纤维种类和织物孔隙度对夏季织物紫外线防护系数的影响

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇纤维种类和织物孔隙度对夏季织物紫外线防护系数的影响范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘要:

随着许多国家的皮肤癌比率逐步上升,UV辐射对人体皮肤的影响逐渐引起人们的注意。很多夏季的轻薄服装并不能对户外工作者起到足够保护作用。

本研究比较了几种织物的紫外线防护因子(UPF),这些织物的成分和结构适用于夏季服装。为开发一种数学预测模型,测试了纤维种类和织物的孔隙度对UPF值的影响。结果显示:对每种纤维分别分析,UPF和织物孔隙度两个参数具有高相关性。对单一纤维可以开发预测模型,但是还不能用于广泛的应用。

关键词:棉;纤维;模型;多孔性;UV防护

随着许多国家的皮肤癌比率逐步上升,UV辐射对人体皮肤的影响逐渐引起人们的注意。自从19世纪20年代以来,生活形式和生活态度的改变出现了把皮肤晒成黝黑色的行为,它使人们增加了户外活动和皮肤暴露在阳光的UV辐射(UVR)下的时间。UVR辐射对皮肤只有两个好处:促进维他命D3的合成和维持皮肤抵抗反复的UVR辐射的能力;如,皮肤增厚等。皮肤暴露在UVR环境中会出现红斑、晒伤、晒黑以及对光敏感等症状[1]。

晒黑是皮肤的一种防卫机能。UV辐射穿过皮肤的表层,到达下层细胞,引起了由晒伤而导致的炎症。为了防止进一步的伤害,存在于表皮的色素细胞开始产生一种被称为黑色素的物质,黑色素能使皮肤变成棕色并保护皮肤免受UV辐射的伤害。但是这种伤害年复一年地累积起来的话,会使黑色素的DNA细胞变异。受损细胞存活下来并不断复制,而且将损害向周围的区域扩散,最终导致皮肤癌的产生[2]。

大部分的光照影响(如晒伤、地域和系统性的免疫抑制反应、光照老化、皮肤癌等)都是由于UVR特别是UVB辐射引起的(290~320 nm)。UVA辐射(320~400 nm)也在很多皮肤疾病中起到了关键的作用,如由活性氧破坏DNA和细胞膜而引起的红斑、促进癌病变和因光老化而引起的病变等[3]。

服装能在一定程度上防护UVR辐射。然而,很多夏季常用轻薄服装却不能为整天在户外的日光下工作的人起到足够的保护作用。因此,纺织和服装生产商开始将兴趣转向开发改善UVR辐射阻隔性能的织物上。本文所研究的模型就是利用纤维种类和织物孔隙两个参数来帮助生产商预测织物对UVR的阻隔性能的,这种预测将会在纺织业中发挥有力的作用。本研究的目的是开发一种数学模型来预测纤维种类和织物孔隙对UVR辐射在选定夏季织物中透射的影响。

织物的孔隙度或网眼是影响UVR透射的关键参数[4-5]。Crews等人研究发现,织物的孔隙度是预测UVR辐射在未染色的机织物中透射情况的单个最佳预测因子,但同时,纤维的种类也是一个影响因素[6]。Pailthorpe把理想的防晒织物定义为,织物中的纱线对UVR完全不透光,而且织物上的孔洞非常小,可阻止UV辐射的传播[7-8]。UVR在织物中的传播情况与织物的“覆盖比”相关,这被用于描述织物的孔隙度,表示如下:

%UVR透射率=100-覆盖系数 (1)

(2)

根据公式(2)计算的数据可知,若要使织物的紫外线防护系数评级达到最小值(UPF为15),其覆盖比就必须大于93%[7-8]。“此外,一旦覆盖比超过95%,即使覆盖率增长很小值,也会使纺织品的SPF值大幅增加。”[8]然而,实际上这样的理想织物并不存在――具有相同比例覆盖系数的织物,由于所用的纤维不同,对应的UPF等级会有很大的差异。

Reinert等人利用分光镜对未经染色的棉、羊毛、丝、聚酯和尼龙几种纤维测试后发现,未染色的棉、丝和尼龙纤维对UV辐射是完全通透的[5]。由芳香族单体组成的聚酯纤维表现出对UVB辐射的强吸收性。当加入消光剂(二氧化钛)后,聚酯纤维也能吸收UVA辐射。加入消光剂后,UVR在尼龙纤维中的透射同样大量减少。另外,染料、荧光增白剂(FWAs)、整理剂和纤维直径这些因素也会影响UVR的透射。不过,作为织物结构参数的孔隙度对UVR的透射影响最大。因此,它是本研究主要关注的参数。

试验

材料

织制并研究3组成分和结构适用于夏季服装的机织织物(面料克重为90g/m2~250 g/m2)。每组织物都由一种纤维素纤维织成,包括棉、莫代尔(高湿模量粘胶的一种),处理过的莫代尔(用UV吸收剂整理的莫代尔纤维)。

所用织物都是平纹结构,由3组不同的经、纬纱线密度以及3种纬向密度组成,见表1。每个参数组合生产2 m的织物(幅宽0.5 m)。每组织物包含孔隙度各不相同的27个样品。

表1生产样品的参数

织造完成后,将织物退浆并漂白。测量每组中所选面料的白度指数(WI)。结果显示3种纤维织物的白度指数分布如下:棉WI~80;莫代尔WI~96;处理过的莫代尔WI~93。

在每种研究的织物中随机选取5块样品。取样要在距布边5 cm以内。对每块样品都测试两次孔隙度(覆盖比)和UPF值,分别在经向和纬向各测试一次――对每块样品的每个参数都测试10次。

方法

图像分析法测试覆盖比

织物的孔隙度或网眼是织物防晒能力的重要指标。覆盖比是织物孔隙度的一个有效指标,其定义为给定的织物区域内,经纱和纬纱的所占区域的百分比。

本研究利用图像分析系统测定覆盖比。利用一台光学显微镜(Olympus提供)和数码相机(Olympus U-SPT)获得样品的微观图像。微观图像是在4倍物镜和10倍目镜下得到的,然后把图像在13英寸的视频监控屏上放大到130倍。将每块织物的放大的黑白图像存储在一张视频采集卡(Optronics DEI-750 Acquire)中并在计算机屏幕上转变为像素图像。利用图像分析软件分析这些图像,每个像素点代表一个范围在0~255之间的单色值。织物中被纱线占据的区域用黑色像素点(单色值在0~75之间)表示,然后根据公式(3)可测定覆盖比:

(3)

UPF测定

UPF是用来表示织物保护人体皮肤免受UV辐射伤害效果的一个定量。UPF是通过计算UVR在空气中透射的均值与在织物中透射的均值的比得到的。

织物的UPF值会随生产中的各种参数的不同而明显不同,包括面料的纤维成分、纤维添加剂、面料的结构特性(组织、经纬密度、覆盖因子等)、颜色和染色强度、光学增白剂的存在、染料或后整理(特别是紫外线吸收剂)、服装的洗涤条件以及其他因素等[4-11]。

本文中织物的UPF是依据标准AS/NZ4399:1996,用Labsphere公司的紫外线透过分析仪UV1000F在体外进行测定的[12]。样品的UPF值可通过公式(4)计算得出。

(4)

Eλ――相对红斑光谱(CIE);Sλ――日光光谱辐射照度;Tλ――织物的光谱透射率;Δλ――纳米级的波长间隔(1 nm)。

样品的UPF值是通过统计修正法计算的。先计算UPF的平均值和UPF平均值的标准偏差,然后在99%的置信区间内计算UPF平均值的标准偏差,见公式(5)。

(5)

UPF――UPF值的平均值;tα/2,N-1――当α=0.05的时候t变量的值;SD――UPF均值的标准偏差。

为了标注服装的吊牌,防晒服装应按照计算得到的UPF值进行分类,分类如表2所示。

表2UPF分类体系

注:表中的分类体系按照AS/NZ4399:1996[12]和ASTM D6603―2000[13]规定。

产品标签上用到的UPF值是用样品的平均UPF值减去标准误差计算出来的,其结果“被调整至最接近5的倍数”[12]。当计算出来的UPF值大于单个样品最低的UPF值时,则应在产品标签上标注测得的最低UPF值,并将数字调整到最接近5的倍数,但UPF等级不能超过50。

结果

用图像分析技术评估覆盖比例

图1 显示了织物的微观图像照片,图中相应地显示了3种不同织造参数织物的覆盖比的最低值(织物1),中间值(织物14),最高值(织物27)。如,棉、莫代尔和处理过的莫代尔3种织物的第14号样品的各个参数都选取的中间值,即经纬纱线的线密度为20 tex,纬向织物密度为25根/cm。

图1用来估算覆盖比的织物微观图像

棉织物的覆盖比范围从86%~98%,莫代尔织物从82%~94%,处理过的莫代尔织物从88%~99%。图2 表示了每组织物样品测得的覆盖比值。莫代尔织物的覆盖比范围比棉或处理过的莫代尔的低,这种现象的原因目前还不清楚。莫代尔和棉的各组样品是用相同线密度的纱线和相同经纬密织造而成的。因此,我们预测它们具有相同的覆盖比范围。

图2覆盖比值

UPF和覆盖比

图3绘制了各组织物(棉、莫代尔和处理过的莫代尔)的覆盖比与UPF计算值间的关系。从图中可以观察出UPF和覆盖比例的直接关系。正如预测的那样,当覆盖比增加的时候,织物的UPF值随之增加。然而,覆盖比对UPF的影响会随着纤维种类的不同而不同。纤维种类对UPF值的重要性影响可以从图3中观察出来。因此,需对每种纤维都建立一个预测模型,但这样就不能应用到普遍应用中。进一步设想,可以测得每种纤维的透射指数,这样就可以构建一个预测模型。

图3UPF与覆盖比的关系

本文中所用的漂白薄型棉织物即使具有很高的覆盖比,但其UPF值也会很低(最大为7)。没有一种棉织物具有足够的UPF值使其能归为防晒织物(防晒面料必须具有不小于15的UPF值),尽管它们中的一些织物具有紧密的结构;如,98%的覆盖率。这个发现和之前的研究观点一致,即未染色的棉织物具有很低的UPF值,除非一些特别紧密和厚重的篷盖材料,但这些织物不适用于夏季服装的使用[4-6]。

本试验中用到的莫代尔机织物与相同覆盖比的棉织物比较,表现出了优异的防晒性能。一些织物有UPF值为15甚至更高的UPF值,这意味着它们对UV辐射有“好”的防护效果。但是,这些面料相对较低的覆盖比不允许它们具有“非常好或优异”的防晒效果(UPF 25~50)。让人意外的是:同为纤维素纤维的莫代尔织物比棉织物的UPF值高。另外,综合考虑到莫代尔测试织物具有相对于棉织物较低的覆盖比和较高的白度指数,这意味着这种面料具有更多的孔隙而且较白。前人研究的结果显示:总体来讲纤维都有一定的颜色,如未漂白的棉或染色织物与较白的相同织物比起来,具有较高的UPF值(即能阻隔更多的UVR透射)[6]。这看起来可能是由于消光剂或其他的整理剂应用到了测试织物中,这些物质使UVR的透射性降低了。

本试验中,如预期的一样,处理过的莫代尔机织物表现出了很好的防晒性,因为它们含有UV吸收剂。几乎所有的即使覆盖比(≤90%)较低的处理过的莫代尔织物,都能提供至少是“非常好”的防护性;在覆盖比值低到95%的时候,织物具有“优异”的防护性能。

UPF和覆盖比的回归分析

用简单的回归来分析所得的数据。UPF与覆盖比的曲线图表明这些数据不符合线性回归(Y=a+b×X)模型。为了构建能很好地表现数据的模型,本文研究了3种变换:乘法变换(Y=a×Xb)、指数变换(Y=ea+b×X)和倒数变换(1/Y=a+b×X)。

对表3 中的模型数据分析:所有的变换都优于线性形式,但倒数模型能更好地满足所有3组织物(棉、莫代尔和处理过的莫代尔)的线性关系。

表3回归分析

只有倒数模型对所有的纤维都表现出了方差一致性。应用这些模型的基本假设之一就是方差一致性。为了检验这个假设的有效性,绘制剩余误差并与拟合值进行比较。线性、乘法和指数模型的剩余误差证明这些变换的方差一致性无效。另一方面,把剩余误差标绘在倒数模型上时,3种纤维的方差一致性假设是有效的。因此可以推知,倒数模型对试验数据的拟合是最好的。图4是倒数模型的拟合线和剩余误差的图。

图4UPF与覆盖比(%)的回归分析:拟合曲线和偏差坐标

分析结果表明:UPF和织物的孔隙度间具有高的相关系数。剩余误差图没有表现出任何不规则性,因此,线性和方差同质性假设得到满足。

从得到的作为覆盖比函数的UPF模型可知(见表4),利用模型可以计算出一个织物若想达到好、非常好、优异的织物防晒性能所需的最低覆盖比的估值。表5是计算的结果。

表4UPF值和覆盖比的回归分析

表5获得UPF15、25或40所需的覆盖比的估值

注:覆盖比是基于相互转换法对处理的数据进行线性最佳拟合,利用UPF模型估计得到的。

从上面的结果可以看出,即使覆盖比为100%的漂白棉织物(纱线线密度和织物密度按本试验所规定)测试,也不具有“好”的防晒效果(UPF 15~24)。若要漂白棉织物的UPF值达到15(定义为防晒织物的最低值),则必须增加纱线的线密度或织物的经纬密或两个参数都要增加。但这样就会导致织物克重的增加和透气性的变差,因此不适合作为夏季服装面料使用。据先前的研究报道称,纤维素聚合物能透射大部分的UVA和UVB辐射。Reinert等人指出,只有克重非常大(367 g/m2)的篷盖布织物的UPF值能超过15,但最大也仅达到17[5]。另一方面,莫代尔和处理过的莫代尔纤维织物却能很容易地具备“非常好”(UPF 25~39)和“优异的”(UPF 40~50+)防晒级别,这时织物的覆盖比分别为97%和96%。如预期的那样,在所测试的纤维种类中,处理过的莫代尔能提供最完全的防晒效果(具有最高的UPF级别――大部分的测试样品都在UPF 30以上)。

结论

织物的UPF值受到织物孔隙度的影响。这与前人大量研究的结果一致[6,8]。当覆盖比增加(即孔隙度减少)的时候,UPF值增加。事实证明,倒数模型很好地拟合了试验数据且证明参数(孔隙率)随着UPF值的增加而增加。尽管我们不能建立仅考虑覆盖比一个参数的UPF预测模型――因为纤维种类和UPF的范围都会影响织物的孔隙度并影响UPF的评级,而构建一个针对纤维种类的透射率指数是可行的。这就要求更进一步地研究和分析。

纤维种类对UPF值的影响是显著的。此次的发现又一次验证了Crews等[6]和Reinert等人[5]所做的早期研究,他们发现,尽管覆盖比是影响未染色织物UVR透射率的一个关键参数,但纤维种类同样也是重要因素。

本文应用的漂白棉织物证明:棉织物对UV辐射的透射性很好,即使结构非常紧密的棉织物也是如此。对低UPF值的棉织物来说,织物孔隙度的增加对UPF值没有什么影响。将覆盖比从86%提高到98%,使夏季织物变得更加紧密(透气性变差),其UPF值也仅提高了4个百分点。由结果推断,覆盖比为100%的漂白棉织物也不能达到“好”的防晒评级(UPF 15~24)。

本试验中用到的未染色的莫代尔织物与漂白棉比起来有较好的防晒效果,尽管不是大部分的样品都达到“好”的等级(UPF≥15)。相对于棉织物,织物的孔隙度对莫代尔织物的UPF值有较大的影响。预测模型证明,莫代尔织物在覆盖比为94%的时候,能够达到“好”的防晒效果,而漂白棉织物在覆盖比为99%的时候也不能使UPF值≥7,当莫代尔织物的覆盖比达到95%的时候,防晒级别为“非常好”(UPF=25~35),甚至“优异”(UPF=40~50+)。

本研究中使用的处理过的莫代尔织物具有很好的防晒性。因为纤维上含有UV吸收剂,所得的效果如预期的那样好。利用这种纤维,生产者可以生产相对低覆盖比的防晒产品,使夏季服装更加舒适。

织物孔隙度对处理过的莫代尔织物的UPF值的影响非常显著。因此,文中处理过的莫代尔织物的UPF测试值范围很广,预测模型可在ASTM和AS/NZ标准范围内(0~50+),根据特定的UPF值估算其覆盖比值。

参考文献:

[1] Tenkate, T. D., Environmental Health, Vol. 61, No.2, September 1998, pp9-15.

[2] Anonymous, ABC, June 16 1998, pp54-55.

[3] Tedesco, A. C, etal. Journal of Medical and Biological Research, Vol. 30, No.5, May 1997, pp561-575.

[4] Hilfiker, R., et aI., Textile Research Journal ,Vol. 66, No.2, February 1996, pp. 61-70.

[5] Reinert, G., et aI., Textile Chemist and Colorist ,Vol. 29, No. 12, December 1997, pp36- 43.

[6] Crews, P.c., S. Kachman, and A. G. Beyer, Textile Chemist and Colorist, Vol. 31, No.6, June 1999, pp17-26.

[7] Pailthorpe, M., Textile Horizons, Vol. 16, No.5, October/November 1996, pp 11-14.

[8] Pailthorpe, M. T., Proceeding of the Textiles and Sun Protection Mini-Conference, Kensington (NSW), May 1993, pp32.

[9] Haeri, H. P., D. Haenzi, and J. J. Donze, 39th International Man-Made Fibers Congress, Dornbirn, Austria, 2000.

[10] Stanford, D. G., K. E. Georgouras, and M. T. Pailthorpe, Medical Journal of Australia, Vol. 162, No.8, 1995, pp422-425.

[11] Zhou, Y. and P. C. Crews, Textile Chemist and Colorist, Vol. 30, No. 11, November 1998, pp19-24.

[12] Standards Australia/Standards New Zealand, 1996, AS/NZS4399, pp4-13.

[13]Annual Book of ASTM Standards, 2001, pp1179-1182.

(文章来源:)