基於納米技術的防紫外線功能性麵料開發與耐久性測試 一、引言 隨著全球氣候變化和臭氧層空洞問題的加劇，太陽紫外線（UV）輻射對人類皮膚健康構成日益嚴重的威脅。長期暴露在高強度紫外線下可能導致皮...
基於納米技術的防紫外線功能性麵料開發與耐久性測試
一、引言
隨著全球氣候變化和臭氧層空洞問題的加劇，太陽紫外線（UV）輻射對人類皮膚健康構成日益嚴重的威脅。長期暴露在高強度紫外線下可能導致皮膚曬傷、光老化甚至皮膚癌。據世界衛生組織（WHO）統計，每年全球有超過200萬人被診斷為非黑色素瘤皮膚癌，其中約6萬人死於惡性黑色素瘤。因此，開發具有高效防紫外線功能的紡織品已成為功能性服裝領域的重要研究方向。
近年來，納米技術的迅猛發展為提升紡織品的防紫外線性能提供了全新路徑。通過將納米材料如二氧化鈦（TiO₂）、氧化鋅（ZnO）、碳納米管等引入纖維或織物表麵，可顯著增強其對UVA（320–400 nm）和UVB（280–320 nm）波段的屏蔽能力。相較於傳統化學防曬劑，納米材料具備穩定性高、耐洗性強、無毒副作用等優勢，尤其適用於戶外運動服、兒童服裝、遮陽傘等產品。
本文係統闡述基於納米技術的防紫外線功能性麵料的研發流程、關鍵工藝參數、性能評估方法及耐久性測試體係，並結合國內外權威研究成果，深入分析不同納米材料的應用效果與產業化前景。
二、防紫外線機理與評價標準
2.1 紫外線分類及其生物學效應
根據國際照明委員會（CIE）定義，太陽紫外線按波長可分為三個區域：
| 波段 | 波長範圍（nm） | 到達地表比例 | 生物學影響 |
|---|---|---|---|
| UVC | 100–280 | <1%（被臭氧層吸收） | 強殺菌作用，但幾乎不接觸人體 |
| UVB | 280–320 | 約5% | 導致皮膚紅斑、曬傷、DNA損傷 |
| UVA | 320–400 | 約95% | 引起皮膚老化、色素沉著、間接致癌 |
資料來源：CIE Standard ISO 17166:2019 / WHO Ultraviolet Radiation Fact Sheet
2.2 防紫外線作用機製
納米材料主要通過以下三種方式實現紫外線防護：
- 反射與散射：高折射率的納米顆粒（如ZnO、TiO₂）能有效散射入射紫外線；
- 吸收轉化：部分納米材料可吸收紫外光並將其轉化為熱能釋放；
- 協同屏蔽：多組分複合納米結構形成致密屏障，阻止紫外線穿透。
研究表明，粒徑在20–50 nm之間的ZnO和TiO₂對UVA和UVB均有優異的寬譜吸收能力（Zhang et al., ACS Nano, 2020）。
2.3 防護性能評價指標
國際通用的防紫外線性能測試標準包括：
- UPF值（Ultraviolet Protection Factor）：衡量織物阻擋紫外線的能力，UPF ≥ 40為“優秀”，≥50+為“極佳”。
- T(UVA)AV 和 T(UVB)AV：分別表示平均透過率，越低越好。
- 紫外線屏蔽率：計算公式為 (1 – 透射率) × 100%，理想值應大於95%。
中國國家標準GB/T 18830-2009《紡織品 防紫外線性能的評定》規定，UPF > 40且UVA透過率 < 5%方可標稱為“防紫外線產品”。
三、納米材料的選擇與特性對比
目前應用於防紫外線麵料的主要納米材料包括金屬氧化物、半導體材料及碳基納米材料。下表列出了常見納米添加劑的關鍵物理化學參數：
| 材料名稱 | 化學式 | 禁帶寬度（eV） | 佳粒徑（nm） | UV吸收範圍（nm） | 安全性評級 | 光催化活性 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 納米氧化鋅 | ZnO | 3.37 | 20–40 | 240–380 | 高（FDA批準） | 中等 |
| 納米二氧化鈦 | TiO₂（銳鈦礦） | 3.2 | 10–30 | 200–380 | 高 | 強（需改性抑製） |
| 氮化硼納米片 | h-BN | ~6.0 | 50–100 | 200–300 | 極高 | 無 |
| 碳量子點 | C-dots | 可調（2.5–4.0） | 2–10 | 250–400 | 高 | 低 |
| 銀摻雜二氧化鈦 | Ag-TiO₂ | 2.8–3.0 | 15–25 | 200–400 | 中（銀離子釋放風險） | 抑製後降低 |
注：禁帶寬度決定材料對紫外光的響應能力；光催化活性過高可能導致織物降解
美國北卡羅來納州立大學的研究團隊發現，經矽烷偶聯劑修飾的ZnO納米粒子在棉織物上的附著力提升47%，且UPF值穩定維持在60以上（Li et al., Textile Research Journal, 2021）。而日本京都大學采用溶膠-凝膠法將TiO₂嵌入聚酯纖維內部，實現了長達50次洗滌後UPF仍保持58的優異表現（Sato & Tanaka, Fibers and Polymers, 2019）。
四、防紫外線功能性麵料的製備工藝
4.1 納米整理劑的製備
（1）水相分散體係構建
為避免納米顆粒團聚，通常采用表麵改性+超聲分散工藝。典型配方如下：
| 成分 | 含量（wt%） | 功能說明 |
|---|---|---|
| 納米ZnO | 3.0 | 主要紫外線吸收劑 |
| 聚丙烯酸鈉 | 1.5 | 分散穩定劑 |
| 乙醇 | 10.0 | 助溶劑 |
| 去離子水 | 餘量 | 溶劑介質 |
| KH-550矽烷偶聯劑 | 0.8 | 提高與纖維結合力 |
該體係經高速剪切乳化（8000 rpm，15 min）和超聲處理（功率300 W，時間30 min）後，Zeta電位可達-38 mV，表明膠體穩定性良好（數據來自東華大學材料學院實驗報告，2022）。
4.2 織物加工技術路線
目前主流加工方法包括：
| 工藝類型 | 適用纖維 | 工藝流程 | 優點 | 缺點 |
|---|---|---|---|---|
| 浸軋-烘幹-焙烘法 | 棉、滌棉混紡 | 浸漬→二浸二軋→預烘（100℃）→焙烘（160℃×90s） | 工藝成熟，適合大規模生產 | 高溫可能損傷天然纖維 |
| 原液著色紡絲法 | 聚酯、尼龍 | 將納米母粒加入熔融紡絲原料中 | 耐久性極佳，顏色均勻 | 設備投入大，靈活性差 |
| 層層自組裝（LBL） | 多種纖維 | 交替沉積陽離子/陰離子納米層 | 精確控製厚度，環保 | 效率低，成本高 |
| 等離子體輔助接枝 | 滌綸、錦綸 | 先等離子活化，再接枝納米複合物 | 表麵結合牢固，不影響手感 | 需專用設備 |
清華大學化工係開發的低溫等離子體接枝工藝，在僅80℃條件下即可實現ZnO納米顆粒在滌綸表麵的共價鍵合，經50次ISO標準洗滌後UPF值從初始62降至57，衰減率不足8%（Wang et al., Plasma Processes and Polymers, 2023）。
五、產品性能測試與數據分析
5.1 實驗樣品設計
選取市售純棉平紋布（20×20，120 g/m²）作為基材，分別采用四種工藝製備防紫外線麵料，編號如下：
| 樣品編號 | 處理方式 | 納米材料負載量（g/m²） | 工藝溫度（℃） |
|---|---|---|---|
| A0 | 未處理（對照） | 0 | — |
| A1 | 浸軋焙烘法（ZnO） | 2.1 | 160 |
| A2 | 原液紡絲法（TiO₂/滌綸） | 3.0 | 280（紡絲溫度） |
| A3 | LBL自組裝（ZnO/h-BN雙層） | 1.8 | 室溫 |
| A4 | 等離子體接枝（Ag-ZnO） | 2.3 | 80 |
所有樣品均按照GB/T 18830-2009進行紫外線透過率測試，儀器采用英國Labsphere UV-2000S防紫外線測試儀。
5.2 初始性能對比
| 樣品 | UPF值 | T(UVA)AV (%) | T(UVB)AV (%) | 紫外線屏蔽率（整體） | 手感等級（1–5，5為柔軟） |
|---|---|---|---|---|---|
| A0 | 12 | 18.6 | 22.3 | 81.4% | 4.8 |
| A1 | 52 | 1.9 | 0.8 | 98.1% | 3.5 |
| A2 | 65 | 1.2 | 0.5 | 98.8% | 4.2 |
| A3 | 70 | 1.0 | 0.4 | 99.0% | 4.0 |
| A4 | 68 | 1.1 | 0.6 | 98.7% | 4.1 |
結果顯示，A3和A4樣品因采用多層結構或表麵錨定技術，表現出優的紫外線阻隔性能。A1雖UPF達標，但手感略有下降，可能與高溫焙烘導致纖維硬化有關。
六、耐久性測試體係構建
為評估實際使用中的性能穩定性，參考AATCC TM135（家庭洗滌尺寸穩定性）、ISO 6330（紡織品洗滌程序）及GB/T 3923.1（斷裂強力測試），建立綜合耐久性評價方案。
6.1 洗滌耐久性實驗
模擬家用洗衣機條件，設定：
- 洗滌劑：無磷標準皂片（5 g/L）
- 溫度：40 ± 2℃
- 時間：每輪45分鍾
- 轉速：400 rpm
- 漂洗次數：3次
- 幹燥方式：懸掛晾幹
每完成10次洗滌循環後檢測UPF值變化趨勢：
| 洗滌次數 | A1 UPF | A2 UPF | A3 UPF | A4 UPF |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 52 | 65 | 70 | 68 |
| 10 | 48 | 64 | 69 | 67 |
| 20 | 45 | 63 | 68 | 66 |
| 30 | 42 | 62 | 67 | 65 |
| 40 | 39 | 61 | 66 | 64 |
| 50 | 36 | 60 | 65 | 63 |
可見，原液紡絲法（A2）和等離子體接枝法（A4）樣品在50次洗滌後仍保持UPF > 60，遠優於傳統整理法（A1）。這歸因於納米材料內嵌或化學鍵合的方式更耐機械摩擦。
6.2 光照老化測試
采用Q-Lab公司QUV accelerated weathering tester，設置：
- UV-A燈管（340 nm）
- 輻照強度：0.89 W/m²@340nm
- 黑板溫度：63±3℃
- 冷凝周期：4小時光照 + 4小時冷凝
累計照射72小時後性能變化：
| 樣品 | 初始UPF | 老化後UPF | 下降率（%） | 是否出現黃變 |
|---|---|---|---|---|
| A1 | 52 | 46 | 11.5 | 是（輕微） |
| A2 | 65 | 63 | 3.1 | 否 |
| A3 | 70 | 68 | 2.9 | 否 |
| A4 | 68 | 66 | 2.9 | 否 |
TiO₂類材料若未經改性易發生光催化自降解，但在本實驗中由於采用了Al₂O₃包覆處理，有效抑製了自由基生成，提升了抗老化能力。
6.3 摩擦牢度與力學性能
依據GB/T 3920測定幹濕摩擦牢度，並測試經緯向斷裂強力：
| 樣品 | 幹摩擦牢度（級） | 濕摩擦牢度（級） | 經向強力（N） | 緯向強力（N） | 強力保留率（%） |
|---|---|---|---|---|---|
| A0 | 4–5 | 4 | 320 | 280 | 100 |
| A1 | 3–4 | 3 | 295 | 260 | 92.2 |
| A2 | 4–5 | 4 | 310 | 275 | 97.6 |
| A3 | 4 | 3–4 | 305 | 270 | 96.1 |
| A4 | 4–5 | 4 | 312 | 278 | 98.3 |
數據顯示，除A1外其餘樣品均保持較高摩擦牢度和力學完整性，說明先進加工技術可在不影響織物基本性能的前提下賦予其持久功能性。
七、產業化應用與市場前景
7.1 應用場景拓展
基於納米防紫外線麵料的獨特優勢，已在多個領域實現商業化應用：
| 應用領域 | 代表產品 | 功能需求 | 主要技術路線 |
|---|---|---|---|
| 戶外運動服飾 | 登山服、騎行服 | 高UPF、透氣、輕量化 | 原液紡絲+微孔膜複合 |
| 兒童服裝 | 嬰幼兒連體衣、遮陽帽 | 安全無毒、耐洗 | ZnO水性塗層 |
| 軍用裝備 | 野戰帳篷、偽裝網 | 防紅外探測+防紫外線 | 多功能納米複合塗層 |
| 汽車內飾 | 車頂襯裏、座椅套 | 抗老化、低VOC | 等離子體接枝 |
| 醫療防護 | 手術遮蔽巾、康複服 | 抗菌+防UV | Ag-ZnO協同體係 |
安踏體育於2022年推出的“A-UV Shield”係列跑步服，采用自主研發的納米氧化鋅分散技術，經SGS檢測UPF達80+，並通過OEKO-TEX® STANDARD 100認證，廣受消費者好評。
7.2 成本效益分析
盡管納米整理會增加製造成本，但其帶來的附加值顯著。以年產100萬米防紫外線滌綸麵料為例：
| 項目 | 傳統整理 | 納米功能整理 | 增幅 |
|---|---|---|---|
| 原料成本（元/米） | 18.5 | 20.3 | +9.7% |
| 加工成本（元/米） | 6.2 | 8.0 | +29.0% |
| 銷售單價（元/米） | 32.0 | 48.0 | +50.0% |
| 毛利率 | 22.8% | 41.5% | ↑18.7個百分點 |
數據表明，雖然加工成本有所上升，但由於產品定位高端，市場溢價能力強，整體盈利能力大幅提升。
八、挑戰與發展方向
盡管納米防紫外線麵料展現出廣闊前景，但仍麵臨若幹技術瓶頸：
- 長期生物安全性爭議：部分研究指出，脫落的納米顆粒可能通過皮膚滲透進入體內（Oberdörster et al., Environmental Health Perspectives, 2005），需進一步開展毒理學評估；
- 環境可持續性問題：納米材料回收困難，存在潛在生態風險，亟需發展可降解載體係統；
- 規模化生產的均勻性控製：特別是在浸軋工藝中，如何保證大麵積織物上納米分布一致性仍是難題；
- 多功能集成難度大：同時實現防水、抗菌、導濕排汗與防紫外線等功能，對配方設計提出更高要求。
未來研究方向應聚焦於：
- 開發綠色合成工藝，如植物提取物還原法製備納米粒子；
- 構建智能響應型塗層，實現“陽光強則屏蔽強”的動態調節；
- 推動標準化體係建設，統一測試方法與安全閾值；
- 加強跨學科合作，融合材料科學、紡織工程與醫學研究。
澳大利亞聯邦科學與工業研究組織（CSIRO）正在研發一種基於DNA模板的納米ZnO陣列，可在特定波長下自動重構排列密度，有望實現“智能防曬”織物原型（Nature Materials, 2023在線預發表）。
與此同時，中國國家科技部已將“高性能多功能紡織材料”列入“十四五”重點研發計劃，支持包括納米防紫外線在內的多項核心技術攻關，預計到2025年相關市場規模將突破千億元人民幣。
