PVC涂層玻璃纖維編織物抗紫外性能研究

李 堅，王建明，任丹萍

（浙江西大門新材料股份有限公司，浙江紹興 312030）

紫外線是指在電磁波譜中波長為180～400 nm 的電磁波，其中波長在290 nm 以下的紫外線稱為短波紫外線或者極短紫外線，即UVC；波長在290～320 nm的紫外線稱為中波紫外線或者遠波紫外線，即UVB；波長在320～400 nm 的紫外線稱為長波紫外線或者近紫外線，即UVA［1-2］。陽光中的UVB 和UVA 可以透過大氣臭氧層對人體皮膚造成傷害，過量的紫外線輻射會使皮膚曬傷、變黑甚至引起組織病變。UVC 波段的紫外光幾乎被大氣中的臭氧層全部吸收，研制防曬膏之類的化妝品和防紫外整理服裝，都是為了遮擋過度的紫外線照射，達到保護人體皮膚的作用。紡織品的防紫外性能因為纖維種類和組織結構差異而有較大不同，經過長時間日曬，織物會褪色、泛黃、變脆，強力、防紫外性能也會大幅下降［3-4］。

紫外線輻射到織物上時會有反射、吸收、透過織物3 種結果［5-7］，所以，為了防止紫外光照射到皮膚上，需要增強紡織品對紫外光的吸收或者反射。利用紫外吸收劑可以吸收紫外線的特點，將紫外吸收劑整理到織物上，以此增強織物對紫外光的吸收，可以有效提高紡織品的防紫外性能。

本實驗將水楊酸酯類、苯并三唑類和二苯甲酮類紫外吸收劑整理到PVC 涂層玻璃纖維編織物上，探究不同種類紫外吸收劑對PVC 涂層玻璃纖維編織物抗紫外線性能的影響。

1 實驗

1.1 材料與儀器

材料：水楊酸苯酯、2-（2′-羥基-3′,5′-二叔丁基苯基）-5-氯代苯并三唑，2-羥基-4-正辛氧基二苯甲酮（分析純，上海泰坦科技股份有限公司），PVC 涂層的玻璃纖維編織物（浙江西大門新材料股份有限公司），黏合劑、增稠劑（傳化集團有限公司），N,N-二甲基甲酰胺（分析純，國藥集團化學試劑有限公司）。

儀器：P4 型紫外-可見分光光度計（上海美譜達儀器有限公司），X-rite 型電腦測色配色儀（上海理彩實業有限公司），R-3 型焙烘機（臺灣瑞比染色試機有限公司），FT-IR 6600 型傅里葉變換紅外光譜儀（江蘇天瑞儀器股份有限公司），GZX-9240MBE 型電熱鼓風干燥箱（上海博訊實業有限公司醫療設備廠），EL204 型電子分析天平（瑞士METTLERTOLEDO 公司），G208E 型便攜式顯微鏡（錫萊亞太拉斯深圳有限公司），UV2000 型紫外透過率測試儀（上海羅中科技發展有限公司），YG461G-Ⅱ全自動透氣量儀（寧波大禾儀器有限公司）。

1.2 防紫外整理

防紫外整理劑漿料配方：水85%，增稠劑5%，黏合劑10%。

分別配制1%、5%、10%的2-羥基-4-正辛氧基二苯甲酮（HO）、水楊酸苯酯（PS）和2-（2′-羥基-3′,5′-二叔丁基苯基）-5-氯代苯并三唑（TBC）紫外吸收劑整理液，攪拌均勻；將防紫外整理劑整理后的織物樣品分別命名為HO-1%、HO-5%、HO-10%、PS-1%、PS-5%、PS-10%、TBC-1%、TBC-5%、TBC-10%，防紫外整理劑組成如表1所示。

表1 防紫外整理劑組成

1.3 測試

紅外光譜：分別使用研缽充分研細紫外吸收劑，過篩，將微量紫外吸收劑加入壓片機模具中壓片，制成透光薄片；采用傅里葉變換紅外光譜儀進行表征，波數范圍為4 000～500 cm-1。

吸光度：分別將3 種紫外吸收劑溶解在N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中配制成溶液，使用紫外-可見分光光度計進行測量，測量范圍280～400 nm。

微觀形貌：將防紫外整理的PVC 涂層玻璃纖維編織物放大至一定倍數，采用光學顯微鏡觀察表面涂層的形貌以及編織方式。

透氣性能：在防紫外整理的PVC 涂層玻璃纖維編織物的不同位置測量10 次，取平均值，測試壓力100 Pa，測試面積20 cm2。

抗紫外性能：根據GB/T 18830—2009［8］《紡織品防紫外線性能的評定》，采用紡織品防紫外性能測試儀測定紫外線透過率、紫外線防護因子以及窗簾布原布和光變色印花織物的紫外透過率，并繪制曲線。

2 結果與討論

2.1 表征

2.1.1 紅外光譜

由圖1a 可以看出，—CH3中的C—H 伸縮振動峰在2 953 cm-1處出現，在2 918、2 854 cm-1處出現的峰歸因于—CH2—中C—H 的伸縮振動，HO 中形成的分子內氫鍵的CO 伸縮振動峰在1 628 cm-1處出現，同時在3 447 cm-1處出現的O—H 伸縮振動峰和在1 266 cm-1處出現的苯酚的C—O 伸縮振動峰也可以證實HO 形成了分子內氫鍵。此外，在698、806 cm-1處為苯環上三取代后的C—H 面外彎曲振動，與HO 的分子結構相吻合。

由圖1b 可以看出，1 184、3 189、1 681 cm-1處分別對應苯酚中C—O 的伸縮振動峰、苯酚中羥基的伸縮振動峰和酯鍵中CO 的伸縮振動峰，為其形成可吸收紫外線的分子內氫鍵結構提供了理論支持。此外，1 482 cm-1處苯環骨架振動峰和748、694 cm-1處苯環二取代后C—H 的面外彎曲振動峰，均證實了PS對應的分子結構。

由圖1c 可以看出，3 002、1 047 cm-1處苯環的C—H 伸縮振動峰和C—N 伸縮振動峰證明苯并三唑結構的存在。此外，3 447 cm-1處是羥基的伸縮振動峰，為TBC 分子內形成分子內氫鍵而產生螯合環結構奠定了基礎，2 959、1 390 cm-1處—CH3伸縮振動峰和面內彎曲振動峰的出現以及1 434 cm-1處C—Cl 伸縮振動峰的出現證明了TBC 分子結構。

圖1 HO、PS 和TBC 紫外吸收劑的紅外光譜圖

2.1.2 紫外光譜

由圖2a 可以看出，325、290 nm 處有2 個吸收峰，對紫外光吸收強烈。由圖2b 可以看出，309 nm 處有1個吸收峰，對紫外光的吸收較窄。由圖2c 可以看出，310、347 nm 處有2 個吸收峰，吸收峰強且寬，對紫外光吸收強烈。

圖2 HO、PS 和TBC 紫外吸收劑的紫外吸收光譜圖

HO 作為二苯甲酮類化合物，其分子中的羰基氧與羥基形成分子內氫鍵結構，構成了分子內的螯合環結構。這種由分子內氫鍵形成的螯合環結構在紫外光的照射下會吸收紫外光能量；組成螯合環的分子內氫鍵在紫外光的刺激下由于發生熱振蕩而被破壞，穩定的螯合環結構也隨之斷開，吸收的紫外光能量會被二苯甲酮類紫外吸收劑轉換成熱能釋放。由于紫外光能量的激發，其分子中的羰基也會參與吸收并耗散部分紫外光能量，被激活成其互變異構體的烯醇式結構。

PS 屬于水楊酸酯類化合物，此類紫外吸收劑內部也存在分子內氫鍵，但是對紫外光能量的吸收較低。在吸收紫外光能量后，其分子內氫鍵被破壞，隨之發生分子重排，轉變為二苯甲酮結構，故而增強對紫外光的吸收能力。

TBC 為苯并三唑類化合物，這類紫外吸收劑吸收紫外線的機理與二苯甲酮類化合物相似，結構中也存在著由羥基氫與三唑基氮形成的分子內氫鍵螯合環，當TBC 吸收了紫外光能量后，氫鍵斷裂或者分子重排成互變異構體，可以將部分紫外光吸收轉化成熱能釋放［9-11］。

具體防紫外線機理如下：

2.2 PVC 涂層玻璃纖維編織物性能

2.2.1 抗紫外性能

由圖3 可以看出，相比于PVC 涂層玻璃纖維編織物原布，HO、PS 以及TBC 整理的PVC 涂層玻璃纖維編織物紫外線透過率低很多，防紫外性能得到提升。另外，隨著紫外吸收劑質量分數的提高，HO、PS 以及TBC 整理的PVC 涂層玻璃纖維編織物紫外線透過率下降，相對應的防紫外性能提升。相較于HO 和PS 整理的PVC 涂層玻璃纖維編織物，TBC 整理的PVC 涂層玻璃纖維編織物在280～400 nm 波段的紫外線透過率低，防紫外性能最好；相比于PS 和TBC 整理的PVC涂層玻璃纖維編織物，HO 整理的PVC 涂層玻璃纖維編織物在360～400 nm 波段透過率高，吸收紫外線能力也較弱。

圖3 HO、PS 和TBC 整理PVC 涂層玻璃纖維編織物的紫外線透過率

從表2 可以看出，PVC 涂層玻璃纖維編織物原布的UPF 值只有19.63 且UVA、UVB 透過率均大于5%，未達到GB/T 18830—2009 的“防紫外線產品”標準。相比較而言，經過HO、PS、TBC 整理的PVC 涂層玻璃纖維編織物，UVA、UVB 透過率均小于5%，UPF 值均大于40，可以被評價為“防紫外線產品”。隨著紫外吸收劑質量分數的提高，UVA、UVB 透過率下降，UPF值升高，防紫外性能提高。

表2 PVC涂層玻璃纖維編織物防紫外整理前后的防紫外性能

2.2.2 組織結構和透氣性能

為了觀察PVC 涂層玻璃纖維編織物和紫外吸收劑整理的PVC 涂層玻璃纖維編織物的組織結構，將織物放大50 倍觀察表面形貌。由圖4 可以看出，PVC涂層玻璃纖維編織物的經緯向白色編織結構整齊、排列有序，且存在一定的孔隙，保證了PVC 涂層玻璃纖維編織物的透氣性。

圖4 PVC 涂層玻璃纖維編織物原布的組織結構

由圖5 可以看出，經紫外吸收劑整理得到的PVC涂層玻璃纖維編織物同樣結構整齊，經緯向分明，表面涂覆有漿料，織物孔隙也有所減小，表明紫外吸收劑已經整理到PVC 涂層玻璃纖維編織物上。

圖5 HO、PS、TBC 整理PVC 涂層玻璃纖維編織物的組織結構

由圖6a 可以看出，相比原布，HO 整理印花PVC涂層玻璃纖維編織物的透氣性能大幅下降，但是隨著紫外吸收劑質量分數的提高，印花PVC 涂層玻璃纖維編織物的透氣性能略增強。

由圖6b 可以看出，PS 整理印花PVC 涂層玻璃纖維編織物的透氣性能不如原布，且隨著紫外吸收劑質量分數的提高，印花PVC 涂層玻璃纖維編織物的透氣性能略增強，比HO 整理印花PVC 涂層玻璃纖維編織物的透氣性好，但是仍然不如原布。

由圖6c 可以看出，相比原布，TBC 整理印花PVC涂層玻璃纖維編織物的透氣性能大幅下降，而且隨著紫外吸收劑質量分數的提高，透氣性能繼續下降，原因是織物的孔隙率最小［12］。

圖6 HO、PS、TBC 整理印花PVC 涂層玻璃纖維編織物的透氣性能

3 結論

（1）紫外吸收劑混合印花漿料可以通過印花整理到織物上形成涂層，整理后的織物組織結構緊密、孔隙變小。該方法工藝簡單、處理成本低，對設備和技術要求不高。

（2）紫外吸收劑整理后的織物防紫外性能都很優秀，可被評價為“防紫外線產品”。且TBC 整理的織物防紫外性能更優異，幾乎可以吸收280～400 nm 波段的全部紫外光。

（3）紫外吸收劑整理織物的透氣性能有很大下降，但HO 和PS 整理的織物，隨著紫外吸收劑質量分數的上升，透氣性能有一定的回升，而TBC 整理的織物透氣性能隨著質量分數的上升繼續降低。