自體涂層雙重防護服用織物的開發

張永革， 王慧玲,2, 周 彬,2, 陳 燕

(1. 鹽城工業職業技術學院 紡織服裝學院， 江蘇 鹽城 224005；2. 浙江理工大學 材料與紡織學院， 浙江 杭州 310018)

紫外線與電磁輻射是目前比較常見的電磁污染。防紫外線織物常采用紫外線屏蔽劑涂層整理的方式進行生產加工，通過涂層整理增加其功能性，不影響原有織物的性能，但往往功能單一，沒有多重防護效果，且紫外線屏蔽劑的效果也千差萬別。防電磁織物大都是采用含金屬導電纖維混紡紗織造的，雖然彌補了導電纖維服用性差的缺陷，但也導致金屬導電纖維很難形成連續的導電網絡，屏蔽效能欠佳。

本文結合現有功能織物存在的問題，設計了一種新型雙重防護織物，該織物以鍍銀滌綸絲交織形成防護層，采用與基層自體接結的方式進行連接，基層為腈綸絲和棉紗的交織物，防護層外側利用納米二氧化鈦(TiO2)防紫外線涂料進行涂層整理，最終形成一種既具防紫外線和電磁輻射功能，又不失舒適性能的自體涂層雙重防護服用織物，可應用在具有多重輻射的場合，保護使用者免受過多輻射傷害。

1 雙重防護織物結構和組織設計

本文設計的自體涂層雙重防護服用織物包括織物基層、防護層和納米二氧化鈦涂層3部分。織物基層由經紗和緯紗交織而成，經紗為腈綸絲，緯紗為棉紗，防護層為超細鍍銀滌綸絲按照三上二下加強斜紋組織織造而成，防護層外有1層納米二氧化鈦涂層[1]，織物的結構如圖1所示。

1—織物基層；2—防護層；3—納米TiO2涂層。圖1 防護織物的截面圖Fig.1 Sectional viewgraph of protective fabric

腈綸彈性好、強力高、保暖性優良，耐曬性在普通纖維中是較好的；棉纖維柔軟、吸濕性、導電性好，不易產生靜電。二者交織做成的面料穿著舒適而且具有耐用性，適用于生產防護服。超細鍍銀滌綸絲(青島天銀紡織科技有限公司)手感柔軟，光澤柔和，具有高柔韌性、高密度、高比表面積以及高保溫性能，超細滌綸織物外觀具有絲綢效果且更適于進行涂層整理[2-3]；超細滌綸纖維表面包覆一層致密、均勻、牢固的鍍銀層，纖維導電性良好，可對外界的電磁波產生反射和引流，將其阻擋在膜的外層無法進入材料內部空間，防電磁輻射性能優良。納米TiO2既能吸收紫外線，又能反射、散射紫外線，還能透過可見光，是性能優越的屏蔽紫外線防護劑。 本文設計織物基層經紗選用線密度為37 tex的腈綸絲，緯紗為29 tex的棉紗，捻度為15捻/cm；織物基層的經向密度為16～20根/cm，緯向密度為14～18根/cm。防護層的經緯紗均采用線密度為16.7 tex的超細鍍銀滌綸絲，防護層織物的緊密度要高于基層[4]。根據織物常用的經緯密范圍，結合織物功能要求，經向密度一般為31.5～39.5根/cm，緯向密度一般為27.5～35.5根/cm。

織物的基層與人體接觸，選用浮長線較長的緞紋組織，手感柔軟舒適，防護層組織需要與基層組織配合良好，2層組織中的經紗與緯紗按照1∶2進行排列[5-6]，防護層與基層組織采用雙層接結的織物組織結構設計原理自成一體，在織機上一次成形[7-8]。基層組織與防護層組織以及二者接結[9]后形成的合成組織如圖2所示。

圖2 織物組織圖Fig.2 Diagram of fabric weave. (a) Basic level weave; (b) Protective layer weave; (c) Synthetic weave of basic layer and protective layer

織物試樣在SGA598型全自動劍桿織樣機(江陰市通源紡機有限公司)上織造。投緯為35次/min，織物筘幅為50 cm，筘號為180筘/(10 cm)，每筘3入，12頁綜，分區穿。

2 試驗部分

2.1 試驗材料

雙重防護服用織物；鈦酸四丁酯(C16H36O4Ti)、無水乙醇(C2H6O)、硝酸、聚氨酯(PU)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、六偏磷酸鈉，均為分析純，南京化學試劑股份有限公司提供。

2.2 試驗儀器

BT-2003型激光粒度分布儀(丹東百特儀器有限公司)；YH-200DH型超聲振蕩攪拌器(上海予皓科學儀器有限公司)；LAB-COATOR紡織品涂層整理小樣機(南通寶來紡織設備有限公司)；YG902C型防紫外線透過及防曬保護測試儀、DR913型織物防電磁輻射性能測試儀(溫州市大榮紡織儀器有限公司)；YG461E型數字式織物透氣量儀、YG811D-2型電腦式織物懸垂儀(南通三思機電科技有限公司)。

2.3 納米TiO2顆粒的制備

利用溶膠-凝膠法制備納米TiO2，將60 mL鈦酸四丁酯與300 mL無水乙醇充分混合，利用超聲振蕩攪拌器快速攪拌5 min，將混合液均勻加到pH值為3.0的硝酸水溶液中，再用超聲攪拌10～20 min，靜置72 h，便可得到半透明的納米TiO2溶膠[10]。

2.4 防紫外線涂料的制備及涂層

1)將一定質量的聚氨酯(PU)顆粒均勻倒入裝有DMF的溶解杯，邊倒邊攪拌，使聚氨酯顆粒完全溶解；2)將一定質量的TiO2顆粒均勻倒入裝有DMF的溶解杯，超聲攪拌使其均勻分散在DMF溶液中；3)將第2步所得的混合液倒入第1步所得的PU溶膠中，通過攪拌使其混合均勻；4)將所配制的防紫外線涂料通過紡織品涂層整理小樣機涂覆到織物上，制得涂層織物，車速為2 m/min，烘燥溫度為105 ℃。

2.5 TiO2粒徑測試

采用激光粒度分布儀對TiO2顆粒進行粒徑及其區間分布測試，以純水為介質，折射率為1.333，折光率為5.21，數據處理采用Mie散射理論。

2.6 防紫外線和電磁輻射性能測試

參照GB/T 18830—2009《紡織品 防紫外線性能的評定》，采用防紫外線透過及防曬保護測試儀對織物進行防紫外線性能指標測試；參照SJ 20524—1995 《材料屏蔽效能的測量方法》，采用織物防電磁輻射性能測試儀對織物進行全頻率防輻射性能指標測試。

3 結果與討論

3.1 TiO2粒徑及其分布

利用激光粒度分布儀測試TiO2顆粒粒徑及分布，結果如圖3所示。由測試結果可知，制得的TiO2顆粒體積平均粒徑為27.46 nm，中位粒徑為25.31 nm，其主體粒徑范圍在18.97～49.74 nm之間。

3.2 試驗方案選取

TiO2的涂覆量是防護織物防紫外線功能和服用舒適性能的主要影響因素，防護層鍍銀滌綸絲經緯交織形成屏蔽輻射的網絡，其經緯密是織物防電磁輻射性能的主要影響因素，因此選取防護層TiO2的涂覆量、防護層鍍銀滌綸絲的經密、防護層鍍銀滌綸絲的緯密3個因素作為影響織物功能的指標，根據正交試驗設計原理，按照L9(33)正交表(見表1)安排試驗，最終形成9種代表性的生產方案，結果如表2所示。

圖3 TiO2顆粒粒徑分布圖Fig.3 TiO2 particle size distribution map

表1 工藝參數Tab.1 Process parameters

表2 試驗方案和測試結果Tab.2 Scheme and results

3.3 方案優選

選取2個功能性防護指標紫外線防護系數和最大屏蔽效能，2個服用舒適性指標透氣率和懸垂系數共4個量為評價指標，各指標具有正相關性且權重相當。將9種方案按照灰色聚類方式進行優選。

3.3.1方案白化數的確定

用dij表示聚類白化數，其值為

3.3.2白化權系數矩陣

對白化數dij程序運算，得到白化權系數矩陣：

按照灰色聚類的運算原理，白化權系數矩陣每行中的3個數值對應方案綜合指標屬于“優”“良”“差”的可能性大小，其最大數值所對應的灰類，即為該方案的指標評價結果。由此可知，優選方案為方案5、方案7和方案9。

4 防護功能測試分析

以第5種方案為例，分析織物整理后的防護性能。

4.1 防紫外線性能

織物的防紫外線性能測試結果如圖4所示。涂層整理后，織物的防紫外線系數(UPF)可達到60.1，UVA透射比為3.61%，UVB透射比為0.91%，日光紫外線透射比為2.82%。按照GB/T 18830—2009《紡織品 防紫外線性能的評定》，當測試樣品的UPF值大于40、UVA透射比小于5%時，可稱其為具有防紫外線功能的產品，因此，所測樣品具有較好的防紫外線效果。

圖4 防紫外線輻射性能Fig.4 Anti-UV radiation performance

4.2 防電磁輻射性能

織物防電磁輻射性能的測試結果如圖5所示。屏蔽效能的計算公式為Es=10lg(P0/P1)×100%。根據測試結果可知：該織物平均屏蔽效能為99.992 0%；最大屏蔽效能為99.998 9%，所對應頻率為120 MHz；最小屏蔽效能為99.958 6%,所對應頻率為205 MHz。表明該織物具有非常好的防電磁輻射性能。

圖5 防電磁輻射性能Fig.5 Anti-electromagnetic radiation performance

5 結 論

1)設計了由基層、防護層、涂層3層結構組成的防護織物。防護層采用鍍銀超細滌綸長絲進行經緯交織，按照加強斜紋組織結構設計，與織物基層按雙層組織原理以自體接結的方式進行連接，在防護層外側利用納米TiO2防紫外線涂料進行涂層整理，可形成穩定有效的防紫外線保護層。防護層通過接結的方式與基層連接，基層采用接觸舒適性較好的腈綸和棉纖維，增加了服用舒適性。

2)借助正交試驗選定9種生產方案，利用灰色聚類分析確定最優工藝參數，分別測試了制得的防護織物的紫外線防護性能和防電磁輻射性能。結果表明：防護織物的紫外線防護系數為60.1；平均屏蔽效能為99.992 0%；最大屏蔽效能為99.998 9%，所對應頻率為120 MHz；最小屏蔽效能為99.958 6%，所對應頻率為205 MHz。

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