抗紫外线涤纶面料的开发及其在户外运动服中的应用
一、引言
随着全球气候变化和臭氧层持续变薄，紫外线（Ultraviolet, UV）辐射对人类皮肤的伤害日益受到关注。据世界卫生组织（WHO）统计，每年全球有超过200万人被诊断为皮肤癌，其中约6万人死于恶性黑色素瘤，而长期暴露于高强度紫外线是主要诱因之一[1]。在此背景下，功能性纺织品，尤其是具备抗紫外线性能的服装材料，成为科研与产业界关注的重点。涤纶（聚对苯二甲酸乙二醇酯，PET）作为全球产量最大的合成纤维之一，因其优异的力学性能、耐化学性和易加工性，广泛应用于服装、家纺及产业用纺织品领域。近年来，通过改性技术赋予涤纶抗紫外线功能，已成为提升其附加值的重要方向。
本文系统探讨抗紫外线涤纶面料的开发路径、关键工艺、性能表征及其在户外运动服中的实际应用，结合国内外最新研究成果，分析其市场前景与技术挑战，为相关领域提供理论支持与实践参考。
二、紫外线辐射及其对人体的影响
2.1 紫外线的分类与特性
根据国际照明委员会（CIE）标准，紫外线按波长可分为三类：
| 类型 | 波长范围（nm） | 特性与影响 |
|---|---|---|
| UVA | 315–400 | 穿透力强，可达真皮层，导致皮肤老化、色素沉着 |
| UVB | 280–315 | 主要作用于表皮层，引起晒伤、红斑、DNA损伤 |
| UVC | 100–280 | 被臭氧层吸收，通常不达地表，但人工光源可产生 |
资料来源：CIE S 007/E:1998《Erythema Reference Action Spectrum and Standard Erythema Dose》[2]
2.2 紫外线对皮肤的生物学效应
长期暴露于UVA和UVB会导致皮肤光老化、免疫抑制及皮肤癌风险上升。研究表明，UVB辐射可直接损伤DNA，形成环丁烷嘧啶二聚体（CPDs），而UVA则通过产生活性氧（ROS）间接引发氧化应激[3]。因此，开发具有高效紫外线防护功能的纺织品，对于户外工作者、运动员及儿童等高风险人群具有重要意义。
三、抗紫外线涤纶面料的开发路径
3.1 抗紫外线机理
纺织品抗紫外线性能主要依赖于以下三种机制：
- 吸收机制：通过添加紫外线吸收剂（UVA），将紫外线能量转化为热能。
- 反射机制：利用高折射率或金属氧化物颗粒（如TiO₂、ZnO）反射紫外线。
- 散射机制：通过纤维表面微结构或纳米粒子分布实现光散射。
涤纶本身对UVB有一定阻挡能力（UPF约5–10），但对UVA防护较弱，需通过改性提升其综合防护性能。
3.2 改性技术路线
目前，抗紫外线涤纶的开发主要采用以下四种技术路径：
| 技术方法 | 原理 | 优点 | 缺点 | 代表文献 |
|---|---|---|---|---|
| 共聚改性 | 在PET聚合过程中引入含苯环或杂环的紫外线吸收单体（如间苯二甲酸-5-磺酸钠） | 耐久性好，不易迁移 | 工艺复杂，成本高 | Zhang et al., 2020[4] |
| 共混纺丝 | 将紫外线吸收剂或纳米粒子（如纳米TiO₂）与PET切片共混后纺丝 | 工艺成熟，适合大规模生产 | 添加量受限，易团聚 | Wang et al., 2018[5] |
| 后整理法 | 采用浸轧、涂层或喷雾方式在织物表面施加抗紫外线助剂 | 成本低，灵活性高 | 耐洗性差，易脱落 | Li et al., 2019[6] |
| 纳米复合纤维 | 采用静电纺丝或熔融纺丝制备含纳米粒子的复合纤维 | 高效防护，多功能集成 | 设备要求高，量产难度大 | Liu et al., 2021[7] |
3.3 关键原材料与添加剂
（1）紫外线吸收剂
常用有机吸收剂包括：
- 二苯甲酮类（如UV-9）
- 苯并三唑类（如Tinuvin 328）
- 三嗪类（如Cyasorb UV-1164）
（2）无机纳米粒子
- 二氧化钛（TiO₂）：锐钛矿型对UVB吸收强，金红石型稳定性好。
- 氧化锌（ZnO）：宽谱吸收，兼具抗菌功能。
- 氧化铈（CeO₂）：对UVA有优异吸收能力，且光催化活性低。
研究表明，ZnO纳米粒子在浓度为2–3 wt%时，可使涤纶织物的UPF值提升至50+，且经50次洗涤后仍保持UPF > 40[8]。
四、抗紫外线涤纶面料的制备工艺
4.1 共混纺丝工艺流程
以纳米TiO₂/涤纶复合纤维为例，典型工艺如下：
- 原料准备：将纳米TiO₂（粒径20–50 nm）经表面硅烷化处理，提高与PET的相容性。
- 干燥处理：PET切片与改性纳米粉体在120°C下真空干燥6小时。
- 共混熔融：在双螺杆挤出机中，于280–290°C熔融共混，螺杆转速200 rpm。
- 纺丝成型：经计量泵送入纺丝组件，喷丝板孔径0.3 mm，冷却风温20°C，风速0.5 m/s。
- 拉伸与卷绕：冷拉伸倍数1.2，热拉伸温度85°C，拉伸倍数3.5，卷绕速度3000 m/min。
4.2 后整理工艺参数
采用浸轧-焙烘法施加抗紫外线整理剂（如纳米ZnO溶胶）：
| 参数 | 推荐值 |
|---|---|
| 浸轧液浓度 | 3–5% (owf) |
| 轧余率 | 80–90% |
| 焙烘温度 | 160–180°C |
| 焙烘时间 | 2–3分钟 |
| 水洗条件 | 40°C，中性洗涤剂，5次循环 |
资料来源：GB/T 18830-2009《纺织品 防紫外线性能的评定》[9]
五、抗紫外线涤纶面料的性能表征
5.1 防护性能测试标准
国际通用的紫外线防护系数（UPF）评价标准包括：
- 澳大利亚/新西兰标准 AS/NZS 4399:2017
- 美国AATCC TM183-2014
- 中国国家标准 GB/T 18830-2009
UPF分级标准如下：
| UPF值 | 防护等级 | 紫外线透过率（%） |
|---|---|---|
| 15–24 | 良好 | 6.7–4.2 |
| 25–39 | 很好 | 4.1–2.6 |
| 40–50+ | 优异 | ≤2.5 |
注：UPF 50+ 表示仅1/50的紫外线可穿透织物。
5.2 典型产品性能参数对比
以下为三种抗紫外线涤纶面料的实测性能对比：
| 项目 | 普通涤纶平纹布 | 共混TiO₂涤纶（3%） | 纳米ZnO后整理涤纶 |
|---|---|---|---|
| 织物结构 | 2/2斜纹 | 2/2斜纹 | 2/2斜纹 |
| 克重（g/m²） | 120 | 125 | 122 |
| 厚度（mm） | 0.28 | 0.30 | 0.29 |
| UPF值 | 8 | 58 | 52 |
| UVA透过率（%） | 12.5 | 1.2 | 1.8 |
| UVB透过率（%） | 8.3 | 0.9 | 1.1 |
| 洗涤50次后UPF | 6 | 50 | 40 |
| 抗菌率（金黄色葡萄球菌） | — | 85% | 90% |
| 透气率（mm/s） | 180 | 160 | 170 |
数据来源：东华大学纺织材料实验室测试报告（2023）
5.3 耐久性与安全性评估
抗紫外线面料需满足以下要求：
- 耐洗性：经ISO 6330标准洗涤50次后，UPF下降不超过20%。
- 皮肤安全性：符合GB 18401-2010《国家纺织产品基本安全技术规范》，pH值4.0–7.5，无游离甲醛。
- 生态环保：纳米粒子释放量需符合OEKO-TEX® Standard 100要求。
研究表明，经表面包覆处理的纳米TiO₂在洗涤过程中释放量低于0.05 mg/L，远低于欧盟REACH法规限值[10]。
六、在户外运动服中的应用
6.1 户外运动环境对服装的功能需求
户外运动（如登山、骑行、徒步、滑雪）常暴露于高强度紫外线环境。据测量，海拔每升高1000米，UV强度增加约10%；雪地反射可使UV暴露量提升80%[11]。因此，户外运动服需具备：
- 高UPF防护（UPF ≥ 40）
- 透气透湿性（透湿量 > 10000 g/m²/24h）
- 轻量化（克重 < 150 g/m²）
- 抗风防泼水
- 弹性与耐磨性
6.2 典型应用案例
（1）登山服
采用抗紫外线涤纶+氨纶混编织物（92% PET + 8% Spandex），经三防整理（防水、防油、防污），UPF达60+，透湿量12000 g/m²/24h，广泛应用于高海拔登山装备。代表品牌：The North Face、凯乐石（KAILAS）。
（2）骑行服
使用抗紫外线涤纶针织面料，结合空气动力学剪裁，UPF 50+，同时具备高弹性（拉伸率 > 30%）和导汗快干功能。意大利品牌Castelli在其2023款骑行服中采用纳米ZnO共混涤纶，实现UPF 60与UPF 50的双重防护。
（3）儿童防晒衣
针对儿童皮肤敏感特性，采用食品级ZnO后整理涤纶，UPF 50+，并通过SGS检测认证无有害物质释放。国内品牌巴拉巴拉（Balabala）推出的“小太阳”系列防晒衣即采用此技术。
6.3 多功能集成趋势
现代抗紫外线涤纶面料正向多功能化发展，常见集成功能包括：
- 凉感功能：添加矿物粉末（如云母、玉石粉）降低体感温度。
- 抗菌防臭：结合银离子或季铵盐。
- 智能调温：引入相变材料（PCM）微胶囊。
- 自清洁：利用TiO₂光催化降解有机污染物。
例如，日本东丽公司（Toray）开发的“Sun Mate”系列面料，采用共混纳米TiO₂与凉感陶瓷粉，实现UPF 80+与体感降温2–3°C的双重效果[12]。
七、国内外研究进展与技术对比
7.1 国内研究现状
中国在抗紫外线涤纶领域的研究起步于2000年代，近年来发展迅速。主要研究机构包括：
- 东华大学：开发了基于磺酸基共聚改性的抗紫外线PET，UPF可达65[13]。
- 浙江理工大学：采用超声辅助分散技术提升纳米ZnO在涤纶中的分散均匀性。
- 中国纺织科学研究院：建成年产5000吨抗紫外线涤纶短纤生产线。
国内企业如恒力集团、荣盛石化已实现抗紫外线涤纶长丝的规模化生产，产品出口至欧美市场。
7.2 国外技术领先者
| 国家/企业 | 技术特点 | 代表产品 |
|---|---|---|
| 日本东丽（Toray） | 共聚改性+纳米复合 | Sun Mate系列 |
| 美国杜邦（DuPont） | 高分子结构设计 | Coolmax® UV系列 |
| 德国拜耳（Bayer） | 聚氨酯涂层集成 | UV-Blocker涂层技术 |
| 韩国晓星（Hyosung） | 再生涤纶+抗紫外线 | Creora® Eco UV |
资料来源：Textile Research Journal, 2022[14]
7.3 技术差距与挑战
尽管国内产能领先，但在以下方面仍存在差距：
- 高端添加剂依赖进口：如Tinuvin系列吸收剂主要由巴斯夫（BASF）供应。
- 纳米分散技术：国外企业掌握表面修饰与原位聚合技术，国内多依赖机械分散。
- 标准体系：中国标准GB/T 18830与国际标准存在测试方法差异，影响出口认证。
八、市场前景与发展趋势
8.1 市场规模
据Grand View Research 2023年报告，全球抗紫外线纺织品市场规模在2022年达128亿美元，预计2030年将突破280亿美元，年复合增长率（CAGR）为10.3%[15]。亚太地区因人口基数大、户外活动普及，成为增长最快市场。
8.2 发展趋势
- 绿色可持续化：开发生物基抗紫外线涤纶（如PEF），减少碳足迹。
- 智能化：集成UV传感器，实时监测紫外线强度。
- 个性化定制：基于地域、肤色、活动强度的UPF分级设计。
- 多功能集成：将抗紫外线与防红外、电磁屏蔽等功能结合。
参考文献
[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] 中国纺织工业联合会. 《功能性涤纶纤维开发与应用》. 北京: 中国纺织出版社, 2021.
[9] GB/T 18830-2009, 《纺织品 防紫外线性能的评定》. 国家质量监督检验检疫总局, 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] 东华大学材料科学与工程学院. 《抗紫外线聚酯纤维的共聚改性研究》. 《纺织学报》, 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.
（全文约3,650字）
