防紫外线涤纶织物的编织结构优化对紫外线屏蔽率的影响研究
概述
随着全球臭氧层持续变薄，太阳紫外线（UV）辐射强度逐年增强，长期暴露于高强度紫外线环境下，不仅会加速皮肤老化，还可能诱发皮肤癌、白内障等健康问题。因此，开发具有高效紫外线防护功能的纺织品成为当前功能性纺织材料研究的重要方向之一。在众多纤维材料中，涤纶（聚酯纤维，Polyester）因其优异的机械性能、良好的化学稳定性以及成本低廉等优势，被广泛应用于户外服装、遮阳伞、帐篷及防护工装等领域。
然而，普通涤纶织物本身对紫外线的屏蔽能力有限，尤其是在UVA（320–400 nm）和UVB（280–320 nm）波段穿透性强。为提升其防紫外线性能，研究人员通过调整织物的编织结构参数，如经纬密度、组织结构、纱线细度、紧度等，探索其对紫外线屏蔽率（UPF值）的影响规律。本文系统分析不同编织结构下涤纶织物的紫外线防护性能，结合国内外权威研究成果，探讨结构优化路径，并提供具体产品参数与实验数据支持。
1. 紫外线屏蔽的基本原理
1.1 紫外线分类与危害
根据国际照明委员会（CIE）标准，太阳紫外线按波长可分为三类：
| 波段 | 波长范围（nm） | 特性与影响 |
|---|---|---|
| UVA | 320–400 | 穿透力强，可达真皮层，导致皮肤老化、色素沉着 |
| UVB | 280–320 | 主要作用于表皮层，引起晒伤、红斑，与皮肤癌密切相关 |
| UVC | 100–280 | 几乎被大气层完全吸收，地面无自然辐射 |
其中，UVA和UVB是纺织品防护的主要对象。
1.2 织物紫外线屏蔽机制
织物对紫外线的屏蔽主要依赖以下三种物理机制：
- 反射：表面光滑或含有高折射率物质的纤维可将部分紫外线反射。
- 吸收：纤维内部或添加的助剂（如TiO₂、ZnO）吸收紫外光并转化为热能。
- 散射与阻挡：织物结构致密时，孔隙减少，光线难以穿透。
研究表明，织物结构参数对紫外线透过率的影响占比可达60%以上（Li et al., 2018），远高于染料或后整理助剂的作用。
2. 涤纶织物的防紫外线性能评价指标
国际通用的防紫外线性能评价标准主要包括：
- UPF（Ultraviolet Protection Factor）：紫外线防护系数，表示皮肤在织物遮盖下的暴露时间与无遮盖下的暴露时间之比。UPF值越高，防护效果越好。
- UVA/UVB透过率：分别测定在UVA和UVB波段的平均透过率，通常要求低于5%。
- 光谱透过率曲线：通过紫外-可见分光光度计测量织物在280–400 nm波段的全波段透过率。
依据澳大利亚/新西兰标准AS/NZS 4399:2017，UPF等级划分如下：
| 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+ | 极佳 | ≤2.5 |
达到UPF 40以上的织物方可称为“防紫外线织物”。
3. 编织结构对紫外线屏蔽率的影响因素
3.1 组织结构类型
织物的组织结构决定了纱线交织频率和孔隙分布，直接影响光线的透过路径。常见的涤纶织物组织包括平纹、斜纹、缎纹及变化组织。
实验对比数据（基于国内某高校实验室测试，样品均为纯涤纶，150D/72F FDY）
| 组织结构 | 经纬密度（根/10cm） | 紧度（%） | 厚度（mm） | UPF值 | UVA透过率（%） | UVB透过率（%） |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 平纹 | 480 × 420 | 86.5 | 0.32 | 48 | 2.1 | 1.3 |
| 2/2 斜纹 | 440 × 380 | 78.3 | 0.30 | 35 | 3.8 | 2.5 |
| 缎纹（4/1） | 400 × 360 | 70.1 | 0.28 | 22 | 6.2 | 4.8 |
| 重平组织 | 520 × 460 | 91.2 | 0.35 | 62 | 1.5 | 0.9 |
数据来源：东华大学纺织材料实验室，2022年
从上表可见，平纹和重平组织因交织点多、结构紧密，UPF值显著高于斜纹和缎纹。重平组织由于经纱重复浮长较短，覆盖面积大，表现出最优的紫外线屏蔽性能。
3.2 经纬密度与紧度
经纬密度指单位长度内的经纱和纬纱根数，直接影响织物的覆盖率和孔隙率。
不同经纬密度对UPF的影响（平纹组织，涤纶DTY 100D/72F）
| 经密（根/10cm） | 纬密（根/10cm） | 总紧度（%） | 孔隙率（%） | UPF值 |
|---|---|---|---|---|
| 360 | 320 | 68.4 | 23.5 | 26 |
| 420 | 380 | 76.1 | 18.2 | 38 |
| 480 | 440 | 84.7 | 12.6 | 52 |
| 540 | 500 | 91.3 | 8.1 | 68 |
注：紧度 = (经向紧度 + 纬向紧度 – 经纬紧度乘积/100)，孔隙率通过图像分析法测定
研究发现，当总紧度超过80%时，UPF值增长趋于平缓，说明存在“屏蔽饱和效应”。此外，过高的密度会增加织物重量和刚度，影响穿着舒适性。
3.3 纱线细度与捻度
纱线细度以旦尼尔（Denier, D）表示，细度越小，单丝越细，织物越致密。
不同纱线细度对UPF的影响（平纹，经纬密度固定为460×420）
| 纱线规格 | 单丝细度（dtex） | 纱线条干不匀率（%） | UPF值 |
|---|---|---|---|
| 75D/72F | 1.04 | 2.1 | 50 |
| 100D/96F | 1.04 | 2.3 | 48 |
| 150D/144F | 1.04 | 2.5 | 45 |
| 75D/36F（低F数） | 2.08 | 3.6 | 38 |
数据来源：浙江理工大学《纺织学报》2021年第4期
结果显示，在相同旦数下，F数（单丝根数）越高，即单丝越细，织物表面更均匀，孔隙更小，UPF值更高。而粗旦低F数纱线因表面粗糙、间隙大，防护性能下降明显。
捻度方面，适度加捻可提高纱线强力和织物紧密度，但过高捻度会导致纱线收缩，织物变硬。实验表明，涤纶长丝捻度控制在100–150捻/米范围内较为理想。
3.4 织物厚度与克重
厚度和克重反映织物的体密度，直接影响光线穿透能力。
不同克重涤纶织物的UPF表现（平纹，密度460×420）
| 克重（g/m²） | 厚度（mm） | 透气量（mm/s） | UPF值 |
|---|---|---|---|
| 90 | 0.26 | 185 | 36 |
| 110 | 0.30 | 152 | 44 |
| 130 | 0.34 | 120 | 52 |
| 150 | 0.38 | 95 | 58 |
测试条件：ASTM D737标准，压差125Pa
可见，克重每增加20 g/m²，UPF值约提升6–8个单位。但克重超过140 g/m²后，透气性显著下降，不利于夏季穿着。
4. 复合结构与多层编织优化
为进一步提升防护性能，研究人员尝试采用双层组织、起绒结构、复合编织等技术。
4.1 双层组织织物
双层组织通过上下层纱线连接形成空气层，既增加厚度又减少直接透光路径。
| 结构类型 | 克重（g/m²） | 厚度（mm） | UPF值 | 透气量（mm/s） |
|---|---|---|---|---|
| 单层平纹 | 120 | 0.32 | 48 | 135 |
| 双层平纹 | 180 | 0.58 | 85 | 68 |
| 双层+起绒面 | 210 | 0.72 | 105 | 45 |
双层结构使UPF值提升近一倍，但牺牲了透气性和轻量化特性，适用于专业防护服或遮阳篷布。
4.2 紧密纺+赛络菲尔（Sirofil）复合纱编织
采用赛络菲尔技术将涤纶长丝与短纤包缠，形成“芯鞘结构”，在保证强度的同时提升覆盖密度。
| 纱线类型 | 结构特点 | UPF值（相同组织下） |
|---|---|---|
| 普通FDY长丝 | 表面光滑，间隙明显 | 42 |
| DTY膨体丝 | 弹性好，蓬松度高 | 46 |
| Sirofil复合纱 | 表面毛羽多，覆盖性好 | 58 |
Sirofil纱因表面形成微细纤维网络，有效散射和阻挡紫外线，成为高端防晒面料的新选择（Wang et al., 2020）。
5. 国内外研究进展与典型产品案例
5.1 国内研究动态
中国在功能性纺织品领域发展迅速。东华大学团队通过三维立体编织技术开发出多孔梯度结构涤纶织物，在保持透气性的同时实现UPF > 80（Zhang et al., 2023）。江苏阳光集团推出“CoolShield”系列防紫外线西装面料，采用高密度平纹+纳米TiO₂共混纤维，UPF达120，已通过OEKO-TEX® STANDARD 100认证。
5.2 国际先进成果
日本帝人（Teijin）公司开发的"MECOREN® UV-Cut" 涤纶纤维，通过分子结构改性引入苯环共轭体系，增强对UVB的吸收能力，无需后整理即可达到UPF 50+。美国杜邦（DuPont）的COOLMAX® UV Protect 系列采用异形截面纤维与紧密编织结合，实现散热与防晒双重功能。
德国Hohenstein研究所提出“织物结构模拟预测模型”，通过计算机仿真分析经纬交织角度、浮长分布对光路的影响，指导高UPF织物设计（Hohenstein Report, 2021）。
6. 优化设计建议与参数推荐
综合上述研究，提出以下高紫外线屏蔽涤纶织物的结构优化设计指南：
| 参数类别 | 推荐范围 | 说明 |
|---|---|---|
| 组织结构 | 平纹、重平、2/2加强斜纹 | 交织点多，孔隙小 |
| 经纬密度 | 经密：460–520根/10cm；纬密：420–480根/10cm | 紧度≥80% |
| 纱线规格 | 75D/72F ~ 100D/96F FDY或DTY | 高F数，细旦化 |
| 捻度 | 100–150捻/米（长丝） | 避免过高导致僵硬 |
| 克重 | 110–140 g/m² | 平衡防护与舒适 |
| 厚度 | 0.30–0.36 mm | 适合日常穿着 |
| 孔隙率 | ≤15% | 图像分析法测定 |
| UPF目标值 | ≥50 | 达到“极佳”防护等级 |
此外，建议结合功能性助剂整理（如纳米氧化锌涂层）或纤维共混技术（涤纶/棉/氨纶混纺）进一步提升综合性能。
7. 实际应用与市场前景
目前，防紫外线涤纶织物已广泛应用于：
- 户外运动服饰：登山服、骑行服、钓鱼服
- 儿童防晒衣：轻薄高UPF，符合GB/T 18830-2009标准
- 汽车内饰：车顶棚、遮阳帘
- 建筑用遮阳材料：遮阳篷、户外帐篷
据中国产业调研网数据显示，2023年中国防紫外线纺织品市场规模已达280亿元人民币，年增长率超过12%。随着消费者健康意识提升和国家标准完善（如GB/T 18830-2019修订版），高UPF涤纶织物市场需求将持续扩大。
未来发展趋势包括：
- 智能化设计：结合传感器监测紫外线强度，动态调节织物透光率；
- 绿色环保化：采用生物基涤纶（如PEF）与无氟防水整理协同；
- 多功能集成：集防晒、凉感、抗菌、抗静电于一体。
8. 实验方法与测试标准
为确保研究数据可靠性，需遵循标准化测试流程：
8.1 样品制备
- 纤维原料：国产仪征化纤涤纶POY 100D/96F，经高温拉伸加捻成FDY。
- 织造设备：丰田Loom TEXMAXX电子多臂剑杆织机。
- 工艺参数：上机张力280 cN，车速550 rpm，温湿度控制（温度22±2℃，相对湿度65±5%）。
8.2 性能测试
| 测试项目 | 标准方法 | 设备型号 |
|---|---|---|
| UPF值测定 | AS/NZS 4399:2017 | Labsphere UV-2000F |
| 光谱透过率 | ISO 13758-1:2001 | Shimadzu UV-2600 |
| 经纬密度 | GB/T 4668-1995 | 放大镜（20×）计数法 |
| 厚度 | GB/T 3820-1997 | YG(B)026D电子织物测厚仪 |
| 克重 | GB/T 4669-2008 | 电子天平（精度0.001g） |
| 透气性 | ASTM D737-2018 | SDL Atlas透气仪 |
所有样品均经预调湿处理（24小时，标准大气），每组测试5次取平均值。
9. 结论性分析（非结语）
通过对防紫外线涤纶织物编织结构的系统研究可知，组织结构、经纬密度、纱线细度、紧度及厚度等参数对紫外线屏蔽率具有显著影响。其中，高密度平纹或重平组织配合细旦高F数纱线，可在不依赖化学整理的前提下实现UPF 50以上的优异防护性能。双层结构与复合纱技术进一步拓展了高性能防晒织物的设计空间。
值得注意的是，结构优化需兼顾穿着舒适性、透气性与经济性，避免过度追求UPF值而导致产品实用性下降。未来应加强多学科交叉研究，融合材料科学、光学模拟与智能制造技术，推动防紫外线涤纶织物向轻质、智能、可持续方向发展。
