（纺织工程专业论文）织物抗紫外线性能研究.pdf

学位论文的主要创新点 if删1ih|ifffiillii jififijiiiffji|fr l l y 17 7 3 0 0 4 一、研究得出组织结构与织物抗紫外线性能之间没有特定的 规律。 二、利用s p s s 软件，运用正交试验方差分析，以u p f 值为 试验指标值，对影响织物抗紫外线性能的因素一纤维种类、织物 密度和组织结构进行数学分析。结果表明：纤维种类和织物密度 是高度显著因素，组织结构是非显著因素。 三、对纳米t i 0 2 进行掺杂，初步探索掺杂对纳米t i o ：抗紫外 线性能的影响规律。 摘要 通过对不同纤维种类、织物结构和颜色织物的紫外线透过率和紫外线防护系 数( u p f ) 进行测试，分析纤维种类、织物密度、覆盖系数、厚度、组织结构和 颜色对织物抗紫外线性能的直观影响；利用s p s s 软件，运用正交试验方差分析， 以u p f 值为试验指标值，对影响织物抗紫外线性能的因素一纤维种类、织物密 度和组织结构进行数学分析，找出重要影响因素；对经过纳米t i 0 2 整理前后织 物的抗紫外线性能进行比较，分析纳米t i 0 2 对紫外线的防护效果以及掺杂对纳 米t i 0 2 抗紫外线性能的影响规律。 通过研究及相关分析证实，纤维原料不同，织物的抗紫外线能力也不相同。 不同种类织物的抗紫外线性能具有如下规律：大豆涤纶混纺织物 棉织物 涤 纶织物 苎麻棉混纺织物 天竹织物 天麻织物 粘胶棉混纺织物 天丝织 物；随着织物密度和紧度的增大，紫外线透过率逐步降低，u p f 值依次升高，织 物的抗紫外线性能提高；织物越厚，紫外线透过率越低，u p f 值越大，织物抗紫 外线性能越好：组织结构对织物抗紫外线性能的影响不呈明显规律，有待于进一 步的研究；随着染料用量的增加，透过织物的紫外线减少，u p f 值随之增大，织 物的抗紫外线性能增大；当染料用量相同时，三原色织物的抗紫外线性能不尽相 同，黄色最佳，红色次之，蓝色最差；在纤维种类、织物密度和组织结构三个因 素中，纤维种类和织物密度影响高度显著，组织结构影响不显著；影响因素主次 顺序依次为：纤维种类、织物密度、组织结构。纳米t i 0 2 整理剂可以显著提高 织物的抗紫外线能力，不同种类纤维的织物提高的幅度各不一样；掺杂后的纳米 t i 0 2 对织物紫外线的防护能力发生变化，与未掺杂纳米t i 0 2 相比，硼掺杂后大 部分织物的u p f 值降低，氮掺杂后大部分织物的u p f 值基本没有变化，硫一氮 掺杂后大部分织物的u p f 值有所提高。这可能是因为不同的掺杂对纳米t i 0 2 的 物理性质影响不一致。 关键词：紫外线；纤维；组织结构；染色；纳米t i 0 2 ；非金属掺杂 d y e i n go nf a b r i cp e r f o r m a n c eo fa n t i - u l t r a v i o l e tw e r ea n a l y z e d u s i n gs p s ss o f t w a r e ， t h ef i b e rt y p e ，d e n s i t ya n ds t r u c t u r ew e r ea n a l y z e db yt h eo r t h o g o n a lt e s tv a r i a n c e a n a l y s i s ，i no r d e rt od i s c u s st h em a i nf a c t o r t h ei n f l u e n c eo fn a l l o t i 0 2o n p e r f o r m a n c eo fa n t i - u l t r a v i o l e ta n dn o n m e t a ld o p i n go nn 试o - t i 0 2w e r ea n a l y z e d b yc o m p a r i n gt h eu p f o ft h ef a b r i c a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n ta n da n a l y z i n g , t h ee x p e r i m e n t sr e s u l t so ft h es t u d y a r ea sf o l l o w i n g ：d i f f e r e n tt y p eo ff i b e rh a sd i f f e r e n tp e r f o r m a n c eo fa n t i - u l t r a v i o l e t i nt h ee x p e r i m e n t ，t h ep e r f o r m a n c eo fa n t i - u l t r a v i o l e tf r o mh i g ht ol o w , d i f f e r e n t f a b r i c sa sf o l l o w i n g ：s o y b e a n p o l y e s t e rb l e n d e df a b r i c c o t t o nf a b r i c p o l y e s t e rf a b r i c r a m i e c o t t o nb l e n d e d f a b r i c r e g e n e r a t e d b a m b o o f a b r i c r e g e n e r a t e d r a m i e f a b r i c r a y o nc o t t o nb l e n d e df a b r i c l y o c e l l ( t e n c e l ) f a b r i c ；t h eg r e a t e rd e n s i t ya n d t i g h t n e s s ( c o v e r i n gc o e f f i c i e n t ) o ff a b r i c ，t h el o w e ru v rt r a n s m i s s i o n ，t h eg r e a t e r u p fv a l u e a n dt h eb e t t e ra n t i u vp e r f o r m a n c eo ff a b r i c ；t h eg r e a t e rt h et h i c k n e s s o ft h ef a b r i c ，t h eg r e a t e rv a l u eo fu p f ，t h eb e t t e ra n t i u vp e r f o r m a n c eo ft h ef a b r i c ； t h e r ei sn or e g u l a t i o nb e t w e e nu p fa n df a b r i cs t r u c t u r e ，s ot h ei n f l u e n c eo fs t r u c t u r e o np e r f o r m a n c eo fa n t i - - u l t r a v i o l e tw a ss t i l ld i s c u s s e di nf u r t h e r ；t h ev a l u eo fu p f r i s ew i t ht h ei n c r e a s eo fd y ec o n c e n t r a t i o n ，a n dt h ef a b r i c p e r f o r m a n c eo f a n t i - - u l t r a v i o l e ti m p r o v e d ；w i t ht h es a m ec o n c e n t r a t i o n ，d i f f e r e n tc o l o rh a sd i f f e r e n t p r o t e c t i o na g a i n s tu vr a d i a t i o n t h ey e l l o wf a b r i co f f e rb e s tp r o t e c t i o no fa n t i _ u v r a d i a t i o n ，t h er e df a b r i co f f e rb e t t e rp r o t e c t i o na n db l u ef a b r i co f f e rg o o dp r o t e c t i o n ； a m o n gt h r e ef a c t o r s ，f i b e rt y p e a n dd e n s i t yh a v ev e r yi m p o r t a n ti n f l u e n c eo n a n t i u vp e r f o r m a n c eo ft h ef a b r i c f a b r i cs t r u c t u r eh a sl e s si n f l u e n c e t h ei n f l u e n c e d e g r e ef r o mh i g ht ol o wi no r d e ri s ：f i b e rt y p e ，d e n s i t ya n ds t r u c t u r e t h ep e r f o r m a n c e o fa n t i - u l t r a v i o l e tw a si m p r o v e ds i g n i f i c a n t l ya f t e rt h ef a b r i ct r e a t e dw i t hn a n o - t i 0 2 ， d i f f e r e n t t y p eo ff a b r i ch a sd i f f e r e n ti n c r e a s e dr a n g e ；d o p eh a si n f l u e n c e o n p r o t e c t i o no fa n t i u l t r a v i o l e to fn a n o - - t i 0 2 ，c o m p a r e dt on o n d o p e dt i 0 2 ，bd o p e d t i 0 2h a sal i t t l ed e c r e a s i n go fu p f , nd o p e dh a sa l m o s tn oc h a n g eo fu p f , s i n c ( 卜d o p e dt i 0 2h a sal i t t l ei n c r e a s i n go fu p f t h er e a s o nf o rt h a tm a yb ed i f f e r e n t e l e m e n th a sd i f f e r e n tc h a n g et ot h es t r u c t u r eo f t i 0 2 k e y w o r d s ：u l t r a v i o l e tr a d i a t i o n ；f i b e r ；s t r u c t u r e ；c o l o r ；n a n o - t i 0 2 ；n o n - m e t a l d o p e d 目录 第一章绪论1 1 1 抗紫外线织物的研究进展2 1 1 1 国外抗紫外线织物的研究进展。2 1 1 2 国内抗紫外线织物的研究进展3 1 2 课题研究目的和内容4 第二章理论基础5 2 1 织物抗紫外线机理5 2 2 影响织物抗紫外线性能的因素6 2 2 1 纤维种类6 2 2 2 组织结构。6 2 2 3 织物密度7 2 2 4 覆盖系数。7 2 2 5 厚度。7 2 2 6 颜色7 2 2 7 其他因素8 2 3 纳米t i 0 2 抗紫外线整理8 2 3 1 纳米t i 0 2 的结构8 2 3 2 纳米t i 0 2 抗紫外线机理9 2 3 3 纳米t i 0 2 的制备及其应用1 0 2 3 4 纳米t i 0 2 整理织物的最优工艺1 1 2 4 织物抗紫外线性能评价1 1 2 4 1 织物抗紫外线性能的测试方法1 1 2 4 1 1 皮肤照射法1 1 2 4 1 2 变色褪色法11 2 4 1 3 紫外线强度计法1 1 2 4 1 4 分光光度计法1 1 2 4 2 织物抗紫外线性能测量标准1 2 2 4 3 织物抗紫外线性能的评价指标1 4 第三章实验部分15 3 1 实验原料15 3 2 实验药品1 5 3 3 实验仪器与设备1 5 3 4 实验方法1 6 3 4 1 织造1 6 3 4 2 前处理l8 3 4 2 1 水洗。18 3 4 2 2 煮练l8 3 4 2 3 皂洗19 3 4 2 4 漂白。19 3 4 3 染色1 9 3 4 3 1 活性染料染色19 3 4 3 2 分散染料染色2 0 3 4 4 抗紫外线整理工艺2 0 3 5 性能测试2 0 3 5 1 抗紫外线性能2 0 3 5 2 其他性能：2 1 第四章织物的结构和抗紫外线性能2 3 4 1 下机织物的结构和抗紫外线性能2 3 4 2 织物抗紫外线性能影响因素的直观分析2 6 4 2 1 纤维种类2 6 4 2 2 织物密度2 8 4 2 3 覆盖系数2 9 4 2 4 厚度3 0 4 2 5 组织结构3l 4 2 6 前处理3 3 4 2 7j 颜色3 5 4 3 织物抗紫外线性能影响因素的数学分析。3 6 4 4 本章小结一3 8 第五章织物的纳米t i 0 2 整理4 l 5 1 实验41 5 5 5 5 实验原料 整理工艺 元素掺杂比例的确定 测试方法 4 1 4 1 4 1 4 3 5 1 4 1x r d 衍射图谱4 3 5 1 4 2t e m 测试4 3 5 1 4 3 紫外一可见光谱图4 3 5 1 4 4 织物外观4 3 5 2 纳米t i 0 2 的性能4 3 5 2 1 x r d 衍射图4 3 5 2 2 透射电镜( t e m ) 4 4 5 2 3 紫外一可见光谱图4 5 5 3 结果与讨论4 5 5 3 1 织物表面纳米t i 0 2 形态分析4 5 5 3 2 整理后织物的抗紫外线性能4 6 5 3 2 1 纳米t i 0 2 整理织物的抗紫外线性能4 6 5 3 2 2 硼掺杂纳米t i 0 2 整理织物的抗紫外线性能4 6 5 3 2 3 氮掺杂纳米t i 0 2 整理织物的抗紫外线性能4 7 5 3 2 4 硫一氮掺杂纳米t i 0 2 整理织物的抗紫外线性能4 8 5 3 2 5 不同掺杂纳米t i 0 2 整理织物的抗紫外线性能比较4 9 5 3 3 整理后织物的其它性能5 0 5 3 3 1 织物刚柔性5 0 5 3 3 2 织物透气性51 5 4 本章小结5 1 第六章结论5 3 参考文献5 5 发表论文和参加科研情况6 1 附勇乏6 3 致谢6 9 第一章绪论 第一章绪论 太阳光中能穿过大气层辐射到地面的紫外线( u l t r a v i o l e tr a d i a t i o n ，简称u v r ) 占总能量的6 ，按其波长可分为u v a ( 3 1 5 4 0 0n m ) 、u v b ( 2 9 0 - - - 3 1 5n m ) 和u v c ( 1 0 0 , - - - 2 9 0n m ) 3 4 - 波段。紫外线对人体的影响分为两个方面。适量照 射紫外线有助于人体健康，紫外线可使皮肤中的7 脱氢胆固醇转化为维生素d 3 ， 是人体钙吸收所不可缺少的重要因素，可以预防佝偻病。另外，紫外线能增强交 感神经2 肾上腺系统的兴奋性和应激能力，提高细胞线粒体酶和微粒体酶的活性， 加强人体非特异性免疫功能和机体防御能力，促进体内某些激素的分泌功能等 。但是过度照射紫外线对人体造成伤害，加速皮肤老化并可导致各种皮肤问题 甚至引发皮肤癌。不同波长的紫外线对皮肤的影响如表1 1 心1 所示。 表1 1 不同波长紫外线对皮肤的影响 正常情况下，u v c 被大气层中的臭氧层吸收无法到达地面；部分u v a 和u v b 也会被臭氧层吸收，只有很少一部分能到达地面。但近几十年来，由于氟利昂等 含卤化合物的大量排放，滞留在地球上空，被紫外线分解形成的活性氯与臭氧 发生连锁化学反应，使大气层中的臭氧层遭到破坏形成空洞，致使大量的紫外 线照射到地面上，对人体造成伤害。据科学资料分析，每破坏1 的臭氧层，到 达地面的紫外线的辐射强度就增加2 ，皮肤癌患者增d 1 1 3 口3 。有关科学家预测， ：至1 1 2 0 5 0 年大气平流层臭氧量将会减少2 0 左右，到那时紫外线将会给人类的健 天津1 ：业人学硕士学位论文 康带来更大的危害h 吲。因此，如何抵御紫外线的伤害已成为当今社会密切关注 的问题。 为了使人类避免受到过度的紫外线照射，科学家们于2 0 世纪8 0 年代开始研究 开发抗紫外线化妆品一防晒霜。后来，由于人类对紫外线的进一步认识，科学研 究发现，到达地球表面的紫外线的能量与气候相关。夏天紫外线的量为冬天的2 3 倍，夏至前后紫外线最强，一天中上午十点到下午两点的时间段内紫外线最强。 但是，在夏天，为了凉爽，人类穿着轻薄织物，紫外线会透过织物影响人体，因 此仅仅靠防晒霜抵挡紫外线是不够的，为了有效防止过量紫外线辐射的危害，夏 季服装需有较好的抗紫外线功能。因此，研究织物的抗紫外线性能已是当今社会 的一个主要开发热点。 1 1 抗紫外线织物的研究进展 添加了紫外线屏蔽剂而制成的织物，对紫外线的防护能力显著提高，其紫外 线屏蔽率一般可达到9 0 以上，有的甚至在9 9 以上1 。一般情况下，对于常用 的织物，紫外线防护织物的生产方法主要有两种：一种是将紫外线屏蔽剂与成纤 聚合物共混后纺丝制成抗紫外线纤维，适用于化学纤维；另一种是用紫外线屏蔽 剂对织物进行后整理，适用于所有纤维。 1 1 1 国外抗紫外线织物的研究进展 上世纪9 0 年代，各国相继开始开发抗紫外线织物。澳大利亚、新西兰等地 处低纬度、日照较强的国家率先开发了抗紫外线织物，并促使抗紫外线织物进 入了商品化阶段。他们主要采用添加抗紫外线整理剂和紫外线屏蔽剂的方法。 其中，日本的研究成果最为显著。在短短几年内，就有数十种抗紫外线织物投 放市场。1 9 9 1 年，日本可乐丽公司首先开发“埃斯莫( e s m o ) ”纤维，该纤 维利用无机紫外线屏蔽剂的耐热耐氧化性能，然后掺入聚酯母粒后纺成，具有 很高的紫外线屏蔽率和热辐射遮蔽率，投放市场后，深受客户青睐。之后，同 本其他公司又相继开发了多种抗紫外线纤维和织物口3 。防紫外线纤维一般采用 聚醋为基材，有长丝和短纤m 1 。仓敷人丝公司利用氧化锌及陶瓷微细粉末掺入 聚酯共混纺丝，生产异形截面短纤或皮芯长丝，其织物的紫外线阻隔率高达 9 0 阳3 。尤尼卡公司的托纳多u v 先将含有特殊陶瓷粉的聚酯长丝制成织物， 再用紫外线吸收剂进行处理，所得织物的紫外线屏蔽率高达9 7 。k u r a r a y 公司开发出了单纤细度小于8 旦尼尔的紫外线屏蔽皮芯复合纤维，采用平均粒 径0 5 9 m 的t i 0 2 和0 3 p m 的z n o ，含量5 w t ，皮芯比例1 ：1 ，紫外线屏蔽率 第一章绪论 为9 5 左右n 们。此外，还有将纳米技术应用到抗紫外线纺织品中，如利用纳米 粉体的量子尺寸效应，使其对某种波长的光吸收带有“蓝移现象 和对各种波 长的吸收有“宽化现象”导致对紫外线的吸收效果显著增强，保证织物的紫外 线屏蔽效果1 。目前最常用的几种吸收紫外线的纳米材料有：3 0 4 0 n m 的t i 0 2 ， 它对4 0 0 n m 以下的紫外线有极强的吸收能力；a 1 2 0 3 纳米粉体对波长2 5 0 r t m 以 下的紫外线有很强的吸收能力；s i 0 2 纳米粉体对波长4 0 0 n m 以下的紫外线反射 率高达9 5 。 1 1 2 国内抗紫外线织物的研究进展 我国从上世纪9 0 年代中期也开始了抗紫外线纺织品的研究开发工作。经过十 几年的努力，也取得了巨大的成果。例如，北京纺织研究所开展了可溶性光敏还 原染料对抗紫外线整理织物的测定；北京服装学院研制了一种简捷快速测定抗紫 外线织物整理效果的方法；仪征化纤股份有限公司采用原位复合的方法，研制出 紫外线屏蔽p e t 长丝，其织物紫外线透过率为3 1 n2 l 。乌鲁木齐石化总厂化纤厂 在纺丝过程中加入紫外线屏蔽涤纶母粒，进行共混纺丝，所得涤纶平纹织物紫外 线屏蔽率达9 6 8 n 。上海工程技术大学等几家单位研制和应用抗紫外线整理剂， 对纯棉、涤棉混纺织物等进行整理加工，大大提高了这些织物的防紫外线辐射 性能；厦门华普高技术产业有限公司开发的纳米级陶瓷棉纺织品，同时具有抗紫 外线、抗菌及远红外保温功能；西安华捷科技发展公司将超微粉渗入纤维制得紫 外线屏蔽率为9 5 以上的服装n 引；上海交通大学科研人员于2 0 0 4 年2 月1 3r 完成 纳米t i 0 2 抗紫外线纤维研制项目，采用纳米t i 0 2 与聚酯原位聚合方法制备纳米 t i 0 2 聚酯复合材料，实现纳米颗粒在高聚物中的纳米级分散，织物的紫外线防 护系数( u l t r o v i o l e tp r o t e c t i o nf a c t o r ，简称u p f ) 大于5 0 ，在2 9 0 - - 4 0 0 n m 波段紫 外线的屏蔽率大于9 5 ，紫外线透过率小于3 u4 ；西安华捷科技发展公司采用 超微粉材料掺入纤维制成的服装，能吸收、隔离9 5 以上的紫外线，有效地阻止 其对人体的伤害5 1 ；天津石化公司研究所用陶瓷微粉研制出了抗紫外线涤纶短纤 维和网络低弹丝旧1 ；上海化纤十一厂开发了抗紫外线涤纶短纤维；东华大学化纤 工程研究中心研制出纳米级抗紫外线超微粉体和母粒；山东巨龙化工公司将紫外 线吸收剂和反射剂合理搭配，成功研制应用于棉织物的抗紫外线整理剂。 目前采用纳米、微胶囊等技术，对纤维或织物进行防紫外线处理，使纺织 品的抗紫外线性能更加优良持久。由于纳米微粒具有量子尺寸效应、小尺寸效 应、表面效应和量子隧道效应等特性而展现出许多特有的性质，在催化、滤光、 光吸收、医药、磁介质及新材料等方面具有广阔的应用前景6 。为了进一步提 高织物的抗紫外线辐射性能，通过向合成纤维聚合物中添加某些超微或纳米级 天津工业人学硕士学位论文 无机材料粉末，经过纺丝获得具有抗紫外线功能的纤维，已成为流行的紫外线 屏蔽纤维制造方法n 4 | 。 1 2 课题研究目的和内容 自从上世纪以来，大量的科学家们一直致力于织物抗紫外线性能的研究。 经过数十年的努力，研究取得了巨大的成果。其中，紫外线屏蔽剂研究最为火 热，短时期内，国际上相继推出了各式各样的紫外线屏蔽剂及吸收剂。特别是 近年来，纳米材料的广泛应用，大量的纳米材料( 如纳米z n o 、纳米t i 0 2 等) 作为紫外线屏蔽剂用于织物的后整理加工，大大提高了织物的抗紫外线性能。 可以说，在紫外线屏蔽剂和吸收剂及其后整理方面，技术已经相当纯熟。但是 关于纤维原料与织物组织结构对织物抗紫外线性能的影响的研究还不是很多， 也存在着一些不足之处。在纤维原料方面，新型纤维涉及到的不多，而且规格 不同，所以找到的规律以及设计抗紫外线织物的最佳工艺存在的很大的争议。 随着科技的发展和社会的进步，新型纤维的应用范围不断扩大，研究新型纤维 的抗紫外线性能已经成为发展趋势。在讨论织物结构时，不能保证其他条件均 一致，实验数据的可靠性低。所以在这两方面还有很大的发展空间，值得我们 去探索和完善。 本课题从纤维种类、织物结构和紫外线屏蔽剂入手，研究织物的抗紫外线 性能。考虑到穿着性能，实验选用服用性能较好的棉、涤纶、天丝、天竹和苎 麻棉等织物进行研究。重点研究了纤维原料、组织结构、经纬纱密度、覆盖系 数、厚度和颜色对织物抗紫外线性能的影响，并利用纳米t i 0 2 整理剂对织物进 行后整理，分析探讨整理织物的抗紫外线性能。 第二章理论基础 2 1 织物抗紫外线机理 第二章理论基础 从光学原理的角度来讲，紫外线照射到织物上的情况遵守光的反射、折射和 吸收定律。即紫外线照射到织物上一部分被织物反射，一部分被织物吸收，其余 的紫外线透过织物，作用到人体上。紫外线作用于织物上的情况如图2 1 n 7 1 所示。 图2 1 紫外线作用于织物的情况 图2 1 中，1 ：紫外线直接从纱线间的空隙中透过；2 ：紫外线垂直穿透织物； 3 ：紫外线穿过织物，但传播方向发生改变；4 ：紫外线经过纤维问的空隙、纤维 表面反射、折射改变传播方向，但依然穿透织物；5 ：紫外线被织物的纤维表面 反射，折回到入射侧；6 ：紫外线被织物吸收。由图2 1 可以分析出，前四部分的 紫外线都穿过了织物，直接作用在人体上，对人体造成伤害；后两部分被织物反 射或吸收，不会造成伤害。因此，织物对紫外线的屏蔽作用，主要是要减少1 、2 、 3 、4 部分的紫外线，增加5 、6 部分。 其中，1 的多少取决于织物的紧密度。织物结构疏松，纱线间缝隙大，紫外 线透过的量多；相反，如果织物结构紧密，纱线间缝隙小，紫外线透过的量少。 2 的多少取决于纱线原料的种类和织物的厚度，纤维原料吸收紫外线的能力越强， 织物厚度越大，紫外线就不容易透过；相反，纤维原料的紫外线吸收能力越弱， 织物厚度越小，紫外线就容易透过。3 年1 1 4 的多少取决于纤维种类、纤维表面形态 和纱线结构，不同的纤维，分子结构不同，对紫外线吸收和反射角度不同。5 和6 的多少取决于纤维本身的特性。 天津工业大学硕士学位论文 2 2 影响织物抗紫外线性能的因素 影响织物抗紫外线性能的因素有很多。例如，纤维原料的种类、织物的组织 结构、经纬纱线密度、覆盖系数、厚度和颜色等。 2 2 1 纤维种类 纤维种类不同，抗紫外线能力( 紫外线透过率和u p f 值) 也不相同。s a n d r a d a v i sm s c n 剐通过比较棉、毛、涤纶、尼龙、亚麻、醋酸、丙纶、粘胶以及涤纶 毛混纺、涤纶棉混纺织物的s p f 值，得出涤纶纤维的抗紫外线性能最佳。大量的 研究n 螂1 指出：涤纶分子中的苯环结构和羊毛蛋白质分子中的芳香族氨基酸结 构，使得这两种纤维对小于3 0 0 r i m 的光具有很好的吸收性，所以抗紫外线性能较 好，而棉、粘胶等纤维素纤维抗紫外线能力差。范丽红等乜妇指出合成纤维对紫外 线的吸收能力优于棉纤维，其抗紫外线性能好于棉纤维。允秋侠瞳2 1 指出腈纶纤维 是一种优良的防紫外线纤维，由于它的结构中的c n 基能吸收紫外线能量并转 变成热能散失，所以传导到纤维中的能量很少，能起到防紫外线的作用。王溪 繁等心3 1 在研究中指出影响纤维的抗紫外线性能的因素有两种：一是分子的结构， 例如分子中含有不易吸收紫外线的c c 、c h 、c o 、c n 、c c i 等键的棉、粘胶 等纤维素纤维，抗紫外线性能较差；二是纤维中是否含有杂质或其他物质，若含 有其他杂质会降低它的抗紫外线性能。蚕丝的抗紫外线性能介于涤纶与棉纤维之 间n 1 1 5 】。 2 2 2 组织结构 组织结构决定了织物中纱线的屈曲情况。组织结构不同，经纬纱线交织规律 不同，织物中纱线的状态不同，紫外线透过的情况存在差异。范丽红等心在研究 中指出在相同纤维材料和紧度的条件下，纬重平组织的结构疏松，纱线之间的孔 隙比平纹组织大，紫外线透过率大，所以抗紫外线性能差。周永凯，赵莉等瞳钔 研究不同组织结构的棉织物的抗紫外线性能，指出对于三原组织的抗紫外线性 能：缎纹) 斜纹) 平纹，这主要是因为平纹的交织次数最多，纱线屈曲最大，纱 线和纱线之间产生的缝隙可能会较多。而斜纹和缎纹则不同，尤其缎纹组织浮线 较长，纱线和纱线之间的交织次数比较少，纱线屈曲小，相同密度条件下，纱线 和纱线更容易相互靠紧，缝隙较小。另外，浮长线变化组织的织物和绉组织织物 的抗紫外线性能也好于平纹织物。周蓉等n 列比较不同组织结构涤纶织物的抗紫外 线性能时发现，不同组织的抗紫外线性能：4 枚破斜纹 平纹 二上二下右斜纹 第二章理论基础 绉组织 八枚经面缎纹。综上所述，组织结构对织物抗紫外线性能的影响没有 特定的规律，其原因有待于进一步的研究。 2 2 3 织物密度 经纬纱线密度决定了织物中相邻两根纱线间空隙的大小。密度小，相邻纱线 间的空隙大，紫外线很容易透过织物，照射到皮肤上，织物的防紫外线性能差； 反之，密度大，纱线之间的空隙小，紫外线就不容易透过，织物的抗紫外线性能 好。在所有的研究中，均证实了这一结论。但是，织物密度过大，织物的透气性、 透湿性差，影响织物的穿着舒适性。另外，加大织物密度也提高了工厂的生产成 本。 2 2 4 覆盖系数 覆盖系数是表征织物紧度的参数，也是影响织物抗紫外线性能的重要参数。 大量的研究表明，覆盖系数对织物的抗紫外线性能影响显著。施楣梧心副在研究中 指出，织物的紫外线透通性能和抗紫外线整理效果主要受织物覆盖率的影响。徐 英莲，许红燕汹1 在研究中指出覆盖系数与紫外光的透射率几乎呈线性变化，织物 覆盖率对织物的紫外线透射率影响最大。 覆盖系数增加，织物中纱线f b j 的空隙减小，阻止紫外线从纱线缝隙中透过， u p f 值升高，织物的防紫外线性能提高；当覆盖系数增大到一定的数值后，再增 加时，纱线问空隙变化不是很明显，u p f 值的变化就不大了。另外，覆盖系数大， 织物纱线排列紧密，则织物的透气性、透湿性差，影响织物的穿着舒适性。 2 2 5 厚度 对于相同纤维原料、组织结构的织物来讲，随着厚度的增加，紫外线的透过 率降低，u p f 值升高，织物的防紫外线性能提高。这是由于随着织物厚度的增加， 紫外线穿透织物的阻力增大，使其不易透过织物，织物的抗紫外线性能提高。 2 2 6 颜色 颜色也是影响织物抗紫外线性能的一个因素。织物经过染色后，抗紫外线 性能会发生明显的变化。这是由于有些染料的吸收带可延展到紫外光谱区域， 从而起到吸收紫外线的作用乜引。颜色的变化，影响到织物对光线的吸收和反射。 染色织物的防紫外线性能取决于染料在紫外区域的吸收谱带的位置和强度、以 及织物中的染料浓度，染料的紫外区域的吸收特性主要由染料分子的化学结构 天津r t 业人学硕士学位论文 所决定的汹哪! 。染料具有颜色的原因是因为染料分子结构中带有一些不饱和基 团，这些基团称为发色团，如n = n 、c = c 、n = o 、n 0 2 、c = o 等。染料具有 颜色，发色团必须连在足够长的共轭体系上，或者有几个发色团连成共轭体系。 这些含有发色团的分子共轭体系称为发色体。染料具有颜色，这些染料还要有 一些助色团，如：- n h 2 、o h 、n h r 、s 0 3 h 、c o o h 等。而正是因为有了这 些吸收波长小于4 0 0 n m 的连接于芳香族衍生物的发色基团如n = n 、c = c 、 - n = o 、n 0 2 、c = o 等和助色基团如：n h 2 、o h 、s 0 3 h 、c o o h 等使得这些 染料成为紫外线吸收剂啪3 。 一般来说，随着颜色的加深，紫外线透过率降低，织物的抗紫外线性能提 高。以涤纶织物为例，依次列出了各种颜色对紫外线的透过比例：黑色紫外线 透过率为5 ，藏青、红，深绿、紫，紫外线透过率为5 1 0 ，绿、淡红、淡绿， 白色，紫外线透过率为1 5 - 2 0 口。 2 2 7 其他因素 织物抗紫外线性能的一般规律为n 5 3 2 3 ：在相同的条件下，短纤维织物优于 长丝织物，细纤维织物优于粗纤维织物，加工丝产品优于化纤原丝产品，机织 物优于针织物，扁平异型化纤织物优于圆形截面化纤织物。 2 3 纳米t i0 ：抗紫外线整理 2 3 1 纳米ti0 ：的结构 纳米t i 0 2 是一种新型的无机材料，白色粉末无毒、不溶于水、有机酸和弱无 机酸，微溶于碱口引。在浓硫酸以及氢氟酸长时间煮沸可完全溶解，在碳酸氢钾的 饱和溶液热敏性稳定，在1 8 0 0 以上逐渐熔融。与常规材料相比，纳米t i 0 2 具有 其独特的性能：比表面积大；磁性强；具有极强的吸收紫外线的能力； 表面活性大；热导性好；分散性好，所制得的悬浮液稳定。 t i 0 2 分为无定型和结晶型两种，晶体有锐钛矿型( a n a t a s e ) 、金红石型 ( r u t i l e ) 和板钛矿型( b r o o k i t e ) 三种不同晶型，它们的主要区别在于八面体 结构内部扭曲和结合方式不同，图2 2 所示为金红石晶型和锐钛矿晶型的单元 结构，从图2 2 中可以看出，每个t i 4 十被六个o 厶构成的八面体所包围。锐钛矿 型的t i t i 间距( 3 7 9 a ，3 0 4 a ) 比金红石型( 3 5 7a ，3 9 6a ) 的大，t i o 键 距( 1 9 3 4 a ，1 9 8 0 a ) 小于金红石型( 1 9 4 9a ，1 9 8 0a ) 。金红石型中的每个 八面体与周围1 0 个八面体相联( 其中两个共边，八个共顶角) ，而锐钛矿型中 第二章理论基础 的每个八面体与周围8 个八面体相联( 四个共边，四个共项角) 。这些结构上的 差异导致了两种晶型有不同的质量密度及电子能带结构。锐钛矿型的质量密度 ( 3 8 9 4 9 c l n 3 ) 略小于金红石型( 4 2 5 0 9 c n l 3 ) ，带隙( 3 3 e v ) 略大于金红石型 ( 3 1 e v ) 圳。 t i oo ( a ) 金红石型( b ) 锐钛矿型 图2 2t i 0 2 两种晶型单元结构图 2 3 2 纳米ti0 ：抗紫外线机理 紫外线的波长较短，适合研制紫外波段的光传感器的最佳半导体材料应当是 一些具有宽禁带参数的材料m 1 t i 0 2 作为一种氧化物半导体材料，价带0 2 p 、导带 t i 3 d ，禁带宽度3 0 3 2 e v 。由于禁带宽度较大，对可见光几乎不吸收，对3 4 0 n m 以下紫外线具有良好的吸收特性，并且它的化学稳定性和耐候性良好，制备工艺 也相对成熟。当t i 0 2 颗粒小于1 0 0n r n 时，光吸收发生蓝移，即吸收带移向短波 方向。将纳米t i 0 2 稳定、均匀地分散在纤维分子中，可有效地阻止大分子链的降 解，减少自由基的生成，达到屏蔽紫外线的效果刮。一般而言，小于1 2 0 n mt i 0 2 颗粒以吸收紫外线为主；1 2 0 n m - - - 4 0 0 n m 的t i 0 2 颗粒，以散射紫外线为主；粒 径大于4 0 0 n m 的t i 0 2 颗粒因其粒径大于紫外线的波长，以反射紫外线为主m 。1 。 因此，纳米t i 0 2 在紫外线范围内有很强的吸收屏蔽作用。粥1 。 纳米t i 0 2 的抗紫外线机理： ( 1 ) 纳米t i 0 2 由充满电子的0 2 p 分子轨道形成 价带( v b ) ，由没有电子的空轨道t i 3 d 形成导带( c b ) ，形成n 型半导体的典 型的禁带间隙特征，存在带隙能。由于其宽频带强吸收特性，在紫外线照射下， 其光子( 波长小于4 1 0 1 a m 的紫外线) 能量大于禁带宽度时，紫外光能量转化为 激发能克服带隙能，电子e 。则被激发出低能的价带跃迁到高能的导带，产生电 子( e ) 一空穴( h 十) 对，从而赋予t i 0 2 优异的紫外线吸收能力引。( 2 ) 纳 天津丁：业人学硕士学位论文 米t i 0 2 还具有较强的紫外线散射能力。这是由于纳米t i 0 2 粒子尺寸小于紫外线 的波长，当紫外光能量以电磁波的形式传播到纳米t i 0 2 粒子时，纳米t i 0 2 粒子中 的电子受到能量攻击以入射紫外光波的频率被迫振动，成为电磁波的一次传播 源，并同时向各个方向散射紫外光波。由于纳米t i 0 2 具有吸收和散射紫外线的能 力，因此经纳米t i 0 2 整理后的织物具有较好的紫外线屏蔽性能h 训。 2 3 3 纳米t i0 ：的制备及其应用 纳米t i 0 2 的制备方法分为物理法和化学法。实际应用中，以化学法为主h 。 化学法又分为液相化学法和气相化学法h 引。气相化学法包括四氯化钛火焰水解法 和钛醇盐气相水解法h 引。液相法包括溶胶一凝胶法h 4 删、微乳液法h 9 。5 3 1 、超声化 学法嘲和沉淀法嘲3 。其中目前最为常用的制备方法是溶胶一凝胶法，溶胶一凝 胶法( s o l g e l 法，简称s g 法) 是指无机物或金属醇盐经过溶液、溶胶、凝胶 而固化，再经热处理而形成氧化物或其它化合物固体的方法嘞1 。本研究采用溶胶 一凝胶法制得纳米t i 0 2 。 由于纳米t i 0 2 无毒、无味，耐气候性好、稳定性高，广泛应用于催化剂载体、 紫外线吸收剂、光敏性催化剂、防晒护肤化妆品、塑料薄膜制品、水处理、精细 陶瓷、生态陶瓷、气敏传感元件等领域。近年来，利用t i 0 2 的紫外吸收及光 伏特性在光催化、新型太阳能电池方面的研究十分活跃，已成为国内外相关领域 的研究热