纳米抗紫外防水涂层织物的研究

 摘 要 通过对常规的和纳米材料的抗紫外性能以及各种涂层剂的防水性能试验对比，研究纳米抗紫外整理剂和溶剂、PU涂层胶、PA涂层胶与珠光粉、银浆等配套助剂的相容性，zui终选用性能优异的纳米抗紫外整理剂M。在珠光涂层中，添加2%该抗紫外整理剂，能显著提高产品抗紫外性能，UPF等级可达到30以上。
    关键词 涂层整理;整理剂;纳米技术;防水性;防辐射性;紫外线辐射;织物;聚对苯二甲酸乙二酯纤维
    涂层织物是近几年市场上发展zui为迅猛的产品之一，广泛应用于服装、室内装饰和伞面等日用纺织品及产业用布方面。随着人们防紫外线辐射意识的提高，对帐篷布、遮阳布和伞面绸等涂层织物在抗紫外性能上的要求越来越高。国内的部分产品已具有一定的防水性能和抗紫外功能，但与国外同类产品相比，仍存在不足，尤其在UVA波段的紫外屏蔽能力上有较大差距。根据内外销市场的需求，引入*的纳米材料及应用技术，利用企业原有的涂层生产设备生产纳米抗紫外防水涂层织物，可大幅度提高该类产品的附加值。
    1 试 验
    1．1 材 料
    基布：1 7．4、1 8．7 tex规格的涤纶织物。
    助剂：溶剂型PA涂层胶、溶剂型PU涂层胶、抗黏剂、架桥剂和有机溶剂等涂层剂;T0-410 H拒水剂，浮银，沉银，珠光粉，以无机金属氧化物为主要组分的常规微米级抗紫外粉，纳米紫外屏蔽剂D和纳米紫外屏蔽剂M添加剂。
    1．2 设备和仪器
    设备：均匀小轧车（中国台湾瑞比）、涂层小样机、DK-5E针状焙烘拉幅样机（日本产）、SCl 01-1 A数显鼓风干燥箱、高剪切混合乳化机等。
    仪器：JFY-Il型织物抗渗水性能测试仪，织物拒水性能测试仪，电子强力仪，LLY-01型电子硬挺度仪，紫外／可见／近红外分光光度仪（日本产），XENOTESTl 50S+风冷式日晒试验机等。
    1．3 工艺流程
    基布准备→浸轧拒水剂→烘干→轧光→底涂→烘干→功能涂层整理→烘干→浸轧拒水剂→烘干→焙烘→成品。
    1．3．1 前拒水整理
    前拒水整理能赋予织物一定的防水功能，以及减少涂层时涂层剂的渗透。
    拒水剂30 g／L，pH值（用冰醋酸调节）3～7。
    工艺流程：浸轧织物（轧液率50%-60%）→烘干（110～130℃＊2 min）→焙烘（150～170℃＊2-3 min）。
    1．3．2 底 涂
    PA胶或PU胶用有机溶剂溶解后进行干法涂层，目的是调节zui终成品手感的软硬度、丰满度;避免两道涂层产生病疵，这对于18．7 tex以下稀薄织物尤为重要。要获得手感柔软的zui终产品，涂层速度可稍快些，刮刀角度应调整至避免将涂层胶挤入织物内部。
    1．3．3 功能涂层整理
    用PA或PU涂层胶进行干法涂层，使产品具有较高的耐水压;或在PA或PU涂层胶中均匀混入银粉、珠光粉、抗紫外粉等，再进行干法涂层，使产品在具有较高耐水压的基础上增添抗紫外和奇异外观等功能。
    由于试验条件限制，本文试验的功能涂层均为一次涂层，有些特殊品种，如耐水压指标要求特别高时可采用多次涂层，以获得所需要的产品。
    1．3．4后拒水整理
    依zui终产品拒水要求决定是否进行后拒水整理。
    2结果与讨论
    2．1 涂层胶的防水性能
    本文对目前常用的2类油溶性涂层胶的防水性能和手感进行测试，以l 7．4 tex白色涤丝纺为基布，按1．3 1工艺流程进行涂层，结果见表1。
    由表l知，在相同的涂浆量下，PU涂层胶的防水性能和手感柔软性优于PA，因此在生产防水和手感柔软性要求高的产品时，建议选择PU涂层胶。同一种涂层胶，随着涂浆量的增加，耐静水压上升，因此涂浆量也是影响防水性的重要因素。涂浆量太少，涂层剂在织物表面不易连续均匀成膜，涂层织物的耐静水压降低;涂浆量过多，形成的薄膜较厚，织物耐静水压能力提高，但抗弯长度增大，即柔软性下降，同时可能会导致涂层面不易烘干，成膜不好，引起涂层织物表面发粘。·如果所需产品对耐静水压要求不高，则可通过调节刮刀角度和压力，以降低涂浆量，获得手感柔软的织物。
    涂层织物沾水等级（即表面抗湿性）主要取决于拒水剂性能和整理工艺。由于本试验在涂层前后均
    进行拒水整理，因此涂层面沾水等级在4～5级左右，反面可达5级，即*拒水。
    2．2织物的抗紫外线性能
    为了了解基布本身的抗紫外线性能，选择1 7．4 tex和18．7 tex这2种规格的白色涤纶织物进行紫外线透过率测试，结果见图l。
    由图l可见，纺织品的防紫外线性能与织物本身组织结构有关。对于相同织物，组织结构越疏松，
    对光线的覆盖因数越低，光线及紫外线越易透过;织物越紧密厚实，紫外线越不易透过。另外，防紫外线性能与纤维本身基质也有关系。图1中，2条曲线在220～300 nm波段透过率呈下降趋势，反映了涤纶分子结构中苯环对该波段紫外线的吸收特性，但涤纶中苯环结构对300～400 nm波段紫外线没有吸收特性，因而白色涤纶织物对这一波段的紫外线难以有效屏蔽。
    实际生产中，涂层的基布通常选择染色织物或印花织物。为了了解同规格不同颜色涤纶基布的抗
    紫外线性能，测试了各种颜色基布的紫外线透过率 （图2）。
    由图2可见，与白色原样比，所有染色样的紫外线透过率都有所下降，尤其在200～300 nrn波段。其主要原因是大多数染料都含有芳环结构，芳环在UVC和UVB区具有显著的吸收特征。此外，织物的颜色是由不同颜色的染料分子选择性地吸收可见光辐射所致，而有些染料的吸收带可扩展到紫外光谱区域（蓝色、棕色、黄色等则更明显），因此对UVA波段也有一定的吸收作用。
    2．3 原涂层织物的抗紫外线性能
    为了了解原涂层织物的抗紫外线性能，对通常认为抗紫外线性能较好的珠光涂层和银粉浆涂层织
    物及其同色基布进行紫外线透过率测试，结果见图3。
    从图3可见，2类1 7．4 tex涂层织物的抗紫外线性能比同色基布明显提高．其中银浆涂层织物比珠光涂层织物更好。涂层用银粉浆是由铝经过研磨和防氧化处理，然后与PU浆按适当比例配成的一种涂层胶。由于铝粉的颗粒呈平滑的鳞片状，故其遮盖力强，能防止红外线、可见光和紫外线的穿透，因此涂银织物表现出较好的抗紫外线性能。而珠光涂层织物的抗紫外线性能较低，可能是由于珠光粉的主要组分为扁平而细小的薄片状云母，表面光滑，其微平面结构和内部层状结构，导致其折射率和透明度都较高。入射光线经多次反射，产生的光泽就像珍珠一样，具有立体感觉，犹如从物体内部发射出来的光。正是由于珠光粉的这种特殊结构，使部分紫外线和可见光在珠光粉的片状云母之间产生多次折射和反射，导致紫外线透过率较高。
    本文研究测试了其他颜色基布的珠光涂层产品，发现除了黄色珠光涂层织物外，其他颜色基布的
    珠光涂层织物抗紫外线性能均不高，因此，提高珠光涂层产品的抗紫外线性能将是研究的重点。
    2．4 抗紫外剂与涂层剂的分散稳定性
    为了提高珠光涂层产品和部分涂银产品的抗紫外线性能，选择常规抗紫外剂（微米级粉体）、纳米
    外屏蔽剂D、纳米紫外屏蔽剂M与珠光涂层剂或银浆涂层剂复合后进行涂层整理。
    为了解决纳米抗紫外剂粉体在后整理中的二次团聚和分散稳定性问题，对选定的纳米紫外屏蔽剂
    进行改性处理。将3种抗紫外材料分别加入有机溶剂中，用高剪切混合乳化机高速打浆分散，结果发现三者在所用有机溶剂中都能很快且均匀地分散（所选用的2种纳米紫外屏蔽剂在水相体系中容易二次团聚），zui后呈稳定乳状液，因此，所选紫外屏蔽剂 （10%）与有机溶剂具有良好的相容性。化好的乳状液用保鲜膜封l21（以防溶剂挥发），静置观察稳定性，结果见表2。
    由表2知，3种紫外屏蔽剂在有机溶剂中的分散稳定性很好，即使出现少量沉淀，经搅拌后也能很快地再次分散，完满足大生产要求。
    2．5 抗紫外涂层整理
    试验发现，把预先分散均匀的紫外屏蔽剂乳液与分散均匀的珠光浆或银浆混合均匀后，加入PU涂层胶或PA涂层胶中，经高速搅拌后能均匀分散，可直接用涂布器在织物表面涂层，经热处理后在织物表面形成一层薄膜，获得具有抗紫外线功能的防水涂层织物。
    2．5．1 不同抗紫外材料对抗紫外线的影响
    为了解不同抗紫外材料添加到涂层剂中进行涂层整理后织物的抗紫外线功能，分别把3种紫外屏蔽剂用有机溶剂分散均匀后，加入PU涂层胶中，在17．4 rex白色基布（已预*行拒水和底涂）上进行涂层整理（涂浆量10 9／m2），其紫外线透过率见图4。
    由图4可见，3种紫外屏蔽剂在用量相同（对涂层胶质量2%）的情况下，纳米紫外屏蔽剂M的紫外屏蔽能力在整个紫外波段均为zui强;在200～340 nm区域，纳米紫外屏蔽剂D也表现出较强的屏蔽能力，而在340～400 nm区域，常规微米级抗紫外粉比纳米紫外屏蔽剂D有更强的屏蔽能力。
    总体上纳米级紫外屏蔽剂显示出更高的防紫外线效果，纳米紫外屏蔽剂M的防紫外线效果比纳米紫外屏蔽剂D更优异。而在340～400 nm波长范围内，常规微米级抗紫外粉体表现出比纳米紫外屏蔽剂D更强的屏蔽能力，主要由于常规微米级抗紫外粉是各种金属氧化物的混合物，相互之间可以取长补短，但从涂层织物的外观和手感来比较，常规微米级抗紫外粉涂层织物色泽发黄，手感比较粗糙。综上所述，生产的抗紫外涂层产品，关键要选好纳米紫外屏蔽剂。
    2．5．2 抗紫外材料用量对抗紫外线性能的影响
    为确定纳米紫外屏蔽剂的用量，选择纳米紫外屏蔽剂M用量进行试验，在1 7．4 rex白色基布（预*行拒水和底涂）上进行涂层整理（涂浆量10 g／m2），结果见图5。
    由图S可见，随紫外屏蔽剂M用量的增加，涂层织物的紫外屏蔽能力增强。要使白色涂层织物获得在UVA波段低于5%的平均透过率，纳米紫外屏蔽剂M的用量需在2%～4%。
    2．5．3抗紫外效果的耐洗性
    涂层织物抗紫外效果的耐水洗性能测试结果见图6。为了提高试验结果的可靠性，试验中用同一
    块试样进行多次水洗，测定其水洗前后的紫外线透过率。
    由图6可见，水洗5次后涂层织物的抗紫外线性能几乎没有变化，表明具有很好的耐洗效果，能满足实际应用的需要。
    2．5．4纳米抗紫外珠光涂层整理
    将紫外屏蔽剂乳液与珠光浆均匀混合，加人PU涂层胶中，经高速搅拌均匀混溶后，在1 7．4 tex
    白色基布上涂层．并对单纯珠光涂层和纳米抗紫外珠光涂层织物进行紫外线透过率测试．结果见图7。
    由图7可知．白色基布珠光涂层织物在UVC区的紫外线透过率很低。表明屏蔽能力很高，但其在UVA、UVB区的紫外屏蔽能力很低。而在10%珠光粉涂层的基础上再加人2≥《纳米紫外屏蔽剂M，或同时加人1%纳米紫外屏蔽剂M和1%纳米紫外屏蔽剂D，均能明显改善其紫外屏蔽能力。
    用黄色基布进行同样的试验，：并按照AATCCl83～1998测试UPF平均值，结果见表3。
    由表3可知，尽管黄色基布珠光涂层产品在UVA、UVB区的UPF平均值已达到28，具有较好的紫外屏蔽能力，而加入2%M和1%M与l%D的纳米珠光涂层产晶的U PF值，则分别达到了58和60，其紫外屏蔽能力按照澳大利亚AS／NZS 4399B标准已达到了优良的级别[3]。由于纳米材料的粒径在纳米尺度，对可见光的折光率很小，因此，在明显提高紫外屏蔽能力的基础上，并不会影响珠光涂层织物的珍珠般光泽。
    2．6 抗紫外珠光涂层织物的其他性能
    对各种抗紫外珠光PU涂层织物（涂浆量10～1 2 g／m2）的防水性、强度、硬挺度、色牢度等进行测试，结果见表4、5。
    表4列示的涂层织物的耐静水压均在11 760 Pa以上，表面抗湿性在80。以上，断裂强力有所下降，但强度保留率几乎都在90%以上。抗弯长度反映的是织物的硬挺性，抗弯长度值越大，织物刚性越大，即柔软性越小。表4结果表明，涂层后织物柔软性均下降，但纳米抗紫外珠光PU涂层织物比常规抗紫外粉珠光PU涂层织物的手感更柔软。
    由表5知，几种有色涂层产品的水洗色牢度和日晒色牢度都很高，完满足用户的要求。 ‘
    2．7 抗紫外珠光涂层织物的大生产
    根据试验结果及生产实际条件，制订了大生产工艺。基本工艺流程为：翻布缝头一拒水整理一轧
    光整理一底涂一功能涂层整理一后拒水整理一成品。
    不同功能涂层整理产品的工艺配方如下：
    1） 纳米抗紫外透明涂层防水织物：
    PU胶 ;
    纳米紫外屏蔽剂M 2%;
    抗黏剂 适量;
    架桥剂 适量;
    溶剂 适量。
    2） 纳米抗紫外珠光涂层防水织物：
    PU胶 ;
    珠光粉 10%～l5%;
    纳米紫外屏蔽剂M 2%;
    抗黏剂 适量;
    架桥剂 适量;
    溶剂 适量。
    3） 纳米抗紫外银浆涂层防水织物：
    PU胶 ;
    银浆 l0%～l 5%;
    纳米紫外屏蔽剂M l%;
    抗黏剂 适量;
    架桥剂 适量;
    溶剂 适量。
    涂层工艺中通过调整设备上的刮刀角度、织物张力、刀布间距以及涂布速度等，以保证涂层厚度均匀一致，且调节后要保持恒定。
    生产的纳米抗紫外防水涂层织物，均达到或超过以下技术指标：抗渗水性（静水压法）达9 800 Pa以上;纳米抗紫外透明涂层防水织物UPF值≥30;纳米抗紫外珠光涂层防水织物UPF值≥50;纳米抗
    紫外银浆涂层防水织物UPF值≥50。耐日晒色牢度≥6级，耐洗色牢度变色≥4级，沾色≥4级，织物强力保留率≥90%。
    3 结 论
    1）通过研究各种涂层剂的防水性能和纳米材料的抗紫外性能，纳米抗紫外整理剂与溶剂、PU涂层剂／PA涂层剂以及珠光粉、银浆等配套助剂的相容性，开发了性能优异的纳米抗紫外整理剂，确立了适用于涂层大生产的纳米抗紫外防水涂层织物的整套生产工艺技术，生产了系列纳米抗紫外防水涂层新产品。
    2）在珠光涂层浆中添加2%纳米抗紫外整理剂M，能显著提高珠光涂层产品的抗紫外性能，解决了常规珠光涂层产品紫外屏蔽能力较低的问题。
    3）生产实践表明，纳米抗紫外防水涂层系列织物的手感滑爽、柔软，水洗色牢度和日晒色牢度高，抗渗水性（静水压法）均在9 800 Pa以上，紫外防护因数UPF值均达到30以上。