納米抗紫外防水涂層織物的研究

 摘 要 通過(guò)對(duì)常規(guī)的和納米材料的抗紫外性能以及各種涂層劑的防水性能試驗(yàn)對(duì)比，研究納米抗紫外整理劑和溶劑、PU涂層膠、PA涂層膠與珠光粉、銀漿等配套助劑的相容性，zui終選用性能優(yōu)異的納米抗紫外整理劑M。在珠光涂層中，添加2%該抗紫外整理劑，能顯著提高產(chǎn)品抗紫外性能，UPF等級(jí)可達(dá)到30以上。
    關(guān)鍵詞 涂層整理;整理劑;納米技術(shù);防水性;防輻射性;紫外線輻射;織物;聚對(duì)苯二甲酸乙二酯纖維
    涂層織物是近幾年市場(chǎng)上發(fā)展zui為迅猛的產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用于服裝、室內(nèi)裝飾和傘面等日用紡織品及產(chǎn)業(yè)用布方面。隨著人們防紫外線輻射意識(shí)的提高，對(duì)帳篷布、遮陽(yáng)布和傘面綢等涂層織物在抗紫外性能上的要求越來(lái)越高。國(guó)內(nèi)的部分產(chǎn)品已具有一定的防水性能和抗紫外功能，但與國(guó)外同類產(chǎn)品相比，仍存在不足，尤其在UVA波段的紫外屏蔽能力上有較大差距。根據(jù)內(nèi)外銷市場(chǎng)的需求，引入*的納米材料及應(yīng)用技術(shù)，利用企業(yè)原有的涂層生產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)納米抗紫外防水涂層織物，可大幅度提高該類產(chǎn)品的附加值。
    1 試 驗(yàn)
    1．1 材 料
    基布：1 7．4、1 8．7 tex規(guī)格的滌綸織物。
    助劑：溶劑型PA涂層膠、溶劑型PU涂層膠、抗黏劑、架橋劑和有機(jī)溶劑等涂層劑;T0-410 H拒水劑，浮銀，沉銀，珠光粉，以無(wú)機(jī)金屬氧化物為主要組分的常規(guī)微米級(jí)抗紫外粉，納米紫外屏蔽劑D和納米紫外屏蔽劑M添加劑。
    1．2 設(shè)備和儀器
    設(shè)備：均勻小軋車（中國(guó)臺(tái)灣瑞比）、涂層小樣機(jī)、DK-5E針狀焙烘拉幅樣機(jī)（日本產(chǎn)）、SCl 01-1 A數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱、高剪切混合乳化機(jī)等。
    儀器：JFY-Il型織物抗?jié)B水性能測(cè)試儀，織物拒水性能測(cè)試儀，電子強(qiáng)力儀，LLY-01型電子硬挺度儀，紫外／可見(jiàn)／近紅外分光光度儀（日本產(chǎn)），XENOTESTl 50S+風(fēng)冷式日曬試驗(yàn)機(jī)等。
    1．3 工藝流程
    基布準(zhǔn)備→浸軋拒水劑→烘干→軋光→底涂→烘干→功能涂層整理→烘干→浸軋拒水劑→烘干→焙烘→成品。
    1．3．1 前拒水整理
    前拒水整理能賦予織物一定的防水功能，以及減少涂層時(shí)涂層劑的滲透。
    拒水劑30 g／L，pH值（用冰醋酸調(diào)節(jié)）3～7。
    工藝流程：浸軋織物（軋液率50%-60%）→烘干（110～130℃＊2 min）→焙烘（150～170℃＊2-3 min）。
    1．3．2 底 涂
    PA膠或PU膠用有機(jī)溶劑溶解后進(jìn)行干法涂層，目的是調(diào)節(jié)zui終成品手感的軟硬度、豐滿度;避免兩道涂層產(chǎn)生病疵，這對(duì)于18．7 tex以下稀薄織物尤為重要。要獲得手感柔軟的zui終產(chǎn)品，涂層速度可稍快些，刮刀角度應(yīng)調(diào)整至避免將涂層膠擠入織物內(nèi)部。
    1．3．3 功能涂層整理
    用PA或PU涂層膠進(jìn)行干法涂層，使產(chǎn)品具有較高的耐水壓;或在PA或PU涂層膠中均勻混入銀粉、珠光粉、抗紫外粉等，再進(jìn)行干法涂層，使產(chǎn)品在具有較高耐水壓的基礎(chǔ)上增添抗紫外和奇異外觀等功能。
    由于試驗(yàn)條件限制，本文試驗(yàn)的功能涂層均為一次涂層，有些特殊品種，如耐水壓指標(biāo)要求特別高時(shí)可采用多次涂層，以獲得所需要的產(chǎn)品。
    1．3．4后拒水整理
    依zui終產(chǎn)品拒水要求決定是否進(jìn)行后拒水整理。
    2結(jié)果與討論
    2．1 涂層膠的防水性能
    本文對(duì)目前常用的2類油溶性涂層膠的防水性能和手感進(jìn)行測(cè)試，以l 7．4 tex白色滌絲紡為基布，按1．3 1工藝流程進(jìn)行涂層，結(jié)果見(jiàn)表1。
    由表l知，在相同的涂漿量下，PU涂層膠的防水性能和手感柔軟性優(yōu)于PA，因此在生產(chǎn)防水和手感柔軟性要求高的產(chǎn)品時(shí)，建議選擇PU涂層膠。同一種涂層膠，隨著涂漿量的增加，耐靜水壓上升，因此涂漿量也是影響防水性的重要因素。涂漿量太少，涂層劑在織物表面不易連續(xù)均勻成膜，涂層織物的耐靜水壓降低;涂漿量過(guò)多，形成的薄膜較厚，織物耐靜水壓能力提高，但抗彎長(zhǎng)度增大，即柔軟性下降，同時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致涂層面不易烘干，成膜不好，引起涂層織物表面發(fā)粘。·如果所需產(chǎn)品對(duì)耐靜水壓要求不高，則可通過(guò)調(diào)節(jié)刮刀角度和壓力，以降低涂漿量，獲得手感柔軟的織物。
    涂層織物沾水等級(jí)（即表面抗?jié)裥?/span>）主要取決于拒水劑性能和整理工藝。由于本試驗(yàn)在涂層前后均
    進(jìn)行拒水整理，因此涂層面沾水等級(jí)在4～5級(jí)左右，反面可達(dá)5級(jí)，即*拒水。
    2．2織物的抗紫外線性能
    為了了解基布本身的抗紫外線性能，選擇1 7．4 tex和18．7 tex這2種規(guī)格的白色滌綸織物進(jìn)行紫外線透過(guò)率測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖l。
    由圖l可見(jiàn)，紡織品的防紫外線性能與織物本身組織結(jié)構(gòu)有關(guān)。對(duì)于相同織物，組織結(jié)構(gòu)越疏松，
    對(duì)光線的覆蓋因數(shù)越低，光線及紫外線越易透過(guò);織物越緊密厚實(shí)，紫外線越不易透過(guò)。另外，防紫外線性能與纖維本身基質(zhì)也有關(guān)系。圖1中，2條曲線在220～300 nm波段透過(guò)率呈下降趨勢(shì)，反映了滌綸分子結(jié)構(gòu)中苯環(huán)對(duì)該波段紫外線的吸收特性，但滌綸中苯環(huán)結(jié)構(gòu)對(duì)300～400 nm波段紫外線沒(méi)有吸收特性，因而白色滌綸織物對(duì)這一波段的紫外線難以有效屏蔽。
    實(shí)際生產(chǎn)中，涂層的基布通常選擇染色織物或印花織物。為了了解同規(guī)格不同顏色滌綸基布的抗
    紫外線性能，測(cè)試了各種顏色基布的紫外線透過(guò)率 （圖2）。
    由圖2可見(jiàn)，與白色原樣比，所有染色樣的紫外線透過(guò)率都有所下降，尤其在200～300 nrn波段。其主要原因是大多數(shù)染料都含有芳環(huán)結(jié)構(gòu)，芳環(huán)在UVC和UVB區(qū)具有顯著的吸收特征。此外，織物的顏色是由不同顏色的染料分子選擇性地吸收可見(jiàn)光輻射所致，而有些染料的吸收帶可擴(kuò)展到紫外光譜區(qū)域（藍(lán)色、棕色、黃色等則更明顯），因此對(duì)UVA波段也有一定的吸收作用。
    2．3 原涂層織物的抗紫外線性能
    為了了解原涂層織物的抗紫外線性能，對(duì)通常認(rèn)為抗紫外線性能較好的珠光涂層和銀粉漿涂層織
    物及其同色基布進(jìn)行紫外線透過(guò)率測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖3。
    從圖3可見(jiàn)，2類1 7．4 tex涂層織物的抗紫外線性能比同色基布明顯提高．其中銀漿涂層織物比珠光涂層織物更好。涂層用銀粉漿是由鋁經(jīng)過(guò)研磨和防氧化處理，然后與PU漿按適當(dāng)比例配成的一種涂層膠。由于鋁粉的顆粒呈平滑的鱗片狀，故其遮蓋力強(qiáng)，能防止紅外線、可見(jiàn)光和紫外線的穿透，因此涂銀織物表現(xiàn)出較好的抗紫外線性能。而珠光涂層織物的抗紫外線性能較低，可能是由于珠光粉的主要組分為扁平而細(xì)小的薄片狀云母，表面光滑，其微平面結(jié)構(gòu)和內(nèi)部層狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其折射率和透明度都較高。入射光線經(jīng)多次反射，產(chǎn)生的光澤就像珍珠一樣，具有立體感覺(jué)，猶如從物體內(nèi)部發(fā)射出來(lái)的光。正是由于珠光粉的這種特殊結(jié)構(gòu)，使部分紫外線和可見(jiàn)光在珠光粉的片狀云母之間產(chǎn)生多次折射和反射，導(dǎo)致紫外線透過(guò)率較高。
    本文研究測(cè)試了其他顏色基布的珠光涂層產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)除了黃色珠光涂層織物外，其他顏色基布的
    珠光涂層織物抗紫外線性能均不高，因此，提高珠光涂層產(chǎn)品的抗紫外線性能將是研究的重點(diǎn)。
    2．4 抗紫外劑與涂層劑的分散穩(wěn)定性
    為了提高珠光涂層產(chǎn)品和部分涂銀產(chǎn)品的抗紫外線性能，選擇常規(guī)抗紫外劑（微米級(jí)粉體）、納米
    外屏蔽劑D、納米紫外屏蔽劑M與珠光涂層劑或銀漿涂層劑復(fù)合后進(jìn)行涂層整理。
    為了解決納米抗紫外劑粉體在后整理中的二次團(tuán)聚和分散穩(wěn)定性問(wèn)題，對(duì)選定的納米紫外屏蔽劑
    進(jìn)行改性處理。將3種抗紫外材料分別加入有機(jī)溶劑中，用高剪切混合乳化機(jī)高速打漿分散，結(jié)果發(fā)現(xiàn)三者在所用有機(jī)溶劑中都能很快且均勻地分散（所選用的2種納米紫外屏蔽劑在水相體系中容易二次團(tuán)聚），zui后呈穩(wěn)定乳狀液，因此，所選紫外屏蔽劑 （10%）與有機(jī)溶劑具有良好的相容性。化好的乳狀液用保鮮膜封l21（以防溶劑揮發(fā)），靜置觀察穩(wěn)定性，結(jié)果見(jiàn)表2。
    由表2知，3種紫外屏蔽劑在有機(jī)溶劑中的分散穩(wěn)定性很好，即使出現(xiàn)少量沉淀，經(jīng)攪拌后也能很快地再次分散，完滿足大生產(chǎn)要求。
    2．5 抗紫外涂層整理
    試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，把預(yù)先分散均勻的紫外屏蔽劑乳液與分散均勻的珠光漿或銀漿混合均勻后，加入PU涂層膠或PA涂層膠中，經(jīng)高速攪拌后能均勻分散，可直接用涂布器在織物表面涂層，經(jīng)熱處理后在織物表面形成一層薄膜，獲得具有抗紫外線功能的防水涂層織物。
    2．5．1 不同抗紫外材料對(duì)抗紫外線的影響
    為了解不同抗紫外材料添加到涂層劑中進(jìn)行涂層整理后織物的抗紫外線功能，分別把3種紫外屏蔽劑用有機(jī)溶劑分散均勻后，加入PU涂層膠中，在17．4 rex白色基布（已預(yù)*行拒水和底涂）上進(jìn)行涂層整理（涂漿量10 9／m2），其紫外線透過(guò)率見(jiàn)圖4。
    由圖4可見(jiàn)，3種紫外屏蔽劑在用量相同（對(duì)涂層膠質(zhì)量2%）的情況下，納米紫外屏蔽劑M的紫外屏蔽能力在整個(gè)紫外波段均為zui強(qiáng);在200～340 nm區(qū)域，納米紫外屏蔽劑D也表現(xiàn)出較強(qiáng)的屏蔽能力，而在340～400 nm區(qū)域，常規(guī)微米級(jí)抗紫外粉比納米紫外屏蔽劑D有更強(qiáng)的屏蔽能力。
    總體上納米級(jí)紫外屏蔽劑顯示出更高的防紫外線效果，納米紫外屏蔽劑M的防紫外線效果比納米紫外屏蔽劑D更優(yōu)異。而在340～400 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，常規(guī)微米級(jí)抗紫外粉體表現(xiàn)出比納米紫外屏蔽劑D更強(qiáng)的屏蔽能力，主要由于常規(guī)微米級(jí)抗紫外粉是各種金屬氧化物的混合物，相互之間可以取長(zhǎng)補(bǔ)短，但從涂層織物的外觀和手感來(lái)比較，常規(guī)微米級(jí)抗紫外粉涂層織物色澤發(fā)黃，手感比較粗糙。綜上所述，生產(chǎn)的抗紫外涂層產(chǎn)品，關(guān)鍵要選好納米紫外屏蔽劑。
    2．5．2 抗紫外材料用量對(duì)抗紫外線性能的影響
    為確定納米紫外屏蔽劑的用量，選擇納米紫外屏蔽劑M用量進(jìn)行試驗(yàn)，在1 7．4 rex白色基布（預(yù)*行拒水和底涂）上進(jìn)行涂層整理（涂漿量10 g／m2），結(jié)果見(jiàn)圖5。
    由圖S可見(jiàn)，隨紫外屏蔽劑M用量的增加，涂層織物的紫外屏蔽能力增強(qiáng)。要使白色涂層織物獲得在UVA波段低于5%的平均透過(guò)率，納米紫外屏蔽劑M的用量需在2%～4%。
    2．5．3抗紫外效果的耐洗性
    涂層織物抗紫外效果的耐水洗性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖6。為了提高試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，試驗(yàn)中用同一
    塊試樣進(jìn)行多次水洗，測(cè)定其水洗前后的紫外線透過(guò)率。
    由圖6可見(jiàn)，水洗5次后涂層織物的抗紫外線性能幾乎沒(méi)有變化，表明具有很好的耐洗效果，能滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。
    2．5．4納米抗紫外珠光涂層整理
    將紫外屏蔽劑乳液與珠光漿均勻混合，加人PU涂層膠中，經(jīng)高速攪拌均勻混溶后，在1 7．4 tex
    白色基布上涂層．并對(duì)單純珠光涂層和納米抗紫外珠光涂層織物進(jìn)行紫外線透過(guò)率測(cè)試．結(jié)果見(jiàn)圖7。
    由圖7可知．白色基布珠光涂層織物在UVC區(qū)的紫外線透過(guò)率很低。表明屏蔽能力很高，但其在UVA、UVB區(qū)的紫外屏蔽能力很低。而在10%珠光粉涂層的基礎(chǔ)上再加人2≥《納米紫外屏蔽劑M，或同時(shí)加人1%納米紫外屏蔽劑M和1%納米紫外屏蔽劑D，均能明顯改善其紫外屏蔽能力。
    用黃色基布進(jìn)行同樣的試驗(yàn)，：并按照AATCCl83～1998測(cè)試UPF平均值，結(jié)果見(jiàn)表3。
    由表3可知，盡管黃色基布珠光涂層產(chǎn)品在UVA、UVB區(qū)的UPF平均值已達(dá)到28，具有較好的紫外屏蔽能力，而加入2%M和1%M與l%D的納米珠光涂層產(chǎn)晶的U PF值，則分別達(dá)到了58和60，其紫外屏蔽能力按照澳大利亞AS／NZS 4399B標(biāo)準(zhǔn)已達(dá)到了優(yōu)良的級(jí)別[3]。由于納米材料的粒徑在納米尺度，對(duì)可見(jiàn)光的折光率很小，因此，在明顯提高紫外屏蔽能力的基礎(chǔ)上，并不會(huì)影響珠光涂層織物的珍珠般光澤。
    2．6 抗紫外珠光涂層織物的其他性能
    對(duì)各種抗紫外珠光PU涂層織物（涂漿量10～1 2 g／m2）的防水性、強(qiáng)度、硬挺度、色牢度等進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表4、5。
    表4列示的涂層織物的耐靜水壓均在11 760 Pa以上，表面抗?jié)裥栽?/span>80。以上，斷裂強(qiáng)力有所下降，但強(qiáng)度保留率幾乎都在90%以上。抗彎長(zhǎng)度反映的是織物的硬挺性，抗彎長(zhǎng)度值越大，織物剛性越大，即柔軟性越小。表4結(jié)果表明，涂層后織物柔軟性均下降，但納米抗紫外珠光PU涂層織物比常規(guī)抗紫外粉珠光PU涂層織物的手感更柔軟。
    由表5知，幾種有色涂層產(chǎn)品的水洗色牢度和日曬色牢度都很高，完滿足用戶的要求。 ‘
    2．7 抗紫外珠光涂層織物的大生產(chǎn)
    根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及生產(chǎn)實(shí)際條件，制訂了大生產(chǎn)工藝。基本工藝流程為：翻布縫頭一拒水整理一軋
    光整理一底涂一功能涂層整理一后拒水整理一成品。
    不同功能涂層整理產(chǎn)品的工藝配方如下：
    1） 納米抗紫外透明涂層防水織物：
    PU膠 ;
    納米紫外屏蔽劑M 2%;
    抗黏劑 適量;
    架橋劑 適量;
    溶劑 適量。
    2） 納米抗紫外珠光涂層防水織物：
    PU膠 ;
    珠光粉 10%～l5%;
    納米紫外屏蔽劑M 2%;
    抗黏劑 適量;
    架橋劑 適量;
    溶劑 適量。
    3） 納米抗紫外銀漿涂層防水織物：
    PU膠 ;
    銀漿 l0%～l 5%;
    納米紫外屏蔽劑M l%;
    抗黏劑 適量;
    架橋劑 適量;
    溶劑 適量。
    涂層工藝中通過(guò)調(diào)整設(shè)備上的刮刀角度、織物張力、刀布間距以及涂布速度等，以保證涂層厚度均勻一致，且調(diào)節(jié)后要保持恒定。
    生產(chǎn)的納米抗紫外防水涂層織物，均達(dá)到或超過(guò)以下技術(shù)指標(biāo)：抗?jié)B水性（靜水壓法）達(dá)9 800 Pa以上;納米抗紫外透明涂層防水織物UPF值≥30;納米抗紫外珠光涂層防水織物UPF值≥50;納米抗
    紫外銀漿涂層防水織物UPF值≥50。耐日曬色牢度≥6級(jí)，耐洗色牢度變色≥4級(jí)，沾色≥4級(jí)，織物強(qiáng)力保留率≥90%。
    3 結(jié) 論
    1）通過(guò)研究各種涂層劑的防水性能和納米材料的抗紫外性能，納米抗紫外整理劑與溶劑、PU涂層劑／PA涂層劑以及珠光粉、銀漿等配套助劑的相容性，開(kāi)發(fā)了性能優(yōu)異的納米抗紫外整理劑，確立了適用于涂層大生產(chǎn)的納米抗紫外防水涂層織物的整套生產(chǎn)工藝技術(shù)，生產(chǎn)了系列納米抗紫外防水涂層新產(chǎn)品。
    2）在珠光涂層漿中添加2%納米抗紫外整理劑M，能顯著提高珠光涂層產(chǎn)品的抗紫外性能，解決了常規(guī)珠光涂層產(chǎn)品紫外屏蔽能力較低的問(wèn)題。
    3）生產(chǎn)實(shí)踐表明，納米抗紫外防水涂層系列織物的手感滑爽、柔軟，水洗色牢度和日曬色牢度高，抗?jié)B水性（靜水壓法）均在9 800 Pa以上，紫外防護(hù)因數(shù)UPF值均達(dá)到30以上。