基于纳米技术的防紫外线功能性面料开发与耐久性测试 一、引言 随着全球气候变化和臭氧层空洞问题的加剧，太阳紫外线（UV）辐射对人类皮肤健康构成日益严重的威胁。长期暴露在高强度紫外线下可能导致皮...
基于纳米技术的防紫外线功能性面料开发与耐久性测试
一、引言
随着全球气候变化和臭氧层空洞问题的加剧，太阳紫外线（UV）辐射对人类皮肤健康构成日益严重的威胁。长期暴露在高强度紫外线下可能导致皮肤晒伤、光老化甚至皮肤癌。据世界卫生组织（WHO）统计，每年全球有超过200万人被诊断为非黑色素瘤皮肤癌，其中约6万人死于恶性黑色素瘤。因此，开发具有高效防紫外线功能的纺织品已成为功能性服装领域的重要研究方向。
近年来，纳米技术的迅猛发展为提升纺织品的防紫外线性能提供了全新路径。通过将纳米材料如二氧化钛（TiO₂）、氧化锌（ZnO）、碳纳米管等引入纤维或织物表面，可显著增强其对UVA（320–400 nm）和UVB（280–320 nm）波段的屏蔽能力。相较于传统化学防晒剂，纳米材料具备稳定性高、耐洗性强、无毒副作用等优势，尤其适用于户外运动服、儿童服装、遮阳伞等产品。
本文系统阐述基于纳米技术的防紫外线功能性面料的研发流程、关键工艺参数、性能评估方法及耐久性测试体系，并结合国内外权威研究成果，深入分析不同纳米材料的应用效果与产业化前景。
二、防紫外线机理与评价标准
2.1 紫外线分类及其生物学效应
根据国际照明委员会（CIE）定义，太阳紫外线按波长可分为三个区域：
| 波段 | 波长范围（nm） | 到达地表比例 | 生物学影响 |
|---|---|---|---|
| UVC | 100–280 | <1%（被臭氧层吸收） | 强杀菌作用，但几乎不接触人体 |
| UVB | 280–320 | 约5% | 导致皮肤红斑、晒伤、DNA损伤 |
| UVA | 320–400 | 约95% | 引起皮肤老化、色素沉着、间接致癌 |
资料来源：CIE Standard ISO 17166:2019 / WHO Ultraviolet Radiation Fact Sheet
2.2 防紫外线作用机制
纳米材料主要通过以下三种方式实现紫外线防护：
- 反射与散射：高折射率的纳米颗粒（如ZnO、TiO₂）能有效散射入射紫外线；
- 吸收转化：部分纳米材料可吸收紫外光并将其转化为热能释放；
- 协同屏蔽：多组分复合纳米结构形成致密屏障，阻止紫外线穿透。
研究表明，粒径在20–50 nm之间的ZnO和TiO₂对UVA和UVB均有优异的宽谱吸收能力（Zhang et al., ACS Nano, 2020）。
2.3 防护性能评价指标
国际通用的防紫外线性能测试标准包括：
- UPF值（Ultraviolet Protection Factor）：衡量织物阻挡紫外线的能力，UPF ≥ 40为“优秀”，≥50+为“极佳”。
- T(UVA)AV 和 T(UVB)AV：分别表示平均透过率，越低越好。
- 紫外线屏蔽率：计算公式为 (1 – 透射率) × 100%，理想值应大于95%。
中国国家标准GB/T 18830-2009《纺织品 防紫外线性能的评定》规定，UPF > 40且UVA透过率 < 5%方可标称为“防紫外线产品”。
三、纳米材料的选择与特性对比
目前应用于防紫外线面料的主要纳米材料包括金属氧化物、半导体材料及碳基纳米材料。下表列出了常见纳米添加剂的关键物理化学参数：
| 材料名称 | 化学式 | 禁带宽度（eV） | 佳粒径（nm） | UV吸收范围（nm） | 安全性评级 | 光催化活性 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 纳米氧化锌 | ZnO | 3.37 | 20–40 | 240–380 | 高（FDA批准） | 中等 |
| 纳米二氧化钛 | TiO₂（锐钛矿） | 3.2 | 10–30 | 200–380 | 高 | 强（需改性抑制） |
| 氮化硼纳米片 | h-BN | ~6.0 | 50–100 | 200–300 | 极高 | 无 |
| 碳量子点 | C-dots | 可调（2.5–4.0） | 2–10 | 250–400 | 高 | 低 |
| 银掺杂二氧化钛 | Ag-TiO₂ | 2.8–3.0 | 15–25 | 200–400 | 中（银离子释放风险） | 抑制后降低 |
注：禁带宽度决定材料对紫外光的响应能力；光催化活性过高可能导致织物降解
美国北卡罗来纳州立大学的研究团队发现，经硅烷偶联剂修饰的ZnO纳米粒子在棉织物上的附着力提升47%，且UPF值稳定维持在60以上（Li et al., Textile Research Journal, 2021）。而日本京都大学采用溶胶-凝胶法将TiO₂嵌入聚酯纤维内部，实现了长达50次洗涤后UPF仍保持58的优异表现（Sato & Tanaka, Fibers and Polymers, 2019）。
四、防紫外线功能性面料的制备工艺
4.1 纳米整理剂的制备
（1）水相分散体系构建
为避免纳米颗粒团聚，通常采用表面改性+超声分散工艺。典型配方如下：
| 成分 | 含量（wt%） | 功能说明 |
|---|---|---|
| 纳米ZnO | 3.0 | 主要紫外线吸收剂 |
| 聚丙烯酸钠 | 1.5 | 分散稳定剂 |
| 乙醇 | 10.0 | 助溶剂 |
| 去离子水 | 余量 | 溶剂介质 |
| KH-550硅烷偶联剂 | 0.8 | 提高与纤维结合力 |
该体系经高速剪切乳化（8000 rpm，15 min）和超声处理（功率300 W，时间30 min）后，Zeta电位可达-38 mV，表明胶体稳定性良好（数据来自东华大学材料学院实验报告，2022）。
4.2 织物加工技术路线
目前主流加工方法包括：
| 工艺类型 | 适用纤维 | 工艺流程 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|---|
| 浸轧-烘干-焙烘法 | 棉、涤棉混纺 | 浸渍→二浸二轧→预烘（100℃）→焙烘（160℃×90s） | 工艺成熟，适合大规模生产 | 高温可能损伤天然纤维 |
| 原液着色纺丝法 | 聚酯、尼龙 | 将纳米母粒加入熔融纺丝原料中 | 耐久性极佳，颜色均匀 | 设备投入大，灵活性差 |
| 层层自组装（LBL） | 多种纤维 | 交替沉积阳离子/阴离子纳米层 | 精确控制厚度，环保 | 效率低，成本高 |
| 等离子体辅助接枝 | 涤纶、锦纶 | 先等离子活化，再接枝纳米复合物 | 表面结合牢固，不影响手感 | 需专用设备 |
清华大学化工系开发的低温等离子体接枝工艺，在仅80℃条件下即可实现ZnO纳米颗粒在涤纶表面的共价键合，经50次ISO标准洗涤后UPF值从初始62降至57，衰减率不足8%（Wang et al., Plasma Processes and Polymers, 2023）。
五、产品性能测试与数据分析
5.1 实验样品设计
选取市售纯棉平纹布（20×20，120 g/m²）作为基材，分别采用四种工艺制备防紫外线面料，编号如下：
| 样品编号 | 处理方式 | 纳米材料负载量（g/m²） | 工艺温度（℃） |
|---|---|---|---|
| A0 | 未处理（对照） | 0 | — |
| A1 | 浸轧焙烘法（ZnO） | 2.1 | 160 |
| A2 | 原液纺丝法（TiO₂/涤纶） | 3.0 | 280（纺丝温度） |
| A3 | LBL自组装（ZnO/h-BN双层） | 1.8 | 室温 |
| A4 | 等离子体接枝（Ag-ZnO） | 2.3 | 80 |
所有样品均按照GB/T 18830-2009进行紫外线透过率测试，仪器采用英国Labsphere UV-2000S防紫外线测试仪。
5.2 初始性能对比
| 样品 | UPF值 | T(UVA)AV (%) | T(UVB)AV (%) | 紫外线屏蔽率（整体） | 手感等级（1–5，5为柔软） |
|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
结果显示，A3和A4样品因采用多层结构或表面锚定技术，表现出优的紫外线阻隔性能。A1虽UPF达标，但手感略有下降，可能与高温焙烘导致纤维硬化有关。
六、耐久性测试体系构建
为评估实际使用中的性能稳定性，参考AATCC TM135（家庭洗涤尺寸稳定性）、ISO 6330（纺织品洗涤程序）及GB/T 3923.1（断裂强力测试），建立综合耐久性评价方案。
6.1 洗涤耐久性实验
模拟家用洗衣机条件，设定：
- 洗涤剂：无磷标准皂片（5 g/L）
- 温度：40 ± 2℃
- 时间：每轮45分钟
- 转速：400 rpm
- 漂洗次数：3次
- 干燥方式：悬挂晾干
每完成10次洗涤循环后检测UPF值变化趋势：
| 洗涤次数 | 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 |
可见，原液纺丝法（A2）和等离子体接枝法（A4）样品在50次洗涤后仍保持UPF > 60，远优于传统整理法（A1）。这归因于纳米材料内嵌或化学键合的方式更耐机械摩擦。
6.2 光照老化测试
采用Q-Lab公司QUV accelerated weathering tester，设置：
- UV-A灯管（340 nm）
- 辐照强度：0.89 W/m²@340nm
- 黑板温度：63±3℃
- 冷凝周期：4小时光照 + 4小时冷凝
累计照射72小时后性能变化：
| 样品 | 初始UPF | 老化后UPF | 下降率（%） | 是否出现黄变 |
|---|---|---|---|---|
| A1 | 52 | 46 | 11.5 | 是（轻微） |
| A2 | 65 | 63 | 3.1 | 否 |
| A3 | 70 | 68 | 2.9 | 否 |
| A4 | 68 | 66 | 2.9 | 否 |
TiO₂类材料若未经改性易发生光催化自降解，但在本实验中由于采用了Al₂O₃包覆处理，有效抑制了自由基生成，提升了抗老化能力。
6.3 摩擦牢度与力学性能
依据GB/T 3920测定干湿摩擦牢度，并测试经纬向断裂强力：
| 样品 | 干摩擦牢度（级） | 湿摩擦牢度（级） | 经向强力（N） | 纬向强力（N） | 强力保留率（%） |
|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
数据显示，除A1外其余样品均保持较高摩擦牢度和力学完整性，说明先进加工技术可在不影响织物基本性能的前提下赋予其持久功能性。
七、产业化应用与市场前景
7.1 应用场景拓展
基于纳米防紫外线面料的独特优势，已在多个领域实现商业化应用：
| 应用领域 | 代表产品 | 功能需求 | 主要技术路线 |
|---|---|---|---|
| 户外运动服饰 | 登山服、骑行服 | 高UPF、透气、轻量化 | 原液纺丝+微孔膜复合 |
| 儿童服装 | 婴幼儿连体衣、遮阳帽 | 安全无毒、耐洗 | ZnO水性涂层 |
| 军用装备 | 野战帐篷、伪装网 | 防红外探测+防紫外线 | 多功能纳米复合涂层 |
| 汽车内饰 | 车顶衬里、座椅套 | 抗老化、低VOC | 等离子体接枝 |
| 医疗防护 | 手术遮蔽巾、康复服 | 抗菌+防UV | Ag-ZnO协同体系 |
安踏体育于2022年推出的“A-UV Shield”系列跑步服，采用自主研发的纳米氧化锌分散技术，经SGS检测UPF达80+，并通过OEKO-TEX® STANDARD 100认证，广受消费者好评。
7.2 成本效益分析
尽管纳米整理会增加制造成本，但其带来的附加值显著。以年产100万米防紫外线涤纶面料为例：
| 项目 | 传统整理 | 纳米功能整理 | 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% |
| 销售单价（元/米） | 32.0 | 48.0 | +50.0% |
| 毛利率 | 22.8% | 41.5% | ↑18.7个百分点 |
数据表明，虽然加工成本有所上升，但由于产品定位高端，市场溢价能力强，整体盈利能力大幅提升。
八、挑战与发展方向
尽管纳米防紫外线面料展现出广阔前景，但仍面临若干技术瓶颈：
- 长期生物安全性争议：部分研究指出，脱落的纳米颗粒可能通过皮肤渗透进入体内（Oberdörster et al., Environmental Health Perspectives, 2005），需进一步开展毒理学评估；
- 环境可持续性问题：纳米材料回收困难，存在潜在生态风险，亟需发展可降解载体系统；
- 规模化生产的均匀性控制：特别是在浸轧工艺中，如何保证大面积织物上纳米分布一致性仍是难题；
- 多功能集成难度大：同时实现防水、抗菌、导湿排汗与防紫外线等功能，对配方设计提出更高要求。
未来研究方向应聚焦于：
- 开发绿色合成工艺，如植物提取物还原法制备纳米粒子；
- 构建智能响应型涂层，实现“阳光强则屏蔽强”的动态调节；
- 推动标准化体系建设，统一测试方法与安全阈值；
- 加强跨学科合作，融合材料科学、纺织工程与医学研究。
澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）正在研发一种基于DNA模板的纳米ZnO阵列，可在特定波长下自动重构排列密度，有望实现“智能防晒”织物原型（Nature Materials, 2023在线预发表）。
与此同时，中国国家科技部已将“高性能多功能纺织材料”列入“十四五”重点研发计划，支持包括纳米防紫外线在内的多项核心技术攻关，预计到2025年相关市场规模将突破千亿元人民币。
