 在许多已发表论文中，对诸如经纬密度、纱线线密度、织物重量、厚度、以及织物组织等描述织物特性的指标没有进行测试或公布数据。这使得对论文中数据的分析和理解产生困难。例如一些科技人员认为厚度影响织物的紫外线透过率，但大多数研究论文并未公布对厚度的测量，这显然是一种基于主观分析而不是仪器分析的推论。( 2 ) 进行测试或公布数据的论文，所采取的实验方法也有待探讨。他们的方法是，研究某一个因素对紫外线透过率的影响时，该因素变，其他因素也在变，所以实验结果没有可比性，不具有科学的说服力。例如许多科技人员都致力于阐明纤维种类对紫外线透过率的影响。在这些研究中，没有任何一项研究的实验织物是仅有纤维种类不同，而其他织物参数都相同的。除了纤维种类，经纬密度、线密度、织物组织、厚度、重量等因素对紫外线透过率都有影响，所以得到的测试结果u p f 值应该是各因素共同作用的结果，而不是如论文中所述的是纤维种类单独作用的结果。所以，只有当对紫外线透过率同样有影响的其他因素都不变化，只变化纤维种类时，那么测试结果u p f 值才是纤维种类单独影响的结果。由于生产纱线线密度、经纬密度和织物组织完全一致的不同纤维的织物花费大，也许这样的研究永远不能进行。( 3 ) 在研究多个因素分别对紫外线透过率的影响时，按照一个因素变化，其他因素不变化的研究方法，造成了实验条件难以满足，工作量大，结果不令人满意，不具有说服力等结果。举一个例子。1 ，某研究人员研究影响织物紫外线透过率的主要因素，取织物结构中的主要参数经纬密度、线密度、织物组织作为3 个因素，分别记为a 、b 、c ，各分3 个水平进行实验。为了书写的简便，a 的3 个水平用a l ，a 2 ，a 3 表示，因素b ，c 的表示法也一样。对于这样一个实验，许多同志采用下面的方法：首先固定a 和b ，变化c ，结果发现c ：最好；然后固定a 为a l ，c 为g ，变化b ，结果是b 。好；再后固定b 为b 3 ，c 为g ，变化a ，结果是a 2 好。于是下结论说a 2 b 。g最好。这种方法叫做简单比较，一般也能得到一定的效果。但是这种方法有缺点，当因素间相互影响比较大时，a 2 b 。g 就不一定是最好的。用这种方法做实验，同样的实验次数，提供的信息不够丰富。另外，用这种方法做实验，如不做重复实验，给不出误差的估计。那么，如何保持简单比较法的优点( 实验次数较少) 而克服它的缺点呢? 实验设计提供了许多方法。实验设计是数理统计的一门重要分支，它的主要内容是讨论如何合理地安排实验以及实验后的数据如何分析等。特别需要指出的是，多因素实验中，在有些情况下，要将因素的水平组合的全部实7第一章绪论验都做是不可能的，有的实验全都做要几千次，甚至几万次，需要几年的时间，实际是办不到的。因此，在因素较多时，既要考虑实验次数少，又要得出全面的结论，这就需要用科学的方法进行合理的安排。综上所述，许多科技人员致力于确定影响紫外线透过率的最主要的织物参数或影响因素，然而，相互矛盾和混淆不清的发现或结论，不完善的实验方法以及缺乏公开的数据，特别是没有组织、经纬密度、纱线线密度、织物紧度、重量和厚度等相关的织物参数，使得进一步的研究成为必要。1 2 拒水整理研究现状与进展啪”1在织物上施加一种具有特殊分子结构的低表面能的整理剂，改变纤维表面层的组成，并牢固地附着于纤维或与纤维化学结合，使织物不再被水所润湿，这样的工艺称为拒水整理。所用的整理剂称为拒水剂。织物经拒水整理后，仍保持良好的透气和透湿性，不会恶化织物的手感和风格。1 2 1 拒水原理0 2 11 2 1 1 接触角液体在固体表面不能铺展时，则液体以一定形状停留于固体表面，在固体表面和液体边缘切线间形成一个夹角o ( 如图i - i 所示) ，此角称为接触角，用来表示液体对固体的润湿性能。么2o o e 9 0 。9 0 。 0 1 8 0 。( b )( c )图i - i 接触角的定义当0 = 0 。时，如图i - i ( a ) 所示，液体完全铺展在固体表面，形成一层水膜，在这种情况下，液体完全润湿固体；当0 。 o 9 0 。时，如图卜i ( b ) 所示，液体部分润湿固体；当9 0 。 e 1 8 0 。时，如图卜i ( c ) 所示，液体不润湿固体。接触角越大，拒水性能就越强。液滴在固体表面上受到下列平衡力的作用，固、液、气三相交界点的合力为零。8孑第一章绪论y 乳一y 韩+ y 蝠c o se = 0( i - 7 )此式是t y o u n g 于1 8 0 5 年提出的啪，常称y o u n g 公式，又因它是描述润湿性的，也有人称润湿方程式。而1 8 6 9 年d u p r 6 以粘附功定义用代数形式表达了类似的公式：w a = yl c ( 1 + c o se )( 卜8 )式( i - 7 ) 和式( 1 - 8 ) 实际上是相同的，因此也称为y o u n g 和d u p r e 公式1 。由于式( 1 - 8 ) 中的变量可以测定，故此式更实用。当液体确定后，润湿与接触角大小有关。从上述公式中不难发现，接触角越小，润湿性能越好。当o 为零时，液体润湿固体。需要说明的是，上述公式均是在理想状态下给出的，而实际润湿往往发生在非理想状态中，因此，实际体系中的接触角并非是单一数值。从润湿表面获得的前进接触角一般大于后退接触角( 前者是在液体扩展时测得，后者是在界面缩小时测得) ，两者的差值称接触角滞后。而在理想表面，此差值为零。这一结论已由h a r k i n s 啡1 得出。表面不平和不均匀，会使滞后现象更明显。为了说明液体在粗糙表面上的润湿，r n w e n z e l 提出粗糙表面的接触角e 的解释。( i - 9 )式中：r 一粗糙度( 粗糙因子) ；o 液体在理想光滑表面上的真实接触角；o7 液体在粗糙表面上的表观接触角。用液滴在表面上表观( 或宏观) 的接触面积山与微观的接触面积a r 之比来表示该表面的粗糙度。r = a 0 a ，= c o so c o se( 1 - 1 0 )其中，r 1 ，o5 9 0 。从式( 卜l o ) 得知：当e 0 ，则c o se 一 c o so ，所以o 9 0 。时，因为r l ，则c o so ， c o so ，又c o so o 。由此可知，若液滴在光滑表面上接触角小于9 0 。，则在其粗糙表面上的接触角将更小些；在光滑表面上的接触角大于9 0 。，则在其粗糙表面上的接触角将更大些。换言之，一个水不能润湿的光滑表面，则其为粗糙表面时更不易润湿。1 2 1 2 织物的拒水性织物抵抗液体润湿和渗透的能力取决于纤维表面的化学性能，织物表面的凹凸、织物组织，纤维间与纱线间空隙，毛细管间隙大小，液体粘度、比重，液体对固体的溶解性，液体向纤维的渗透扩散性及液体和纤维的接触时间等。由于纤维表面积大，表面又不平整，所以如前所述，引入表面粗糙因子r ，它满足式( 1 - 1 0 ) 。由式( 1 - 1 0 ) 可知，当o 9 0 。时，则o 9 0。时，则o e ，即原来润湿的，表面粗糙更易润湿；原来拒水的，表面粗糙，则拒水性更好。由于表面的凹凸，固体实际表面积总是大于表观表面积，两者之比一般都在1 5 倍以上。由此织物的组织结构、纱线线密度等都影响润湿和拒水性。1 2 2 荷叶效应。刀我们知道，荷叶素有“出淤泥而不染”之称，被视为纯洁的象征。对荷叶的这种“拒水自洁”现象，人们进行了研究，2 0 世纪9 0 年代，德国植物学家波恩大学w i l h e l mb a r t h l o t t 和c h r i s t o p hn e i n h u i s 教授通过扫描电镜和原子力显微镜对荷叶等2 万种植物的叶面微观结构进行观察，揭示了荷叶的“自洁性”源于其表面的微观结构。荷叶的这种“自洁性”被称为“荷叶效应”( l o t u s e f f e c t ) 。根据荷叶效应原理，德国科学家已经研制成功了具有拒水自洁的建筑物表面涂料，而且从1 9 9 9 年开始上市销售。具有同样性能的屋瓦也于2 0 0 0 年底上市销售。具有荷叶效应的服装也正在研制中汹1 。由于荷叶效应具有广阔的应用前景，并具有很高的商业价值，所以关键技术和原理都申请了专利，并严格保密。1 2 2 1 超拒水表面近年来，超拒( 疏) 水表面引起了人们的普遍关注，所谓超拒水表面啪1 一般是指与水的接触角大于1 5 0 。的表面，它在工农业生产和