抗紫外線滌綸麵料的開發及其在戶外運動服中的應用 一、引言 隨著全球氣候變化和臭氧層持續變薄，紫外線（Ultraviolet, UV）輻射對人類皮膚的傷害日益受到關注。據世界衛生組織（WHO）統計，每年全球有...
抗紫外線滌綸麵料的開發及其在戶外運動服中的應用
一、引言
隨著全球氣候變化和臭氧層持續變薄，紫外線（Ultraviolet, UV）輻射對人類皮膚的傷害日益受到關注。據世界衛生組織（WHO）統計，每年全球有超過200萬人被診斷為皮膚癌，其中約6萬人死於惡性黑色素瘤，而長期暴露於高強度紫外線是主要誘因之一[1]。在此背景下，功能性紡織品，尤其是具備抗紫外線性能的服裝材料，成為科研與產業界關注的重點。滌綸（聚對苯二甲酸乙二醇酯，PET）作為全球產量大的合成纖維之一，因其優異的力學性能、耐化學性和易加工性，廣泛應用於服裝、家紡及產業用紡織品領域。近年來，通過改性技術賦予滌綸抗紫外線功能，已成為提升其附加值的重要方向。
本文係統探討抗紫外線滌綸麵料的開發路徑、關鍵工藝、性能表征及其在戶外運動服中的實際應用，結合國內外新研究成果，分析其市場前景與技術挑戰，為相關領域提供理論支持與實踐參考。
二、紫外線輻射及其對人體的影響
2.1 紫外線的分類與特性
根據國際照明委員會（CIE）標準，紫外線按波長可分為三類：
| 類型 | 波長範圍（nm） | 特性與影響 |
|---|---|---|
| UVA | 315–400 | 穿透力強，可達真皮層，導致皮膚老化、色素沉著 |
| UVB | 280–315 | 主要作用於表皮層，引起曬傷、紅斑、DNA損傷 |
| UVC | 100–280 | 被臭氧層吸收，通常不達地表，但人工光源可產生 |
資料來源：CIE S 007/E:1998《Erythema Reference Action Spectrum and Standard Erythema Dose》[2]
2.2 紫外線對皮膚的生物學效應
長期暴露於UVA和UVB會導致皮膚光老化、免疫抑製及皮膚癌風險上升。研究表明，UVB輻射可直接損傷DNA，形成環丁烷嘧啶二聚體（CPDs），而UVA則通過產生活性氧（ROS）間接引發氧化應激[3]。因此，開發具有高效紫外線防護功能的紡織品，對於戶外工作者、運動員及兒童等高風險人群具有重要意義。
三、抗紫外線滌綸麵料的開發路徑
3.1 抗紫外線機理
紡織品抗紫外線性能主要依賴於以下三種機製：
- 吸收機製：通過添加紫外線吸收劑（UVA），將紫外線能量轉化為熱能。
- 反射機製：利用高折射率或金屬氧化物顆粒（如TiO₂、ZnO）反射紫外線。
- 散射機製：通過纖維表麵微結構或納米粒子分布實現光散射。
滌綸本身對UVB有一定阻擋能力（UPF約5–10），但對UVA防護較弱，需通過改性提升其綜合防護性能。
3.2 改性技術路線
目前，抗紫外線滌綸的開發主要采用以下四種技術路徑：
| 技術方法 | 原理 | 優點 | 缺點 | 代表文獻 |
|---|---|---|---|---|
| 共聚改性 | 在PET聚合過程中引入含苯環或雜環的紫外線吸收單體（如間苯二甲酸-5-磺酸鈉） | 耐久性好，不易遷移 | 工藝複雜，成本高 | Zhang et al., 2020[4] |
| 共混紡絲 | 將紫外線吸收劑或納米粒子（如納米TiO₂）與PET切片共混後紡絲 | 工藝成熟，適合大規模生產 | 添加量受限，易團聚 | Wang et al., 2018[5] |
| 後整理法 | 采用浸軋、塗層或噴霧方式在織物表麵施加抗紫外線助劑 | 成本低，靈活性高 | 耐洗性差，易脫落 | Li et al., 2019[6] |
| 納米複合纖維 | 采用靜電紡絲或熔融紡絲製備含納米粒子的複合纖維 | 高效防護，多功能集成 | 設備要求高，量產難度大 | Liu et al., 2021[7] |
3.3 關鍵原材料與添加劑
（1）紫外線吸收劑
常用有機吸收劑包括：
- 二苯甲酮類（如UV-9）
- 苯並三唑類（如Tinuvin 328）
- 三嗪類（如Cyasorb UV-1164）
（2）無機納米粒子
- 二氧化鈦（TiO₂）：銳鈦礦型對UVB吸收強，金紅石型穩定性好。
- 氧化鋅（ZnO）：寬譜吸收，兼具抗菌功能。
- 氧化鈰（CeO₂）：對UVA有優異吸收能力，且光催化活性低。
研究表明，ZnO納米粒子在濃度為2–3 wt%時，可使滌綸織物的UPF值提升至50+，且經50次洗滌後仍保持UPF > 40[8]。
四、抗紫外線滌綸麵料的製備工藝
4.1 共混紡絲工藝流程
以納米TiO₂/滌綸複合纖維為例，典型工藝如下：
- 原料準備：將納米TiO₂（粒徑20–50 nm）經表麵矽烷化處理，提高與PET的相容性。
- 幹燥處理：PET切片與改性納米粉體在120°C下真空幹燥6小時。
- 共混熔融：在雙螺杆擠出機中，於280–290°C熔融共混，螺杆轉速200 rpm。
- 紡絲成型：經計量泵送入紡絲組件，噴絲板孔徑0.3 mm，冷卻風溫20°C，風速0.5 m/s。
- 拉伸與卷繞：冷拉伸倍數1.2，熱拉伸溫度85°C，拉伸倍數3.5，卷繞速度3000 m/min。
4.2 後整理工藝參數
采用浸軋-焙烘法施加抗紫外線整理劑（如納米ZnO溶膠）：
| 參數 | 推薦值 |
|---|---|
| 浸軋液濃度 | 3–5% (owf) |
| 軋餘率 | 80–90% |
| 焙烘溫度 | 160–180°C |
| 焙烘時間 | 2–3分鍾 |
| 水洗條件 | 40°C，中性洗滌劑，5次循環 |
資料來源：GB/T 18830-2009《紡織品 防紫外線性能的評定》[9]
五、抗紫外線滌綸麵料的性能表征
5.1 防護性能測試標準
國際通用的紫外線防護係數（UPF）評價標準包括：
- 澳大利亞/新西蘭標準 AS/NZS 4399:2017
- 美國AATCC TM183-2014
- 中國國家標準 GB/T 18830-2009
UPF分級標準如下：
| UPF值 | 防護等級 | 紫外線透過率（%） |
|---|---|---|
| 15–24 | 良好 | 6.7–4.2 |
| 25–39 | 很好 | 4.1–2.6 |
| 40–50+ | 優異 | ≤2.5 |
注：UPF 50+ 表示僅1/50的紫外線可穿透織物。
5.2 典型產品性能參數對比
以下為三種抗紫外線滌綸麵料的實測性能對比：
| 項目 | 普通滌綸平紋布 | 共混TiO₂滌綸（3%） | 納米ZnO後整理滌綸 |
|---|---|---|---|
| 織物結構 | 2/2斜紋 | 2/2斜紋 | 2/2斜紋 |
| 克重（g/m²） | 120 | 125 | 122 |
| 厚度（mm） | 0.28 | 0.30 | 0.29 |
| UPF值 | 8 | 58 | 52 |
| UVA透過率（%） | 12.5 | 1.2 | 1.8 |
| UVB透過率（%） | 8.3 | 0.9 | 1.1 |
| 洗滌50次後UPF | 6 | 50 | 40 |
| 抗菌率（金黃色葡萄球菌） | — | 85% | 90% |
| 透氣率（mm/s） | 180 | 160 | 170 |
數據來源：東華大學紡織材料實驗室測試報告（2023）
5.3 耐久性與安全性評估
抗紫外線麵料需滿足以下要求：
- 耐洗性：經ISO 6330標準洗滌50次後，UPF下降不超過20%。
- 皮膚安全性：符合GB 18401-2010《國家紡織產品基本安全技術規範》，pH值4.0–7.5，無遊離甲醛。
- 生態環保：納米粒子釋放量需符合OEKO-TEX® Standard 100要求。
研究表明，經表麵包覆處理的納米TiO₂在洗滌過程中釋放量低於0.05 mg/L，遠低於歐盟REACH法規限值[10]。
六、在戶外運動服中的應用
6.1 戶外運動環境對服裝的功能需求
戶外運動（如登山、騎行、徒步、滑雪）常暴露於高強度紫外線環境。據測量，海拔每升高1000米，UV強度增加約10%；雪地反射可使UV暴露量提升80%[11]。因此，戶外運動服需具備：
- 高UPF防護（UPF ≥ 40）
- 透氣透濕性（透濕量 > 10000 g/m²/24h）
- 輕量化（克重 < 150 g/m²）
- 抗風防潑水
- 彈性與耐磨性
6.2 典型應用案例
（1）登山服
采用抗紫外線滌綸+氨綸混編織物（92% PET + 8% Spandex），經三防整理（防水、防油、防汙），UPF達60+，透濕量12000 g/m²/24h，廣泛應用於高海拔登山裝備。代表品牌：The North Face、凱樂石（KAILAS）。
（2）騎行服
使用抗紫外線滌綸針織麵料，結合空氣動力學剪裁，UPF 50+，同時具備高彈性（拉伸率 > 30%）和導汗快幹功能。意大利品牌Castelli在其2023款騎行服中采用納米ZnO共混滌綸，實現UPF 60與UPF 50的雙重防護。
（3）兒童防曬衣
針對兒童皮膚敏感特性，采用食品級ZnO後整理滌綸，UPF 50+，並通過SGS檢測認證無有害物質釋放。國內品牌巴拉巴拉（Balabala）推出的“小太陽”係列防曬衣即采用此技術。
6.3 多功能集成趨勢
現代抗紫外線滌綸麵料正向多功能化發展，常見集成功能包括：
- 涼感功能：添加礦物粉末（如雲母、玉石粉）降低體感溫度。
- 抗菌防臭：結合銀離子或季銨鹽。
- 智能調溫：引入相變材料（PCM）微膠囊。
- 自清潔：利用TiO₂光催化降解有機汙染物。
例如，日本東麗公司（Toray）開發的“Sun Mate”係列麵料，采用共混納米TiO₂與涼感陶瓷粉，實現UPF 80+與體感降溫2–3°C的雙重效果[12]。
七、國內外研究進展與技術對比
7.1 國內研究現狀
中國在抗紫外線滌綸領域的研究起步於2000年代，近年來發展迅速。主要研究機構包括：
- 東華大學：開發了基於磺酸基共聚改性的抗紫外線PET，UPF可達65[13]。
- 浙江理工大學：采用超聲輔助分散技術提升納米ZnO在滌綸中的分散均勻性。
- 中國紡織科學研究院：建成年產5000噸抗紫外線滌綸短纖生產線。
國內企業如恒力集團、榮盛石化已實現抗紫外線滌綸長絲的規模化生產，產品出口至歐美市場。
7.2 國外技術領先者
| 國家/企業 | 技術特點 | 代表產品 |
|---|---|---|
| 日本東麗（Toray） | 共聚改性+納米複合 | Sun Mate係列 |
| 美國杜邦（DuPont） | 高分子結構設計 | Coolmax® UV係列 |
| 德國拜耳（Bayer） | 聚氨酯塗層集成 | UV-Blocker塗層技術 |
| 韓國曉星（Hyosung） | 再生滌綸+抗紫外線 | Creora® Eco UV |
資料來源：Textile Research Journal, 2022[14]
7.3 技術差距與挑戰
盡管國內產能領先，但在以下方麵仍存在差距：
- 高端添加劑依賴進口：如Tinuvin係列吸收劑主要由巴斯夫（BASF）供應。
- 納米分散技術：國外企業掌握表麵修飾與原位聚合技術，國內多依賴機械分散。
- 標準體係：中國標準GB/T 18830與國際標準存在測試方法差異，影響出口認證。
八、市場前景與發展趨勢
8.1 市場規模
據Grand View Research 2023年報告，全球抗紫外線紡織品市場規模在2022年達128億美元，預計2030年將突破280億美元，年複合增長率（CAGR）為10.3%[15]。亞太地區因人口基數大、戶外活動普及，成為增長快市場。
8.2 發展趨勢
- 綠色可持續化：開發生物基抗紫外線滌綸（如PEF），減少碳足跡。
- 智能化：集成UV傳感器，實時監測紫外線強度。
- 個性化定製：基於地域、膚色、活動強度的UPF分級設計。
- 多功能集成：將抗紫外線與防紅外、電磁屏蔽等功能結合。
參考文獻
[1] World Health Organization. Global Solar UV Index: A Practical Guide. WHO, 2002.
[2] CIE. CIE S 007/E:1998: Erythema Reference Action Spectrum and Standard Erythema Dose. Vienna: CIE, 1998.
[3] Svobodová, A. R., et al. "UVA-induced DNA damage is mediated by oxidative stress." Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology, 2006, 83(1): 143–150.
[4] Zhang, Y., et al. "Synthesis and UV resistance of sulfonated copolyester for functional fibers." Polymer Degradation and Stability, 2020, 171: 109035.
[5] Wang, L., et al. "Preparation and characterization of TiO₂/PET composite fibers with UV shielding properties." Fibers and Polymers, 2018, 19(5): 987–993.
[6] Li, J., et al. "Durable UV protection of polyester fabrics using nano-ZnO sol-gel finishing." Textile Research Journal, 2019, 89(12): 2456–2465.
[7] Liu, H., et al. "Electrospun PET/ZnO nanofibers for high-efficiency UV protection." Nanomaterials, 2021, 11(3): 721.
[8] 中國紡織工業聯合會. 《功能性滌綸纖維開發與應用》. 北京: 中國紡織出版社, 2021.
[9] GB/T 18830-2009, 《紡織品 防紫外線性能的評定》. 國家質量監督檢驗檢疫總局, 2009.
[10] European Chemicals Agency (ECHA). Registration Dossier for Nano-TiO₂. 2022.
[11] Diffey, B. L. "Ultraviolet radiation and the eye." Radiation Protection Dosimetry, 2002, 98(2): 133–138.
[12] Toray Industries, Inc. Sun Mate Functional Fabric Technical Brochure. 2023.
[13] 東華大學材料科學與工程學院. 《抗紫外線聚酯纖維的共聚改性研究》. 《紡織學報》, 2020, 41(6): 1–7.
[14] Textile Research Journal. "Global trends in functional textile development." Textile Research Journal, 2022, 92(15-16): 2801–2815.
[15] Grand View Research. UV Protective Textiles Market Size, Share & Trends Analysis Report. 2023.
（全文約3,650字）
