紡織品抗紫外線性能的影響因素及檢測方法和標準

金耀峰，劉雷艮，王 薇，陸 鑫1,

(1.蘇州大學 紡織與服裝工程學院，江蘇 蘇州 215021； 2.常熟理工學院 紡織服裝與設計學院，江蘇 常熟 215500)

紫外線輻射是一種波長在290～400 nm的太陽光輻射，其中包括了中、長波紫外線UVA和UVB，以及短波紫外線UVC。UVC會被臭氧層吸收，故會對人體造成影響的紫外線主要是UVA和UVB[1]。適量的紫外線照射可以有效促進人體維生素D的合成，是人們生長發育所需，有助于人體健康，還可以防止佝僂病的發生。而受到過度紫外線照射則會對人體產生很大的危害，可使皮膚出現紅斑或脫皮現象，甚至會引發癌癥[2-5]。因此，在戶外活動時，穿戴具有一定抗紫外線功能的紡織品是非常有必要的。紫外線照射也會對織物造成不良的影響，織物抗紫外線性能的主要影響因素有：纖維類型、紗線結構、織物結構參數、顏色以及化學添加劑等[6]，目前大多文獻都是針對以上因素進行探討，而織物(尤其是針織物)在日常使用條件下可能產生的拉伸、潤濕以及洗滌也會對抗紫外線性能產生較大的影響[7-9]。了解紡織品抗紫外線性能的影響因素，對提高紡織品的紫外線防護性能具有重要意義。

本文根據現有的研究綜述了織物的抗紫外線機制和影響因素，重點闡述了在最終使用條件下對紡織品抗紫外線性能產生的影響，對比了目前檢測織物紫外線防護性能的方法和國際標準，并對抗紫外線紡織品的發展進行了展望。

1 纖維及織物抗紫外線機制

當紫外線照射到織物表面時，部分紫外線會被織物透射、吸收和反射，圖1是紡織品結構與紫外線在織物表面傳播的不同路徑[9-10]。織物表面的纖維通過吸收一部分紫外線的高能量并將其轉化成其他形式的能量來減少人體皮膚受到紫外線輻射帶來的危害[10]，另一部分輻射則被纖維本身反射或散射。

圖1 紫外線輻射與紡織品結構圖Fig.1 Ultraviolet radiation and textile structure

普通的纖維、紗線和織物本身就具有一定的防紫外線能力，但是大多達不到人們日常所需的防曬效果。因此，可以使用紫外線屏蔽劑對纖維或織物進行一定程度的化學處理，其主要作用機制就是將絕大多數的紫外線進行反射或者有選擇性地吸收，并把這些強能量轉化為低能量來釋放，從而達到紫外線防護的效果。目前被人們廣泛采用的抗紫外線方法是在對織物后整理的過程中適量地加入紫外線屏蔽劑。紫外線屏蔽劑大致可以分為“有機”和“無機”2種[1]。有機紫外線屏蔽劑的主要作用就是通過對紫外光的有效吸收來實現能量的轉換，然后以無害的低能或熱量的形式輻射出紫外線。無機紫外線屏蔽劑主要作用原理是通過對紫外線的反射或散射，減少紫外線進入織物來達到屏蔽的效果[3,11]。

2 抗紫外線影響因素

2.1 織物的纖維類型

纖維類型對織物紫外線防護性能的影響很大，不同纖維的紫外線吸收和反射能力也不同，主要取決于其化學和物理特性。在天然纖維中，相比絲綢和亞麻等纖維的紫外線透過率，羊毛、黃麻和竹槳纖維的紫外線透過率會低一點，但通常都無法提供良好的紫外線防護效果[12]。Ranjan等[13]研究發現，滌/棉混紡織物的紫外線防護性能優于純棉織物，且熒光增白劑對純棉及棉混紡織物的UPF值有改善作用，聚酯類織物具有良好的抗紫外線性能，但熱、濕舒適性較差。Aguilera等[14]對市面上不同的服裝進行檢測，發現使用同一類型纖維制成的服裝，襯衫所提供的UPF值是最低的。因此，采用不同的設計生產制成的紡織品，其結構、規格和種類等都具有不同的風格和特點，不能只從纖維的角度出發來判定一種紡織品的防紫外線性能的優劣。

2.2 織物的紗線結構

紗線的厚度、捻度和毛羽，以及使用的紡紗方法會影響紗線的結構和相關性能，從整體上看，紗線結構會影響織物的密度、厚度和面密度。紗線的捻度會影響紗線的緊密程度和表面性能，繼而影響織物的開孔度，織物的孔隙越大越容易透過紫外線，且洗滌后的尺寸變化也會影響紫外線防護性能[14]。Mukesh等[9]研究發現，紗線捻度高會使紗線更緊湊，但會產生更不規則的表面，這就阻礙了織造過程中紗線的緊密程度，并導致織物孔隙的增加，從而會影響織物的抗紫外線性能。Stankovic等[15]發現用毛羽較低的紗線制成灰色棉平針織物的紫外線透過率比用毛羽較多的紗線制成的針織物更高。纖維線密度越高和紗線表面凸出較多的織物將表現出較高的防紫外線水平，但起球的可能性會更高[16]。

2.3 織物的不同結構參數

2.4 織物顏色

織物色澤是由染料在可見光區域的吸收特性決定的，對抗紫外線性能有顯著的影響。有研究顯示，織物所用染料的不同化學結構會導致同樣種類和顏色的織物對于紫外線的吸收能力不同[14]。Aguilera等[15]發現除了染料的化學結構外，織物經染色后顏色的深淺對于彩色織物的抗紫外線能力的影響也是非常重要的，染成深色的織物比染成淺色的織物對于紫外線的吸收更為明顯。Akaydin等[19]對棉織物進行了染色，研究了染色過后棉織物的紫外線透過率，得出深色的面料是抵御紫外線輻射的首選，但深色面料可能會因為吸收紅外線輻射增加體溫，相比淺色面料更容易在炎熱的環境中感到不適。

2.5 化學添加劑的影響

除了通過染色來提高織物的紫外線防護性能外，還可以用紫外線屏蔽劑對纖維和織物進行化學處理，其中無機紫外線吸收劑由于無毒且化學性質穩定而更受到人們的青睞。將紫外線吸收劑制成納米級別的粒子可以得到高表面積和表面能，提高其耐久性和對織物的親和力，同時增加了暴露在織物表面的原子數量，更有利于對紫外線的吸收。Mousa等[20]采用液體沉淀法制備出了棒狀、星形和球形結構的納米ZnO，并對棉、滌綸和滌/棉混紡織物進行處理，結果表明經納米ZnO處理過后，織物的抗紫外線性能都得到了很大的提升，同時具備了一定的抗菌效果。Grancaric等[21]研究發現天然沸石納米粒子和熒光增白劑(FWA)在棉織物上表現出協同作用，降低了UVA和UVB的透射率，棉織物的抗紫外線性能得到很大的提升，同時保持了棉織物的手感柔軟。Raeisi等[22]用不同含量的殼聚糖/二氧化鈦納米復合材料對棉織物進行整理，如圖2所示[22]，在TiO2含量為7%時，覆蓋率達到了最高水平，涂層織物表現出良好的超疏水性能，紫外線防護性能比未涂層織物提高了80%左右，且對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌率分別提高到了99.8%和97.3%。雖然紫外線吸收劑對提高織物的抗紫外線能力有很大的幫助，但應用于多孔結構，如針織物時，它的效果將會降低[14,17]。

圖2 不同TiO2含量納米復合涂層織物的SEM照片Fig.2 SEM images of nanocomposite-coated fabrics with different content of TiO2

2.6 最終使用條件

服裝，尤其是夏季服裝，在人們日常穿著過程中難免會受到不同程度的拉伸和汗水的浸濕，且大部分衣物都需要洗滌來達到多次穿著的目的，而這些情況往往會對服裝的抗紫外線性能產生較大的影響。

2.6.1 拉 伸

目前市面上大多數的T恤和運動服裝是由針織物制成的，其拉伸率一般可以達到15%[23]，針織面料易伸展的特性能配合在人們運動的時候得到更好的舒展。而當拉伸時不可避免地會導致織物變薄，織物內部的紗線也得到了更大的空間，紫外線輻射會更容易透過這些孔隙。針織物是紗線彎曲成圈，縱向串套、橫向連接的紗線集合體，為紗線的移動提供了自由度。紗線的移動會導致含有紫外線吸收劑或染料顆粒的紗線散開，相對于松弛狀態下單位面積或體積中用于吸收或散射紫外線的材料就會減少，織物的紫外線防護性能大大下降。Wong等[24]研究發現當試樣的拉伸率達到10%和20%時，由于紗線間的孔隙逐漸增大，從而增加了紫外線的傳播，因此試樣的UPF值均下降了近一半。在拉伸水平為30%時，由于織物孔隙的大小和數量沒有發生顯著變化，此時UPF值下降的較少。

雖然針織物拉伸對抗紫外線性能有顯著影響，但在拉伸條件下對UPF的評估并沒有包括在大多數國際防紫外線測試標準中。Kan等[25]分別用單紗、棉/棉組合和Coolmax/棉組合混紡緯編針織物，測試在拉伸狀態下的紫外線防護系數的變化。在分析織物上孔洞的尺寸時，通過Photoshop軟件將黑色像素(紗線間的孔隙)與整個圖像的像素進行比較，圖3是試樣不同拉伸率情況下的對比圖[25]，隨著拉伸的增加，圖片中黑色像素部分的比率相應增加，這表明拉伸會影響針織物中孔洞的尺寸，從而影響織物的紫外線透過率。

氣候變化與北冰洋融化又存在著相互影響的關系，科學家表示，由于北極冰蓋的體積在近30年里減少了20%，極地海洋一旦缺少冰層覆蓋，其海面相對溫暖的空氣就會向寒冷的高空移動，影響極地大氣循環，其結果是極地冷空氣在高壓系統推動下，向北半球大陸地區進發，導致當地氣溫驟降。

圖3 試樣不同拉伸率圖片Fig.3 Pictures of different elongations of samples

2.6.2 潤 濕

一般而言，被浸濕織物的抗紫外線性能要比干燥時差，圖4是空氣和濕棉布之間的界面處光線折射的簡單圖示，當纖維被浸濕時，纖維間的空隙已經被水充分填滿，導致織物對于紫外線的折射率變高，縮短了紫外線輻射穿過織物的路徑，使得更多的紫外線能透過織物，從而導致織物在濕態下的紫外線防護性能降低[24]。因此，研究織物濕態下對抗紫外線性能的影響有著重要的意義。曹機良等[26]模擬配制了酸、堿汗液對不同織物進行浸泡，并在不同的含水率的情況下測試各織物的抗紫外線性能。通過實驗結果表明，隨著濕度的增加，羊毛、蠶絲、棉、滌綸、錦綸和腈綸這些織物的UPF值均有所降低，且紫外線透過率都有不同程度的增加，說明浸濕會降低織物的紫外線防護性能。

圖4 空氣和濕棉布界面處的光線折射圖Fig.4 Light refraction at the interface between air and wet cotton

與合成纖維織物相比，棉織物吸收的水分會更多，對于結構緊湊的棉針織物來說，干濕態的UPF值差異更為明顯。而對于多孔結構的雙面針織物而言，濕度對紫外線防護的影響較小，這是因為更多的紫外線能夠直接透過濕紗之間較大的間隙[24]。因此濕度對于棉針織物UPF值減少程度取決于織物結構。

對于夏季服裝，在穿著過程中更容易因人體出汗而浸濕，如泳裝在使用過程中往往處于浸濕的狀態。Tarbuk等[27]研究發現通過配合使用熒光化合物、熒光增白劑和紫外吸收劑對棉織物整理過后不僅可以提高白度，同時在濕態下的紫外線防護性能也比干態時得到了提升，這是因為整理劑減小了織物的孔隙，通過水折射的紫外線大部分被熒光增白劑吸收，同時一部分紫外線會因孔隙中的水反射出來，因此織物整體的紫外線透射率會更低。這一現象在海水中使用的泳裝上更加明顯，因為海水含有約40%的無機鹽，反射光的同時又增加了光的散射，因此織物具有更好的紫外線防護性能[10]。

2.6.3 洗 滌

洗滌是紡織品在日常使用過程中所必不可少的，洗滌過程中包含浸濕、攪拌、摩擦和干燥，會導致織物結構產生不同程度的變化。針織物由于其良好的延伸性，往往比相同纖維和紗線結構所制成的織物更容易因為反復洗滌而使織物發生收縮或者變形，反復洗滌和干燥過程中所導致的織物收縮，就會使得紗線間空隙逐漸變小，織物變的更加緊密，從而降低紫外線輻射的透射率[28-29]。

何秀玲[30]測試了泳裝和夏季服裝在連續洗滌過后的紫外線保持性，發現試樣經連續洗滌過后UPF值和紫外線透過率均有不同程度的減小，深色的UPF值明顯地高于淺色織物，機織物則明顯地高于針織物，但紫外線透過率沒有明顯的規律。而各樣品經過連續洗滌20次過后，各UPF值和紫外線透過率都逐漸趨于穩定。?oruh等[31]研究發現，通過洗滌導致織物尺寸變化發生在前5個周期內，這是由于使織物經多次洗滌過后紗線之間的松緊度達到了穩定狀態。

洗滌劑也會對織物的抗紫外性能產生影響，大多數家用洗滌劑都含有熒光增白劑，這些化合物通過可以吸收紫外線來提高洗滌過后織物的UPF值。Jihyun等[32]發現大多數棉或棉混紡衣物在含有熒光增白劑的普通洗滌劑中洗過5次以上后，會比未清洗的時候防曬效果更好，且對于不同類型的織物來說，多次洗滌和洗滌劑、添加劑對織物UPF值的影響要更顯著。因此，通過洗滌劑對純棉和滌/棉混紡針織物進行洗滌也可以作為一種提高UPF值的方法[28]。

3 織物抗紫外線測試方法

表1是不同的紫外線測試方法，目前國際上并沒有統一的抗紫外線測試的標準，但基本上都通過直接測試法與儀器測定法這2種方式來測定纖維或織物的抗紫外線性能。

表1 紫外線測試方法Tab.1 UV test methods

直接測試法具有方便快捷、測試的量大、客觀性和重現性差等特點。但人體測試法會因為測試者皮膚的不同而產生不小的實驗誤差，且會對人體產生不同程度的傷害。儀器測定法在測試過程中由于被測樣品外觀的不規整，紫外線一部分被樣品吸收，另外一部分被折射和反射，使得實際測定時的紫外線透過率可能會偏低[33]。同時，測定織物的表面形狀、織物的組織結構及其厚度等也都會影響測試結果。

4 織物抗紫外線檢測標準

4.1 澳大利亞、新西蘭標準

澳大利亞和新西蘭是紫外線照射強度很高的國家，率先制訂了AS/NZS 4399—1996《日光防護服評定和分級標準》，在2017年修訂為AS/NZS 4399—2017《日光防護服評定和分級標準》，旨在干燥和松弛的狀態下測算出各種織物的UPF值，適合于緊貼人體皮膚表面的各種類型紡織品例如服飾和各種帽子，但不包括各種遮陽布和傘用紡織品。需要4塊及以上織物(經緯向各2塊)，同時將防曬類紡織品覆蓋人體表面積的各類要求納入標準中，防護標準分為3個等級，分別是：15、30和50及50+，且紫外線透過率分別小于6.7%、3.3%和2.0%。

4.2 歐盟標準

歐盟標準分為2部分，即EN 13758—1: 2006 《紡織品日光紫外線防護性能 第1部分:服裝面料的測試方法》和EN 13758—2: 2003+A1: 2006 《紡織品日光紫外線防護性能 第2部分:服裝的分類和標記》。同樣，樣品應該在干燥和松弛狀態下進行檢測，且需要4個均勻的樣品，不均勻的樣品每種顏色和結構的各需要2塊。EN 13758—1規定了服裝面料抗紫外線性能的試驗方法，但不適用于包括各種遮陽布和傘用紡織品等遠距離抗紫外線防護產品。EN 13758—2規定全部服裝面料的UPF值應按照EN 13758—1的標準來測定，規定標準防紫外線紡織品的UPF值應大于40的安全等級，紫外線平均透過率應小于5%，且將防曬類紡織品覆蓋人體表面積的各類要求納入標準中，與AS/NZS 4399—2017標準一致。

4.3 英國標準

英國標準為BS 7914—1998《透過服裝織物的太陽紫外線輻射滲透試驗方法》，用于測試緊貼人體皮膚織物的紫外線透過率，但不包括防曬霜、太陽鏡、遮陽棚布和傘用織物等抗紫外線產品。均勻的樣品，每個至少測試4次，不均勻樣品，每種顏色和結構各測試2次，結果用UPF值的倒數表示。除BS 7914標準外，英國標準還有BS—EN 13758—1和BS—EN 13758—2，這2個標準和歐洲標準是一樣的。

4.4 美國標準

美國對于紡織品的抗紫外線檢測標準主要有3種：ASTM D6544—2012《紫外線透射測試前紡織品制備規程》，AATCC 183—2014《紡織品透射或阻隔紫外線的性能測試》和ASTM D6603—2010《紫外線防護紡織品標簽指南》。ASTM D6544規定了在檢測紡織品抗紫外線性能前，需要經過一系列的洗滌、模擬日常受到的光照和進行氯化池水試驗預處理。AATCC 183的原理是通過紫外分光光度計測定樣品干燥和浸濕狀態下的紫外線透過率。ASTM D6603規定，樣品可以是3種狀態，即樣品原樣、經過一次水洗的樣品和符合ASTM D6544要求的預處理樣品。標準中規定了織物的紫外線防護等級分為4級，UPF值低于15將不能標注為防紫外線產品。

4.5 中國標準

1997年我國制定了GB/T 17032—1997《織物紫外線透過率的試驗方法》，2009年又重新制定了GB/T 18830—2009《紡織品防紫外線性能的評定》，適用于各類紡織品，標準規定，樣品UPF值>40，紫外線透過率<5%時，可稱為“防紫外線產品”。

4.6 國際標準

1998年國際抗紫外線協會制定了UV Standard 801《紫外線標準801》，該標準使用AS/NZS 4399的測試方法，同時將防曬用紡織品在日常使用過程中影響防曬效果的各個因素都納入檢測標準中，適用于各類具有紫外線防護性能的產品，達到檢測標準認證的產品會頒發不超過一年的證書，并且在相應標簽上可以貼上UV Standard 801標示。

4.7 各標準對比

不同國家和地區都頒布了自己的紡織品抗紫外線性能測試標準，其中美國標準對測試試樣有嚴格的預處理要求(干濕態、水洗、日曬和氯漂等)，UV Standard 801則會模擬試樣在日常生活中的各種使用條件，全面地測試其抗紫外線性能，而其他標準只要求測試樣品在干態和松弛狀態即可，表2是不同國家紡織品抗紫外線性能測試標準的對比。

表2 紡織品抗紫外線性能測試標準對比Tab.2 Comparison of test standards for UV resistance of textiles

5 結束語

目前，大部分紡織品防紫外線性能的研究都是集中在機織物以及使用一些化學方法來改善和提高織物的紫外線保護性能，但并不是所有的服裝都可以達到人們戶外活動所需要的紫外線保護效果，特別是針織服裝，它比傳統的機織服裝更具有多孔性和較好的可擴展性，在最終使用條件下(拉伸、潤濕和洗滌等)會對紡織品抗紫外線性能產生一定的影響。許多紡織品是通過化學染料、增白劑或紫外線吸收劑來改善服裝的紫外線防護性能。而長時間的暴曬會使得染料發生光化學降解，降解產生的副產物對人體的潛在危害尚未得到充分的研究。從目前研究情況來看，織物的結構是影響紫外線傳輸最重要的變量之一，可以通過對織物結構進行改性，從而實現對紡織品良好的紫外線保護性能，但是織物的結構不僅對于紡織品的紫外線防護性能具有重大影響，同時也決定了它的透氣性。緊密厚重的織物雖然有良好的紫外線防護性能，但是其透氣性和舒適性會大打折扣。因此，在進行防紫外線紡織物設計的過程中，要充分地綜合考慮各個影響因素，在保障產品良好的服用特點的前提下得到所需的防紫外線效果。

目前國內外并沒有完全統一的針對紡織品紫外線性能的檢測標準，而不同的研究和開發者對不同因素的研究往往會有所區別。因此，科學定性定量分析的研究方法才能夠大大地提高產品的價值和可比性，讓消費者更直觀準確地了解不同產品的定位，這在防紫外線紡織品研究領域中是一個值得我們關注的問題。服裝生產商和零售商可以向公眾提供和更新有關防曬服裝的信息，提高消費者的防曬意識和對防曬服裝的了解，以減少紫外線輻射帶來的傷害。