防紫外線滌綸織物的編織結構優化對紫外線屏蔽率的影響研究 概述 隨著全球臭氧層持續變薄，太陽紫外線（UV）輻射強度逐年增強，長期暴露於高強度紫外線環境下，不僅會加速皮膚老化，還可能誘發皮膚癌、...
防紫外線滌綸織物的編織結構優化對紫外線屏蔽率的影響研究
概述
隨著全球臭氧層持續變薄，太陽紫外線（UV）輻射強度逐年增強，長期暴露於高強度紫外線環境下，不僅會加速皮膚老化，還可能誘發皮膚癌、白內障等健康問題。因此，開發具有高效紫外線防護功能的紡織品成為當前功能性紡織材料研究的重要方向之一。在眾多纖維材料中，滌綸（聚酯纖維，Polyester）因其優異的機械性能、良好的化學穩定性以及成本低廉等優勢，被廣泛應用於戶外服裝、遮陽傘、帳篷及防護工裝等領域。
然而，普通滌綸織物本身對紫外線的屏蔽能力有限，尤其是在UVA（320–400 nm）和UVB（280–320 nm）波段穿透性強。為提升其防紫外線性能，研究人員通過調整織物的編織結構參數，如經緯密度、組織結構、紗線細度、緊度等，探索其對紫外線屏蔽率（UPF值）的影響規律。本文係統分析不同編織結構下滌綸織物的紫外線防護性能，結合國內外權威研究成果，探討結構優化路徑，並提供具體產品參數與實驗數據支持。
1. 紫外線屏蔽的基本原理
1.1 紫外線分類與危害
根據國際照明委員會（CIE）標準，太陽紫外線按波長可分為三類：
| 波段 | 波長範圍（nm） | 特性與影響 |
|---|---|---|
| UVA | 320–400 | 穿透力強，可達真皮層，導致皮膚老化、色素沉著 |
| UVB | 280–320 | 主要作用於表皮層，引起曬傷、紅斑，與皮膚癌密切相關 |
| UVC | 100–280 | 幾乎被大氣層完全吸收，地麵無自然輻射 |
其中，UVA和UVB是紡織品防護的主要對象。
1.2 織物紫外線屏蔽機製
織物對紫外線的屏蔽主要依賴以下三種物理機製：
- 反射：表麵光滑或含有高折射率物質的纖維可將部分紫外線反射。
- 吸收：纖維內部或添加的助劑（如TiO₂、ZnO）吸收紫外光並轉化為熱能。
- 散射與阻擋：織物結構致密時，孔隙減少，光線難以穿透。
研究表明，織物結構參數對紫外線透過率的影響占比可達60%以上（Li et al., 2018），遠高於染料或後整理助劑的作用。
2. 滌綸織物的防紫外線性能評價指標
國際通用的防紫外線性能評價標準主要包括：
- UPF（Ultraviolet Protection Factor）：紫外線防護係數，表示皮膚在織物遮蓋下的暴露時間與無遮蓋下的暴露時間之比。UPF值越高，防護效果越好。
- UVA/UVB透過率：分別測定在UVA和UVB波段的平均透過率，通常要求低於5%。
- 光譜透過率曲線：通過紫外-可見分光光度計測量織物在280–400 nm波段的全波段透過率。
依據澳大利亞/新西蘭標準AS/NZS 4399:2017，UPF等級劃分如下：
| UPF值 | 防護等級 | 紫外線透過率（%） |
|---|---|---|
| 15–24 | 良好 | 6.7–4.2 |
| 25–39 | 很好 | 4.1–2.6 |
| 40–50+ | 極佳 | ≤2.5 |
達到UPF 40以上的織物方可稱為“防紫外線織物”。
3. 編織結構對紫外線屏蔽率的影響因素
3.1 組織結構類型
織物的組織結構決定了紗線交織頻率和孔隙分布，直接影響光線的透過路徑。常見的滌綸織物組織包括平紋、斜紋、緞紋及變化組織。
實驗對比數據（基於國內某高校實驗室測試，樣品均為純滌綸，150D/72F FDY）
| 組織結構 | 經緯密度（根/10cm） | 緊度（%） | 厚度（mm） | UPF值 | UVA透過率（%） | UVB透過率（%） |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 平紋 | 480 × 420 | 86.5 | 0.32 | 48 | 2.1 | 1.3 |
| 2/2 斜紋 | 440 × 380 | 78.3 | 0.30 | 35 | 3.8 | 2.5 |
| 緞紋（4/1） | 400 × 360 | 70.1 | 0.28 | 22 | 6.2 | 4.8 |
| 重平組織 | 520 × 460 | 91.2 | 0.35 | 62 | 1.5 | 0.9 |
數據來源：東華大學紡織材料實驗室，2022年
從上表可見，平紋和重平組織因交織點多、結構緊密，UPF值顯著高於斜紋和緞紋。重平組織由於經紗重複浮長較短，覆蓋麵積大，表現出優的紫外線屏蔽性能。
3.2 經緯密度與緊度
經緯密度指單位長度內的經紗和緯紗根數，直接影響織物的覆蓋率和孔隙率。
不同經緯密度對UPF的影響（平紋組織，滌綸DTY 100D/72F）
| 經密（根/10cm） | 緯密（根/10cm） | 總緊度（%） | 孔隙率（%） | UPF值 |
|---|---|---|---|---|
| 360 | 320 | 68.4 | 23.5 | 26 |
| 420 | 380 | 76.1 | 18.2 | 38 |
| 480 | 440 | 84.7 | 12.6 | 52 |
| 540 | 500 | 91.3 | 8.1 | 68 |
注：緊度 = (經向緊度 + 緯向緊度 – 經緯緊度乘積/100)，孔隙率通過圖像分析法測定
研究發現，當總緊度超過80%時，UPF值增長趨於平緩，說明存在“屏蔽飽和效應”。此外，過高的密度會增加織物重量和剛度，影響穿著舒適性。
3.3 紗線細度與撚度
紗線細度以旦尼爾（Denier, D）表示，細度越小，單絲越細，織物越致密。
不同紗線細度對UPF的影響（平紋，經緯密度固定為460×420）
| 紗線規格 | 單絲細度（dtex） | 紗線條幹不勻率（%） | UPF值 |
|---|---|---|---|
| 75D/72F | 1.04 | 2.1 | 50 |
| 100D/96F | 1.04 | 2.3 | 48 |
| 150D/144F | 1.04 | 2.5 | 45 |
| 75D/36F（低F數） | 2.08 | 3.6 | 38 |
數據來源：浙江理工大學《紡織學報》2021年第4期
結果顯示，在相同旦數下，F數（單絲根數）越高，即單絲越細，織物表麵更均勻，孔隙更小，UPF值更高。而粗旦低F數紗線因表麵粗糙、間隙大，防護性能下降明顯。
撚度方麵，適度加撚可提高紗線強力和織物緊密度，但過高撚度會導致紗線收縮，織物變硬。實驗表明，滌綸長絲撚度控製在100–150撚/米範圍內較為理想。
3.4 織物厚度與克重
厚度和克重反映織物的體密度，直接影響光線穿透能力。
不同克重滌綸織物的UPF表現（平紋，密度460×420）
| 克重（g/m²） | 厚度（mm） | 透氣量（mm/s） | UPF值 |
|---|---|---|---|
| 90 | 0.26 | 185 | 36 |
| 110 | 0.30 | 152 | 44 |
| 130 | 0.34 | 120 | 52 |
| 150 | 0.38 | 95 | 58 |
測試條件：ASTM D737標準，壓差125Pa
可見，克重每增加20 g/m²，UPF值約提升6–8個單位。但克重超過140 g/m²後，透氣性顯著下降，不利於夏季穿著。
4. 複合結構與多層編織優化
為進一步提升防護性能，研究人員嚐試采用雙層組織、起絨結構、複合編織等技術。
4.1 雙層組織織物
雙層組織通過上下層紗線連接形成空氣層，既增加厚度又減少直接透光路徑。
| 結構類型 | 克重（g/m²） | 厚度（mm） | UPF值 | 透氣量（mm/s） |
|---|---|---|---|---|
| 單層平紋 | 120 | 0.32 | 48 | 135 |
| 雙層平紋 | 180 | 0.58 | 85 | 68 |
| 雙層+起絨麵 | 210 | 0.72 | 105 | 45 |
雙層結構使UPF值提升近一倍，但犧牲了透氣性和輕量化特性，適用於專業防護服或遮陽篷布。
4.2 緊密紡+賽絡菲爾（Sirofil）複合紗編織
采用賽絡菲爾技術將滌綸長絲與短纖包纏，形成“芯鞘結構”，在保證強度的同時提升覆蓋密度。
| 紗線類型 | 結構特點 | UPF值（相同組織下） |
|---|---|---|
| 普通FDY長絲 | 表麵光滑，間隙明顯 | 42 |
| DTY膨體絲 | 彈性好，蓬鬆度高 | 46 |
| Sirofil複合紗 | 表麵毛羽多，覆蓋性好 | 58 |
Sirofil紗因表麵形成微細纖維網絡，有效散射和阻擋紫外線，成為高端防曬麵料的新選擇（Wang et al., 2020）。
5. 國內外研究進展與典型產品案例
5.1 國內研究動態
中國在功能性紡織品領域發展迅速。東華大學團隊通過三維立體編織技術開發出多孔梯度結構滌綸織物，在保持透氣性的同時實現UPF > 80（Zhang et al., 2023）。江蘇陽光集團推出“CoolShield”係列防紫外線西裝麵料，采用高密度平紋+納米TiO₂共混纖維，UPF達120，已通過OEKO-TEX® STANDARD 100認證。
5.2 國際先進成果
日本帝人（Teijin）公司開發的"MECOREN® UV-Cut" 滌綸纖維，通過分子結構改性引入苯環共軛體係，增強對UVB的吸收能力，無需後整理即可達到UPF 50+。美國杜邦（DuPont）的COOLMAX® UV Protect 係列采用異形截麵纖維與緊密編織結合，實現散熱與防曬雙重功能。
德國Hohenstein研究所提出“織物結構模擬預測模型”，通過計算機仿真分析經緯交織角度、浮長分布對光路的影響，指導高UPF織物設計（Hohenstein Report, 2021）。
6. 優化設計建議與參數推薦
綜合上述研究，提出以下高紫外線屏蔽滌綸織物的結構優化設計指南：
| 參數類別 | 推薦範圍 | 說明 |
|---|---|---|
| 組織結構 | 平紋、重平、2/2加強斜紋 | 交織點多，孔隙小 |
| 經緯密度 | 經密：460–520根/10cm；緯密：420–480根/10cm | 緊度≥80% |
| 紗線規格 | 75D/72F ~ 100D/96F FDY或DTY | 高F數，細旦化 |
| 撚度 | 100–150撚/米（長絲） | 避免過高導致僵硬 |
| 克重 | 110–140 g/m² | 平衡防護與舒適 |
| 厚度 | 0.30–0.36 mm | 適合日常穿著 |
| 孔隙率 | ≤15% | 圖像分析法測定 |
| UPF目標值 | ≥50 | 達到“極佳”防護等級 |
此外，建議結合功能性助劑整理（如納米氧化鋅塗層）或纖維共混技術（滌綸/棉/氨綸混紡）進一步提升綜合性能。
7. 實際應用與市場前景
目前，防紫外線滌綸織物已廣泛應用於：
- 戶外運動服飾：登山服、騎行服、釣魚服
- 兒童防曬衣：輕薄高UPF，符合GB/T 18830-2009標準
- 汽車內飾：車頂棚、遮陽簾
- 建築用遮陽材料：遮陽篷、戶外帳篷
據中國產業調研網數據顯示，2023年中國防紫外線紡織品市場規模已達280億元人民幣，年增長率超過12%。隨著消費者健康意識提升和國家標準完善（如GB/T 18830-2019修訂版），高UPF滌綸織物市場需求將持續擴大。
未來發展趨勢包括：
- 智能化設計：結合傳感器監測紫外線強度，動態調節織物透光率；
- 綠色環保化：采用生物基滌綸（如PEF）與無氟防水整理協同；
- 多功能集成：集防曬、涼感、抗菌、抗靜電於一體。
8. 實驗方法與測試標準
為確保研究數據可靠性，需遵循標準化測試流程：
8.1 樣品製備
- 纖維原料：國產儀征化纖滌綸POY 100D/96F，經高溫拉伸加撚成FDY。
- 織造設備：豐田Loom TEXMAXX電子多臂劍杆織機。
- 工藝參數：上機張力280 cN，車速550 rpm，溫濕度控製（溫度22±2℃，相對濕度65±5%）。
8.2 性能測試
| 測試項目 | 標準方法 | 設備型號 |
|---|---|---|
| UPF值測定 | AS/NZS 4399:2017 | Labsphere UV-2000F |
| 光譜透過率 | ISO 13758-1:2001 | Shimadzu UV-2600 |
| 經緯密度 | GB/T 4668-1995 | 放大鏡（20×）計數法 |
| 厚度 | GB/T 3820-1997 | YG(B)026D電子織物測厚儀 |
| 克重 | GB/T 4669-2008 | 電子天平（精度0.001g） |
| 透氣性 | ASTM D737-2018 | SDL Atlas透氣儀 |
所有樣品均經預調濕處理（24小時，標準大氣），每組測試5次取平均值。
9. 結論性分析（非結語）
通過對防紫外線滌綸織物編織結構的係統研究可知，組織結構、經緯密度、紗線細度、緊度及厚度等參數對紫外線屏蔽率具有顯著影響。其中，高密度平紋或重平組織配合細旦高F數紗線，可在不依賴化學整理的前提下實現UPF 50以上的優異防護性能。雙層結構與複合紗技術進一步拓展了高性能防曬織物的設計空間。
值得注意的是，結構優化需兼顧穿著舒適性、透氣性與經濟性，避免過度追求UPF值而導致產品實用性下降。未來應加強多學科交叉研究，融合材料科學、光學模擬與智能製造技術，推動防紫外線滌綸織物向輕質、智能、可持續方向發展。
