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紫外线吸收剂的分类与优缺点


    紫外线即波长处于紫外线区内(180~400 nm) 的光线,依据波长范围,可分为 UVC、UVB、UVA 3 个波段。紫外线的波长不同,对人体皮肤的伤害 也不一样,具体见表 1

表 1 紫外光的分类及其对人体皮肤的伤害 

波段名称 波长范围/nm 对皮肤的影响
超短紫外线 UV-C 180~290 能被臭氧层或云雾层大量吸收,到达地面的量非常少,对人体几乎无影响
远紫外线 UV-B 290~320 主要对表皮层起作用,能引起表皮层毛细血管扩张,导致皮肤发红、起水疱以及色素沉积,严重时可诱发皮肤癌
近紫外线 UV-A 320~400 可触及真皮层,引起皮蛋白纤维不可逆变性,使其丧失弹性,导致皮肤松弛。与 UVB 段光波共同作用,能加重 对皮肤的伤害强度,增加黑色素沉积,加速皮肤老化

    鉴于紫外光对人体的危害性,以及对高分子材料的老化破坏,防紫外线辐射越来越受到人们的关注。

(1)防紫外线方法

1.1物理方法

    增加产品最外层保护膜(涂层)的颜色、厚度、紧密度,降低单位面积可见光透过的孔隙,屏蔽或减少紫外线透过率;

    改良产品涂膜保护层结构,保护层加入纳米级金属颗粒,反射部分紫外光线;

    显而易见,单纯依靠物理方法来提高产品的抗紫外线性能,将无法满足人们的需求。特别在外观要求高以及低成本加工生产方面,物理方法由于成本高、加工复杂等原因,已渐渐被人们所摒弃。

1.2化学方法

    所谓化学方法,即在产品合成或加工固化过程中,通过添加能够吸收或屏蔽紫外光线的化学物质来赋予产品抗紫外线功能的方法。通常加工过程使用的抗紫外线物质,亦称为抗紫外线整理剂,主要包括紫外线屏蔽剂、紫外线吸收剂、 光电子猝灭剂。 光屏蔽剂以遮挡、反射高能量紫外光为目的,一般有炭黑、氧化锌、二氧化钛、铁红、铁黄、铬绿、 红丹以及有机颜料钛菁蓝、钛菁绿、蒽醌蓝等。 紫外线吸收剂的作用是吸收高能量紫外光,并使之转化为荧光、磷光或热能形式释放出去。    

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式中,UV表示紫外光吸收剂,hγ表示高能量紫外线,UV*表示吸收了光能的紫外线吸收剂,hγf为荧光,hγp为磷光,Eh为热能。 光电子猝灭剂则能将激发态能量迅速转移,并使激发态以非辐射形式返回基态。 

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式中,P 为光能剂,*表示激发态,E 为能量。

其中理想的紫外线吸收剂应具备下列主要条件:

    即对波长处于280~400nm的UV-A、UV-B 紫外光有良好稳定的吸收作用;

    无毒或低毒,安全性高,对皮肤无刺激作用,不引起人体过敏反应;

    符合生态环保要求,可生物降解,整理剂废液中有机卤化物(AOX)与化学需氧量(COD)较低;

    产品质量稳定、应用性能优异,与其他化学助剂相容性好。

(2)紫外线吸收剂及其发展

    紫外线吸收剂按照种类分,主要有水杨酸酯类、二苯甲酮类、苯并三唑类、取代三嗪类以及取代丙烯腈类。

    水杨酸酯类使用得较早,因其稳定性较差而在应用方面有所局限;取代三嗪与取代丙烯腈类用于高聚物的光稳定剂较多;目前最有发展前景的当属二苯甲酮类及苯并三唑类。这两者因其自身有效吸收波长范围广、相容性好等优点在工业领域应用很广泛,目前正尝试将其化学结合入高分子骨架以避免它自身的某些缺点,有着相当广泛的应用前景。

2.1水杨酸酯及其衍生物

    水杨酸酯及其衍生物,是聚合物加工和织物后整理过程中应用最早的一类 紫外线吸收剂,可用于聚乙烯、聚丙烯、聚氧乙烯、 聚酰胺等纤维及其塑料薄膜产品,有效吸收波长范围为290~320 nm。代表性化合物有水杨酸苯酯、 水杨酸对叔丁基苯酯等。产品优点为低毒,凝固点低,有紫外线吸收与消毒防腐作用;缺点是升华性强,光稳定性能较差,对紫外线的吸收波长范围较窄,因而应用方面具有局限性。

    其中原料酚不同,产物水杨酸(苯)酯对各紫外线的吸收效率会不一样。增加水杨酸(苯)酯分子体系的共轭程度,有利于其吸收波长红移。例 如,用水杨酰氯与双酚A反应制得的水杨酸双酚A酯,最大吸收波长已红移至 350~360nm。

2.2二苯甲酮及其衍生物

    二苯甲酮及其衍生物是目前工业领域应用最广 泛的紫外线吸收剂之一,可用于纤维素、聚酯、 聚酰胺、聚丙烯纤维及其塑料等加工,有效吸收波长范围为 280~340 nm。

    二苯甲酮及其衍生物不溶于水,易溶于甲醇、乙 醇等有机溶剂,这一特性使其与油溶性材料或高分子 材料的物理兼容性较好,故可用于塑料、油墨、化妆品、防晒剂等配方中。

2.3苯并三唑及其衍生物

    苯并三唑及其衍生物是目前工业领域应用较多的一类紫外吸收剂,有效波长范围为 300~400 nm。

    苯并三唑类紫外吸收剂的特点是毒性小,与树 脂的相容性好,可用作包装食品的聚乙烯、聚丙烯 以及聚丁烯、聚苯乙烯、聚氨酯、环氧树脂及涂料、 染料、颜料等的光稳定剂,故在纺织、塑料、汽车 涂料等方面有广泛应用。

2.4取代三嗪及其衍生物

    取代三嗪类紫外线吸收剂,即分子中含有均三嗪结构的一类化合物。它的有效吸收波长范围为 280~380 nm,吸收能力较苯并三唑强。在三嗪衍生物中取代苯环上的羟基与三嗪环上的氮原子存在分子内键的键合与断开反应,从而转化紫外能量,使此类化合物具备吸收紫外线能量的功能而被用作紫外线吸收剂。因此,这类化合物吸收紫外线效果与邻羟基的个数有关,邻羟基个数越多,吸收紫外线的能力越强,引入不同取代基,能降低均三嗪环的碱性,因此可改善此类化合物的耐光坚牢性及其与树脂的相容性。它的缺点是与高聚物的相容性差,使用过程中易导致整理的织物着色。

2.5取代丙烯腈及其衍生物

    取代丙烯腈及其衍生物,此类紫外线吸收剂虽然仅能吸收 310~320 nm的紫外线,但因其不含酚式羟基,故具有良好的化学稳定性和与高聚物的相容性。适用于聚氯乙烯、 缩醛树脂、聚烯烃、环氧树脂、聚酰胺、丙烯酸树脂、聚氨酯、脲醛树脂和硝酸纤维素等的加工,尤其适用于聚氯乙烯制品,用量一般为 0.01%~0.5%。 耐碱性好,溶于甲苯、甲乙酮、乙酸乙酯等,微溶 于乙醇、甲醇,不溶于水。


抗紫外线整理剂由于巨大的市场需求,将会进一步发展,而关于复配的研究也会因其良好的前景而不断地深入下去。