防紫外线涂层整理工艺对面料透气性与防护性能的平衡控制
引言
随着全球气候变化和臭氧层空洞问题的日益加剧，紫外线（Ultraviolet, UV）辐射对人体皮肤的危害愈发受到关注。长期暴露于高强度紫外线环境中，不仅会引发晒伤、光老化，还可能增加皮肤癌的发生风险。因此，具备防紫外线功能的纺织品在户外服装、运动装备、遮阳用品等领域得到了广泛应用。其中，通过防紫外线涂层整理工艺对织物进行功能性处理，成为提升面料紫外线防护性能的重要手段。
然而，防紫外线涂层在增强防护能力的同时，往往会对织物的透气性、柔软度、手感及穿着舒适性产生负面影响。如何在保证高效紫外线屏蔽效果的前提下，维持良好的透气性能，已成为当前功能性纺织品研究中的关键科学与技术难题。本文将系统探讨防紫外线涂层整理工艺对面料透气性与防护性能的影响机制，分析不同工艺参数对性能平衡的调控作用，并结合国内外研究成果，提出优化策略。
一、紫外线辐射的基本特性及其对人体的影响
1.1 紫外线分类与波段特征
根据国际照明委员会（CIE）标准，太阳紫外线按波长可分为三个主要波段：
| 波段名称 | 波长范围（nm） | 特性描述 |
|---|---|---|
| UVA | 315–400 | 长波紫外线，穿透力强，可深入真皮层，导致皮肤老化、色素沉着 |
| UVB | 280–315 | 中波紫外线，能量较高，引起皮肤红斑、晒伤，与皮肤癌密切相关 |
| UVC | 100–280 | 短波紫外线，几乎被大气臭氧层完全吸收，地表基本无自然辐射 |
资料来源：WHO《Solar and Ultraviolet Radiation》, 2021；国家卫生健康委员会《日光防护指南》
1.2 纺织品防紫外线的重要性
人体约90%以上的紫外线暴露来自环境反射和直射。普通棉织物的紫外线防护系数（UPF）通常仅为5–15，远低于国际标准推荐值（UPF ≥ 40）。因此，开发高UPF值且兼具良好舒适性的功能性面料具有重要意义。
二、防紫外线涂层整理技术原理
防紫外线涂层是通过在织物表面施加含有紫外线吸收剂或反射剂的功能性涂层材料，形成一层阻挡或衰减紫外线透过的屏障。其作用机理主要包括以下两类：
- 吸收型：利用有机紫外线吸收剂（如苯并三唑类、二苯甲酮类）将UV能量转化为热能释放；
- 反射/散射型：借助无机纳米颗粒（如TiO₂、ZnO、SiO₂）对紫外线进行物理反射或散射。
近年来，复合型涂层（吸收+反射协同）因其广谱防护能力和耐久性优势，逐渐成为主流发展方向。
三、常见防紫外线涂层材料及其性能对比
下表列出了常用防紫外线涂层材料的关键参数及性能特点：
| 材料类型 | 典型代表 | 有效波段（nm） | UPF提升幅度 | 透气性影响 | 耐洗性（次） | 环保性评价 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 苯并三唑类 | Tinuvin 328 | 300–380 | +30～+50 | 中等下降 | 20–30 | 较好 |
| 二苯甲酮类 | BP-12 | 280–350 | +20～+40 | 显著下降 | 15–25 | 一般 |
| 纳米TiO₂ | P25（Degussa） | 200–380 | +60～+100 | 轻微下降 | >50 | 优（光催化活性需控制） |
| 纳米ZnO | NanoZinc Oxide | 250–380 | +50～+90 | 轻微下降 | >50 | 优 |
| 复合涂层（TiO₂/ZnO） | 自研配方 | 250–400 | +80～+120 | 中等下降 | >60 | 优 |
| 改性二氧化硅 | SiO₂@TiO₂核壳结构 | 280–390 | +70～+100 | 轻微下降 | >55 | 优 |
注：UPF提升幅度基于相同基布（涤纶65%/棉35%，克重180g/m²）条件下测试数据；耐洗性指AATCC Test Method 61-2016标准下洗涤次数后UPF保持率≥80%。
上述数据显示，无机纳米材料在防护性能和耐久性方面显著优于传统有机吸收剂，尤其以纳米氧化锌（ZnO）和二氧化钛（TiO₂）最为突出。但其分散稳定性差、易团聚等问题限制了应用效果，需通过表面改性或复合设计加以改善。
四、涂层工艺对面料透气性的影响机制
4.1 透气性定义与评价指标
织物透气性是指单位时间内透过单位面积织物的空气量，通常以透气率（mm/s）表示，测试方法依据GB/T 5453-1997《纺织品 织物透气性的测定》执行。
影响因素包括：
- 纤维种类与截面形态
- 纱线密度与织物结构
- 后整理加工方式（尤其是涂层）
4.2 涂层对透气性的负面效应
涂层过程会在纤维表面形成连续或半连续膜层，堵塞原有孔隙通道，从而降低空气流通效率。具体表现为：
- 涂层厚度增加 → 孔隙率下降 → 透气率降低
- 涂层均匀性差 → 局部封闭 → 局部闷热感增强
- 交联剂使用过多 → 膜层致密化 → 扩散阻力上升
实验数据显示，在相同工艺条件下，采用浸轧-烘干-焙烘法施加3%纳米ZnO涂层后，涤棉混纺面料的透气率由原样的186 mm/s降至112 mm/s，降幅达40%。
五、关键工艺参数对性能平衡的影响分析
为实现防护性与透气性的最优匹配，必须精细调控涂层整理的关键工艺参数。以下是主要影响因素及其优化方向：
5.1 涂层方式选择
| 涂层方法 | 原理简述 | 厚度可控性 | 分布均匀性 | 对透气性影响 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|---|
| 浸轧法 | 织物浸渍后压轧去除多余液体 | 一般 | 中等 | 中等 | 大批量生产，平纹织物 |
| 刮刀涂布 | 刮刀控制涂层厚度 | 高 | 高 | 显著 | 高密度织物、厚涂层需求 |
| 喷雾沉积 | 微量喷涂，局部覆盖 | 高 | 可控 | 轻微 | 功能区域强化（领口、肩部） |
| 磁控溅射 | 物理气相沉积，纳米级薄膜 | 极高 | 极高 | 极轻微 | 高端户外服装、军用装备 |
| 层层自组装（LBL） | 静电吸附逐层构建功能膜 | 高 | 高 | 轻微至中等 | 实验室研究、智能纺织品 |
数据来源：东华大学《功能纺织品导论》，2022；Textile Research Journal, Vol.91(5-6), 2021
研究表明，喷雾沉积与磁控溅射技术能够在保证UPF值超过80的同时，使透气率损失控制在15%以内，展现出优异的性能平衡潜力。
5.2 焙烘温度与时长
焙烘是固化涂层、促进交联反应的关键步骤。温度过低则结合牢度不足，过高则导致聚合物碳化、膜层脆裂。
典型工艺参数对比：
| 焙烘温度（℃） | 时间（min） | UPF值 | 透气率（mm/s） | 手感评级（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：纯棉府绸，涂层剂：改性丙烯酸树脂+纳米ZnO（3% o.w.f）
结果显示，160℃×2min为较优组合，在防护性能与透气性之间达到较好平衡。
5.3 添加剂与助剂的应用
合理使用添加剂可有效缓解涂层带来的透气性下降问题：
| 添加剂类型 | 功能机制 | 推荐用量（%） | 效果评估 |
|---|---|---|---|
| 成孔剂（PEG） | 焙烘后挥发，形成微孔 | 1–3 | 透气率提升15–25%，UPF略降5–8 |
| 硅油柔软剂 | 改善手感，减少膜层僵硬 | 0.5–1.5 | 手感提升1–2级，不影响UPF |
| 分散剂（如BYK） | 提高纳米粒子分散稳定性 | 0.3–1.0 | 防止团聚，提升涂层均匀性 |
| 交联剂（NMA） | 增强耐洗性 | 0.8–1.2 | 洗涤50次后UPF保持率＞85% |
清华大学材料学院研究指出，添加2%聚乙二醇（PEG-1000）作为成孔剂后，涂层织物的水蒸气透过率提高21.3%，且UPF仍维持在75以上（Zhang et al., 2020）。
六、织物结构与纤维材质的协同优化
除了涂层工艺本身，基布的选择也直接影响最终性能平衡。
6.1 不同纤维类型的防护基础性能
| 纤维种类 | 原始UPF值 | 紫外线透过率（%） | 特点说明 |
|---|---|---|---|
| 涤纶 | 15–25 | 8–12 | 分子结构致密，本身具有一定防UV能力 |
| 腈纶 | 10–18 | 10–15 | 含-CN基团，吸收部分UV |
| 棉 | 5–10 | 20–30 | 多孔疏松，防护差，需依赖后整理 |
| 粘胶 | 6–12 | 18–25 | 吸湿好但结构松散 |
| 尼龙 | 12–20 | 13–18 | 强度高，适合高强度使用场景 |
数据来源：中国纺织工程学会《功能性纺织品检测报告汇编》，2023
可见，涤纶因其固有防紫外线特性，常作为功能性整理的首选基材。
6.2 织物组织结构的影响
| 织物结构 | 克重（g/m²） | 孔隙率（%） | 原始UPF | 涂层后UPF | 涂层后透气率（mm/s） |
|---|---|---|---|---|---|
| 平纹 | 160 | 42 | 18 | 78 | 105 |
| 斜纹 | 190 | 38 | 22 | 85 | 92 |
| 缎纹 | 210 | 35 | 25 | 88 | 85 |
| 针织双面布 | 200 | 45 | 15 | 70 | 130 |
结果表明，虽然高密度织物初始UPF更高，但涂层后透气性恶化更严重。相比之下，适度克重（160–180g/m²）、中等孔隙率（40–45%）的平纹或轻质针织物更有利于实现综合性能平衡。
七、新型技术路径探索：多功能集成与智能响应
7.1 多功能复合涂层
现代防紫外线涂层不再局限于单一功能，而是向“防UV+透气+抗菌+凉感”一体化发展。例如：
- 石墨烯掺杂ZnO涂层：利用石墨烯的高导热性实现散热降温，同时提升电子迁移率以增强UV吸收；
- 相变微胶囊+TiO₂体系：白天吸收热量储存，夜间释放，调节体感温度；
- 银离子共混涂层：兼具抗菌与抗静电功能，适用于运动服饰。
江南大学团队开发的“Ag-ZnO-PDMS”复合涂层，在UPF=92条件下，透气率达到148 mm/s，明显优于传统配方（Wang et al., 2021）。
7.2 智能响应型涂层
基于环境刺激响应的智能涂层正在兴起，如：
- pH响应涂层：在出汗时自动调节孔隙开闭，增强透气；
- 温敏聚合物涂层：温度升高时膜层膨胀产生微裂纹，促进空气交换；
- 光响应变色材料：遇UV变深色，增强屏蔽，返回暗处恢复透明。
这类技术尚处于实验室阶段，但代表了未来高性能防护纺织品的发展方向。
八、国内外典型产品案例分析
8.1 国内代表性企业与产品
| 企业名称 | 产品系列 | 主要技术 | UPF值 | 透气率（mm/s） | 应用领域 |
|---|---|---|---|---|---|
| 鲁泰纺织 | Coolmax® UV+ | 纳米ZnO喷雾沉积 | 80 | 156 | 商务休闲衬衫 |
| 恒力集团 | UltraShield™ | TiO₂/有机复合浸轧工艺 | 90 | 102 | 户外冲锋衣 |
| 欣龙控股 | NanoCare | 静电纺丝纳米纤维覆膜 | 100 | 138 | 医疗防护服 |
8.2 国际知名品牌技术路线
| 品牌 | 技术名称 | 核心成分 | 工艺特点 | 性能亮点 |
|---|---|---|---|---|
| Columbia | Omni-Shade™ | 碳黑+特殊编织结构 | 物理遮蔽为主，无化学涂层 | UPF 50+，透气性极佳 |
| The North Face | SolarShield™ | ZnO+聚合物矩阵 | 耐久印花+浸渍 | 洗涤50次后UPF仍＞40 |
| Uniqlo | UV Cut系列 | 聚酯异形截面+紧密织造 | 无涂层，依靠结构防UV | 透气率＞200 mm/s，轻薄舒适 |
| Lululemon | Luxtreme™+UV | 尼龙/氨纶+纳米陶瓷涂层 | 高弹面料集成防UV | 运动中保持干爽与防护 |
值得注意的是，欧美品牌更倾向于采用非涂层路线（如结构防UV、染料吸收）来规避透气性问题，而亚洲厂商则更多依赖涂层技术实现快速量产。
九、标准化测试与性能评价体系
9.1 防护性能测试标准
| 标准编号 | 名称 | 适用地区 | UPF分级标准 |
|---|---|---|---|
| AS/NZS 4399:2017 | Sun protective clothing – Evaluation and classification | 澳新 | UPF 15–24（良好），25–39（很好），40–50+（优秀） |
| GB/T 18830-2009 | 纺织品 防紫外线性能的评定 | 中国 | UPF ≥ 40且T(UVA)av ≤ 5% |
| AATCC TM183-2014 | Transmittance of Materials Subjected to Synthetic Daylight | 美国 | 类似GB/T 18830 |
9.2 透气性测试标准
| 标准 | 方法概述 |
|---|---|
| GB/T 5453-1997 | 在固定压差（100Pa）下测定单位时间透过面积的空气量 |
| ISO 9237:1995 | 国际通用标准，与GB/T基本一致 |
| ASTM D737-20 | 美国材料试验协会标准，适用于各类机织物 |
实际检测中应结合多种标准进行交叉验证，确保数据可靠性。
十、发展趋势与挑战展望
当前防紫外线涂层整理正朝着绿色化、精细化、智能化方向发展。未来重点突破方向包括：
- 开发水性环保涂层体系，替代传统溶剂型产品；
- 利用数字模拟技术预测涂层分布与性能关系；
- 结合人工智能优化工艺参数组合；
- 推动生物可降解纳米载体的研发，提升可持续性。
与此同时，行业仍面临诸多挑战，如：
- 纳米材料潜在生态毒性需进一步评估；
- 多功能集成带来的成本上升问题；
- 消费者对“化学处理”的信任度偏低。
因此，未来的防紫外线纺织品不仅要“做得好”，更要“说得清”，通过透明化标签、第三方认证等方式建立市场信心。
（全文完）
