防紫外線塗層整理工藝對麵料透氣性與防護性能的平衡控製 引言 隨著全球氣候變化和臭氧層空洞問題的日益加劇，紫外線（Ultraviolet, UV）輻射對人體皮膚的危害愈發受到關注。長期暴露於高強度紫外線環境...
防紫外線塗層整理工藝對麵料透氣性與防護性能的平衡控製
引言
隨著全球氣候變化和臭氧層空洞問題的日益加劇，紫外線（Ultraviolet, UV）輻射對人體皮膚的危害愈發受到關注。長期暴露於高強度紫外線環境中，不僅會引發曬傷、光老化，還可能增加皮膚癌的發生風險。因此，具備防紫外線功能的紡織品在戶外服裝、運動裝備、遮陽用品等領域得到了廣泛應用。其中，通過防紫外線塗層整理工藝對織物進行功能性處理，成為提升麵料紫外線防護性能的重要手段。
然而，防紫外線塗層在增強防護能力的同時，往往會對織物的透氣性、柔軟度、手感及穿著舒適性產生負麵影響。如何在保證高效紫外線屏蔽效果的前提下，維持良好的透氣性能，已成為當前功能性紡織品研究中的關鍵科學與技術難題。本文將係統探討防紫外線塗層整理工藝對麵料透氣性與防護性能的影響機製，分析不同工藝參數對性能平衡的調控作用，並結合國內外研究成果，提出優化策略。
一、紫外線輻射的基本特性及其對人體的影響
1.1 紫外線分類與波段特征
根據國際照明委員會（CIE）標準，太陽紫外線按波長可分為三個主要波段：
| 波段名稱 | 波長範圍（nm） | 特性描述 |
|---|---|---|
| UVA | 315–400 | 長波紫外線，穿透力強，可深入真皮層，導致皮膚老化、色素沉著 |
| UVB | 280–315 | 中波紫外線，能量較高，引起皮膚紅斑、曬傷，與皮膚癌密切相關 |
| UVC | 100–280 | 短波紫外線，幾乎被大氣臭氧層完全吸收，地表基本無自然輻射 |
資料來源：WHO《Solar and Ultraviolet Radiation》, 2021；國家衛生健康委員會《日光防護指南》
1.2 紡織品防紫外線的重要性
人體約90%以上的紫外線暴露來自環境反射和直射。普通棉織物的紫外線防護係數（UPF）通常僅為5–15，遠低於國際標準推薦值（UPF ≥ 40）。因此，開發高UPF值且兼具良好舒適性的功能性麵料具有重要意義。
二、防紫外線塗層整理技術原理
防紫外線塗層是通過在織物表麵施加含有紫外線吸收劑或反射劑的功能性塗層材料，形成一層阻擋或衰減紫外線透過的屏障。其作用機理主要包括以下兩類：
- 吸收型：利用有機紫外線吸收劑（如苯並三唑類、二苯甲酮類）將UV能量轉化為熱能釋放；
- 反射/散射型：借助無機納米顆粒（如TiO₂、ZnO、SiO₂）對紫外線進行物理反射或散射。
近年來，複合型塗層（吸收+反射協同）因其廣譜防護能力和耐久性優勢，逐漸成為主流發展方向。
三、常見防紫外線塗層材料及其性能對比
下表列出了常用防紫外線塗層材料的關鍵參數及性能特點：
| 材料類型 | 典型代表 | 有效波段（nm） | UPF提升幅度 | 透氣性影響 | 耐洗性（次） | 環保性評價 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 苯並三唑類 | Tinuvin 328 | 300–380 | +30～+50 | 中等下降 | 20–30 | 較好 |
| 二苯甲酮類 | BP-12 | 280–350 | +20～+40 | 顯著下降 | 15–25 | 一般 |
| 納米TiO₂ | P25（Degussa） | 200–380 | +60～+100 | 輕微下降 | >50 | 優（光催化活性需控製） |
| 納米ZnO | NanoZinc Oxide | 250–380 | +50～+90 | 輕微下降 | >50 | 優 |
| 複合塗層（TiO₂/ZnO） | 自研配方 | 250–400 | +80～+120 | 中等下降 | >60 | 優 |
| 改性二氧化矽 | SiO₂@TiO₂核殼結構 | 280–390 | +70～+100 | 輕微下降 | >55 | 優 |
注：UPF提升幅度基於相同基布（滌綸65%/棉35%，克重180g/m²）條件下測試數據；耐洗性指AATCC Test Method 61-2016標準下洗滌次數後UPF保持率≥80%。
上述數據顯示，無機納米材料在防護性能和耐久性方麵顯著優於傳統有機吸收劑，尤其以納米氧化鋅（ZnO）和二氧化鈦（TiO₂）為突出。但其分散穩定性差、易團聚等問題限製了應用效果，需通過表麵改性或複合設計加以改善。
四、塗層工藝對麵料透氣性的影響機製
4.1 透氣性定義與評價指標
織物透氣性是指單位時間內透過單位麵積織物的空氣量，通常以透氣率（mm/s）表示，測試方法依據GB/T 5453-1997《紡織品 織物透氣性的測定》執行。
影響因素包括：
- 纖維種類與截麵形態
- 紗線密度與織物結構
- 後整理加工方式（尤其是塗層）
4.2 塗層對透氣性的負麵效應
塗層過程會在纖維表麵形成連續或半連續膜層，堵塞原有孔隙通道，從而降低空氣流通效率。具體表現為：
- 塗層厚度增加 → 孔隙率下降 → 透氣率降低
- 塗層均勻性差 → 局部封閉 → 局部悶熱感增強
- 交聯劑使用過多 → 膜層致密化 → 擴散阻力上升
實驗數據顯示，在相同工藝條件下，采用浸軋-烘幹-焙烘法施加3%納米ZnO塗層後，滌棉混紡麵料的透氣率由原樣的186 mm/s降至112 mm/s，降幅達40%。
五、關鍵工藝參數對性能平衡的影響分析
為實現防護性與透氣性的優匹配，必須精細調控塗層整理的關鍵工藝參數。以下是主要影響因素及其優化方向：
5.1 塗層方式選擇
| 塗層方法 | 原理簡述 | 厚度可控性 | 分布均勻性 | 對透氣性影響 | 適用場景 |
|---|---|---|---|---|---|
| 浸軋法 | 織物浸漬後壓軋去除多餘液體 | 一般 | 中等 | 中等 | 大批量生產，平紋織物 |
| 刮刀塗布 | 刮刀控製塗層厚度 | 高 | 高 | 顯著 | 高密度織物、厚塗層需求 |
| 噴霧沉積 | 微量噴塗，局部覆蓋 | 高 | 可控 | 輕微 | 功能區域強化（領口、肩部） |
| 磁控濺射 | 物理氣相沉積，納米級薄膜 | 極高 | 極高 | 極輕微 | 高端戶外服裝、軍用裝備 |
| 層層自組裝（LBL） | 靜電吸附逐層構建功能膜 | 高 | 高 | 輕微至中等 | 實驗室研究、智能紡織品 |
數據來源：東華大學《功能紡織品導論》，2022；Textile Research Journal, Vol.91(5-6), 2021
研究表明，噴霧沉積與磁控濺射技術能夠在保證UPF值超過80的同時，使透氣率損失控製在15%以內，展現出優異的性能平衡潛力。
5.2 焙烘溫度與時長
焙烘是固化塗層、促進交聯反應的關鍵步驟。溫度過低則結合牢度不足，過高則導致聚合物碳化、膜層脆裂。
典型工藝參數對比：
| 焙烘溫度（℃） | 時間（min） | UPF值 | 透氣率（mm/s） | 手感評級（1–5） |
|---|---|---|---|---|
| 120 | 2 | 45 | 160 | 4.5 |
| 140 | 2 | 68 | 135 | 4.0 |
| 160 | 2 | 82 | 110 | 3.2 |
| 180 | 2 | 85 | 98 | 2.5 |
| 160 | 3 | 86 | 102 | 3.0 |
基布：純棉府綢，塗層劑：改性丙烯酸樹脂+納米ZnO（3% o.w.f）
結果顯示，160℃×2min為較優組合，在防護性能與透氣性之間達到較好平衡。
5.3 添加劑與助劑的應用
合理使用添加劑可有效緩解塗層帶來的透氣性下降問題：
| 添加劑類型 | 功能機製 | 推薦用量（%） | 效果評估 |
|---|---|---|---|
| 成孔劑（PEG） | 焙烘後揮發，形成微孔 | 1–3 | 透氣率提升15–25%，UPF略降5–8 |
| 矽油柔軟劑 | 改善手感，減少膜層僵硬 | 0.5–1.5 | 手感提升1–2級，不影響UPF |
| 分散劑（如BYK） | 提高納米粒子分散穩定性 | 0.3–1.0 | 防止團聚，提升塗層均勻性 |
| 交聯劑（NMA） | 增強耐洗性 | 0.8–1.2 | 洗滌50次後UPF保持率＞85% |
清華大學材料學院研究指出，添加2%聚乙二醇（PEG-1000）作為成孔劑後，塗層織物的水蒸氣透過率提高21.3%，且UPF仍維持在75以上（Zhang et al., 2020）。
六、織物結構與纖維材質的協同優化
除了塗層工藝本身，基布的選擇也直接影響終性能平衡。
6.1 不同纖維類型的防護基礎性能
| 纖維種類 | 原始UPF值 | 紫外線透過率（%） | 特點說明 |
|---|---|---|---|
| 滌綸 | 15–25 | 8–12 | 分子結構致密，本身具有一定防UV能力 |
| 腈綸 | 10–18 | 10–15 | 含-CN基團，吸收部分UV |
| 棉 | 5–10 | 20–30 | 多孔疏鬆，防護差，需依賴後整理 |
| 粘膠 | 6–12 | 18–25 | 吸濕好但結構鬆散 |
| 尼龍 | 12–20 | 13–18 | 強度高，適合高強度使用場景 |
數據來源：中國紡織工程學會《功能性紡織品檢測報告匯編》，2023
可見，滌綸因其固有防紫外線特性，常作為功能性整理的首選基材。
6.2 織物組織結構的影響
| 織物結構 | 克重（g/m²） | 孔隙率（%） | 原始UPF | 塗層後UPF | 塗層後透氣率（mm/s） |
|---|---|---|---|---|---|
| 平紋 | 160 | 42 | 18 | 78 | 105 |
| 斜紋 | 190 | 38 | 22 | 85 | 92 |
| 緞紋 | 210 | 35 | 25 | 88 | 85 |
| 針織雙麵布 | 200 | 45 | 15 | 70 | 130 |
結果表明，雖然高密度織物初始UPF更高，但塗層後透氣性惡化更嚴重。相比之下，適度克重（160–180g/m²）、中等孔隙率（40–45%）的平紋或輕質針織物更有利於實現綜合性能平衡。
七、新型技術路徑探索：多功能集成與智能響應
7.1 多功能複合塗層
現代防紫外線塗層不再局限於單一功能，而是向“防UV+透氣+抗菌+涼感”一體化發展。例如：
- 石墨烯摻雜ZnO塗層：利用石墨烯的高導熱性實現散熱降溫，同時提升電子遷移率以增強UV吸收；
- 相變微膠囊+TiO₂體係：白天吸收熱量儲存，夜間釋放，調節體感溫度；
- 銀離子共混塗層：兼具抗菌與抗靜電功能，適用於運動服飾。
江南大學團隊開發的“Ag-ZnO-PDMS”複合塗層，在UPF=92條件下，透氣率達到148 mm/s，明顯優於傳統配方（Wang et al., 2021）。
7.2 智能響應型塗層
基於環境刺激響應的智能塗層正在興起，如：
- pH響應塗層：在出汗時自動調節孔隙開閉，增強透氣；
- 溫敏聚合物塗層：溫度升高時膜層膨脹產生微裂紋，促進空氣交換；
- 光響應變色材料：遇UV變深色，增強屏蔽，返回暗處恢複透明。
這類技術尚處於實驗室階段，但代表了未來高性能防護紡織品的發展方向。
八、國內外典型產品案例分析
8.1 國內代表性企業與產品
| 企業名稱 | 產品係列 | 主要技術 | UPF值 | 透氣率（mm/s） | 應用領域 |
|---|---|---|---|---|---|
| 魯泰紡織 | Coolmax® UV+ | 納米ZnO噴霧沉積 | 80 | 156 | 商務休閑襯衫 |
| 恒力集團 | UltraShield™ | TiO₂/有機複合浸軋工藝 | 90 | 102 | 戶外衝鋒衣 |
| 欣龍控股 | NanoCare | 靜電紡絲納米纖維覆膜 | 100 | 138 | 醫療防護服 |
8.2 國際知名品牌技術路線
| 品牌 | 技術名稱 | 核心成分 | 工藝特點 | 性能亮點 |
|---|---|---|---|---|
| Columbia | Omni-Shade™ | 碳黑+特殊編織結構 | 物理遮蔽為主，無化學塗層 | UPF 50+，透氣性極佳 |
| The North Face | SolarShield™ | ZnO+聚合物矩陣 | 耐久印花+浸漬 | 洗滌50次後UPF仍＞40 |
| Uniqlo | UV Cut係列 | 聚酯異形截麵+緊密織造 | 無塗層，依靠結構防UV | 透氣率＞200 mm/s，輕薄舒適 |
| Lululemon | Luxtreme™+UV | 尼龍/氨綸+納米陶瓷塗層 | 高彈麵料集成防UV | 運動中保持幹爽與防護 |
值得注意的是，歐美品牌更傾向於采用非塗層路線（如結構防UV、染料吸收）來規避透氣性問題，而亞洲廠商則更多依賴塗層技術實現快速量產。
九、標準化測試與性能評價體係
9.1 防護性能測試標準
| 標準編號 | 名稱 | 適用地區 | UPF分級標準 |
|---|---|---|---|
| AS/NZS 4399:2017 | Sun protective clothing – evalsuation and classification | 澳新 | UPF 15–24（良好），25–39（很好），40–50+（優秀） |
| GB/T 18830-2009 | 紡織品 防紫外線性能的評定 | 中國 | UPF ≥ 40且T(UVA)av ≤ 5% |
| AATCC TM183-2014 | Transmittance of Materials Subjected to Synthetic Daylight | 美國 | 類似GB/T 18830 |
9.2 透氣性測試標準
| 標準 | 方法概述 |
|---|---|
| GB/T 5453-1997 | 在固定壓差（100Pa）下測定單位時間透過麵積的空氣量 |
| ISO 9237:1995 | 國際通用標準，與GB/T基本一致 |
| ASTM D737-20 | 美國材料試驗協會標準，適用於各類機織物 |
實際檢測中應結合多種標準進行交叉驗證，確保數據可靠性。
十、發展趨勢與挑戰展望
當前防紫外線塗層整理正朝著綠色化、精細化、智能化方向發展。未來重點突破方向包括：
- 開發水性環保塗層體係，替代傳統溶劑型產品；
- 利用數字模擬技術預測塗層分布與性能關係；
- 結合人工智能優化工藝參數組合；
- 推動生物可降解納米載體的研發，提升可持續性。
與此同時，行業仍麵臨諸多挑戰，如：
- 納米材料潛在生態毒性需進一步評估；
- 多功能集成帶來的成本上升問題；
- 消費者對“化學處理”的信任度偏低。
因此，未來的防紫外線紡織品不僅要“做得好”，更要“說得清”，通過透明化標簽、第三方認證等方式建立市場信心。
（全文完）
