織物的抗靜電研究
1.織物的抗靜電研究進展
當(dāng)兩種固體材料接觸和迅速分開時，緊密接觸的兩物體表面互相摩擦而發(fā)生一系列的接觸和分離過程，造成電荷在物體表面間的轉(zhuǎn)移，一種材料具有較大的吸附電子的能力而使電子轉(zhuǎn)移到材料表面上，獲得電子的表面呈現(xiàn)出負電荷，而另一個表面由于失去了電子而帶正電荷，由此產(chǎn)生了靜電現(xiàn)象。
靜電作為一種近場自然危害源，給人類社會已經(jīng)造成了重大損失和危害。1969年底在不到一個月的時間里，由于靜電放電（ESD)引發(fā)荷蘭、挪威、英國三艘20萬噸超級油輪洗艙時相繼發(fā)生爆炸;第一個阿波羅載人宇宙飛船也是由于靜電放電導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸，使三名宇航員喪生。在石油、化工、粉體和炸藥生產(chǎn)、加工的過程中由于ESD火花引發(fā)的惡性事故也時有發(fā)生。
纖維及其制品在生產(chǎn)加工和使用過程中，由于受摩擦、牽伸、壓縮、剝離及電場感應(yīng)和熱風(fēng)干燥等因素的作用而產(chǎn)生靜電。雖然靜電電流很小，不會對人體生命產(chǎn)生威脅，但卻給人們生產(chǎn)加工和服用過程帶來諸多不便。
使用合成纖維制成的床單、毛毯或汽車坐墊時，人們經(jīng)過摩擦后立即接觸金屬門把，就會有一定程度的電擊感。在干燥的氣候條件下，脫去合成纖維的衣服時，會聽到清脆的“劈啪”聲，此時若在暗處，還可以看到電火花。這種放電的電壓很高，而放電量較小，雖然不會帶來直接生命危險，但卻給人們帶來不適和煩惱，也有可能因此而間接地帶來事故?；瘜W(xué)纖維在摩擦條件下易產(chǎn)生靜電，靜電現(xiàn)象比天然纖維嚴重的多。但即使是天然纖維，在冬季和低濕環(huán)境下，纖維及其制品也會產(chǎn)生靜電。
穿著合成纖維服裝受靜電干擾較突出的一種表現(xiàn)是纏貼現(xiàn)象，如女裙因靜電吸引纏繞人腿，在干燥氣候條件下的滌綸女裙，甚至?xí)谷瞬叫欣щy。穿著此類服裝并在周圍存在易燃易爆氣體的環(huán)境中活動時，存在一定的危險性，會引起火災(zāi)和爆炸。服裝帶電后的又一特征是很容易吸附灰塵?；w織物在使用過程擦而帶上靜電，容易吸附空氣中的塵埃。塵土吸附后，還不易掉落。穿著未經(jīng)抗靜電加工的合成纖維服裝，不僅易吸灰沾污，還會沾污與其緊貼穿著的其他服裝，甚至?xí)谷梭w皮膚也迅速受到沾污。
要減小甚或避免靜電的危害就必須采取防靜電的措施，研究這些措施的前提是必須首先了解靜電的產(chǎn)生機理或過程。
2.1.2靜電產(chǎn)生的機理
靜電產(chǎn)生的先決條件是出現(xiàn)電荷聚集，即通常所說的起電。起電的方式或機制有多種，如接觸起電，摩擦起電，變形起電（壓電效應(yīng)）以及光電和熱電效應(yīng)等。由于纖維高聚物為不良導(dǎo)體，故電荷一旦生成，就極易形成靜電。
a接觸起電
兩種物質(zhì)只要接觸，其間并不發(fā)生任何摩擦，由于表面性質(zhì)的不同，當(dāng)兩接觸物分離時，就會產(chǎn)生靜電，而這種形式產(chǎn)生的靜電就稱為接觸起電。接觸起電的關(guān)鍵，在于材料接觸表面電層性質(zhì)的變化，兩種物體相互接觸時，因物質(zhì)表面性質(zhì)不同而誘導(dǎo)取向和界面極化，.在表層產(chǎn)生雙電層排列a此時，表面分子層的電荷和排列與內(nèi)層不同。當(dāng)分離時，某物質(zhì)就將接觸時吸引的電子捕獲而走，形成帶電荷層和極化層。顯然，電荷的形成可能是由極化作用引起的電離和吸附，或由電子的親和力作用引起的電動現(xiàn)象，并在極薄的表層中形成電荷層，與次內(nèi)層有別。
酸性高聚物易于丟失正離子而變?yōu)樨撾姾杀砻?；堿性高聚物則反之。不論接觸物質(zhì)的性質(zhì)如何，其接觸表面狀態(tài)的影響是至關(guān)重要的，一是表面的清潔度，一是表面的平滑性。
b摩擦起電
摩擦起電比接觸起電要復(fù)雜得多，其不僅僅是接觸，還包括擠、壓、拉、磨、剝離、粘附等各種物理機械作用。摩擦過程實際上就是相互摩擦的兩個物體接觸面上不同接觸點之間連續(xù)不斷地進行接觸和分離的過程。接觸面兩側(cè)溫度的非對稱性引起的電荷轉(zhuǎn)移以及摩擦中的質(zhì)量轉(zhuǎn)移引起的生電現(xiàn)象，部分剝離、粘合以及溫度差引起的擴散等，其終止為表面的分離和形變的停止。
纖維摩擦起電的復(fù)雜性，不僅體現(xiàn)在摩擦起電機理的多樣性，而且表現(xiàn)在摩擦作用的多重性，如壓電生電，熱電生電，質(zhì)量轉(zhuǎn)移生電，各種變形生電，使同一材料表面(織物表面）的電荷量和正負電性均會不同。材料表面的形狀也會影響電荷的轉(zhuǎn)移，而且隨著環(huán)境條件、加壓大小、摩擦快慢，帶電量和電性都會發(fā)生較大的變化，因此纖維材料的摩擦起電試驗必須在嚴格的條件下進行和比較。
C壓電起電
在一定壓力作用下，纖維的變形，尤其是晶格的變形會產(chǎn)生帶電現(xiàn)象。而壓力大小的變化，會導(dǎo)致電荷量或感應(yīng)電勢的變化。有人對羊毛做過試驗，隨著壓力的增大，羊毛的微電勢會上升，帶電量增加壓電效應(yīng)在晶體中用得多，如壓電陶瓷片用于電子打火、音響傳感器頭和測量傳感器等等。
d熱電效應(yīng)
加熱可使纖維表面的分子產(chǎn)生強烈的布朗運動和降低纖維表面的功函數(shù)、費米能組以及價帶和禁帶作用。這都會導(dǎo)致電荷的逸出和熱解離子，同時纖維表面的晶格也會發(fā)生變化，產(chǎn)生附加電勢而帶電。Henry認為，兩個接觸面溫度存在差異，或在同樣溫度作用下，因為材料的變形和熱效應(yīng)不同，會導(dǎo)致電荷由高溫區(qū)向低溫區(qū)的擴散，以及由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)的擴散。不過這種情況較多地還是發(fā)生在金屬物質(zhì)上，如各種金屬熱電偶，就是利用溫度變化，引起材料功函數(shù)以及導(dǎo)、價帶能級的變化，產(chǎn)生附加熱電勢而作為材料熱學(xué)量的測量傳感器w。
2.2織物抗靜電的基本原理
根據(jù)靜電產(chǎn)生的機理，紡織材料在生產(chǎn)加工或使用中，發(fā)生了兩個相反的靜電過程，即靜電的產(chǎn)生和散佚。因此，實際的靜電荷水平是這兩個相反過程達到動態(tài)平衡的過程。
.導(dǎo)電纖維的抗靜電機理是使導(dǎo)電纖維間產(chǎn)生電暈放電。電暈放電是一種很緩和的放電現(xiàn)象，當(dāng)靜電壓達到一定數(shù)值后，即產(chǎn)生無火花的電暈放電使靜電消除。
如圖2-1所示，穿著的工作服因磨擦而帶電，帶.電體(工作服)各部分的電力線集中于細的導(dǎo)電纖維(靜電感應(yīng))。這樣，在導(dǎo)電纖維的近旁就形成不均勻的強電場。使導(dǎo)電纖維附近的空氣電離成正負離子對，空氣的絕緣被破壞，發(fā)生電暈放電。根據(jù)電荷“同性相斥，異性相吸”原理，產(chǎn)生的新空氣離子與工作服所帶電荷相反的離子迅速移向帶電工作服，而與帶電工作服所帶電荷相同的離子則向人體移動，人體導(dǎo)向大地，結(jié)果是帶電工作服的電荷被中和。這樣，導(dǎo)電纖維由于帶電工作服本身形成的電場引起自身放電而達到消除靜電的目的。
這種現(xiàn)象通常認為是織物中的導(dǎo)電纖維在靜電場的作用下，使周圍的空氣產(chǎn)生
迅速移向帶電工作服，而與帶電工作服所帶電荷相同的離子則向人體移動，人體導(dǎo)向大地，結(jié)果是帶電工作服的電荷被中和。這樣，導(dǎo)電纖維由于帶電工作服本身形成的電場引起自身放電而達到消除靜電的目的。
這種現(xiàn)象通常認為是織物中的導(dǎo)電纖維在靜電場的作用下，使周圍的空氣產(chǎn)生電離作用而形成正負離子，正負離子中的一種與織物所帶靜電荷相反而中和，另一種則與環(huán)境或大地中和，從而消除靜電B]。
織物抗靜電的基本原理及方法可以概括為：減少靜電的產(chǎn)生；加快靜電的泄漏；造成使靜電能夠中和的條件。
電離作用而形成正負離子，正負離子中的一種與織物所帶靜電荷相反而中和，另一種則與環(huán)境或大地中和，從而消除靜電B]?？椢锟轨o電的基本原理及方法可以概括為：減少靜電的產(chǎn)生；加快靜電的泄漏；造成使靜電能夠中和的條件。
2.3織物抗靜電的方法
2.3.1電荷散佚的途徑
電荷產(chǎn)生的機理前面已經(jīng)做過表述，接觸物質(zhì)分離后將立即形成電場，其具有將轉(zhuǎn)移電荷拉回的作用，但電荷也會采取其他方式散逸。若電荷直接拽回，則不形成為靜電。~旦形成靜電荷，則必須經(jīng)有效的途徑散逸，其散逸方式有以下幾種。
空氣傳導(dǎo)：游離載流子(主要是電子）向外層空間的轉(zhuǎn)移(逸出）；空氣中游離的帶電粒子對纖維材料表面的碰撞彈出和掠過帶走電荷(掠走)；空氣中帶電粒子直接進入材料與纖維帶電粒子的結(jié)合(中和)。
纖維材料表面的傳導(dǎo)：帶電粒子在表面的擴散，表面隧道效應(yīng)以及表面其它區(qū)域中反電性電荷的中和。
向纖維材料內(nèi)部擴散：填補內(nèi)層電荷空穴與中和，向內(nèi)層非帶電或低濃度區(qū)域的擴散，以降低電荷聚集密度，以及誘導(dǎo)產(chǎn)生極化消耗能量。
量子隧道效應(yīng)：當(dāng)分離距離<2.5nm時，電荷穿過該空隙擴散與中和。Harper計算，當(dāng)金屬物體分離距離為2.5™時，電子的量子隧道效應(yīng)即消失。雖然金屬之間的分離能使半數(shù)的電子返回原位[6]，但聚合物與金屬及聚合物之間的量子隧道作用，僅能返回十分之一以下，而離子轉(zhuǎn)移無此現(xiàn)象。‘
誘導(dǎo)極化、壓電、熱電、變形產(chǎn)生的感應(yīng)電勢，通常隨分子的熱運動、變形的恢復(fù)和外界熱機械作用消失而逐漸消失。其消失的快慢程度取決于這些變化的松弛時間，但相對來說，時間很短，尤其是壓電生電過程。
23.2影響織物抗靜電效果的主要因素
a比電阻的影響
由材料上的飽和電量與靜電半衰期的影響因素可以看出，動態(tài)平衡后材料所帶靜電電荷的多少以及靜電衰減的難易快慢程度，直接受到比電阻的影響，因此，材料的比電阻是織物抗靜電設(shè)i十中必須要考慮的一個重要因素。材料的比電阻除了和材料本身的種類有著非常密切的關(guān)系之外，還受到回潮率的影響，而材料的吸濕性能主要取決于材料的自身結(jié)構(gòu)，取決于纖維表面和內(nèi)部的親水基團的多少及排列情況。因此，只要設(shè)法降低材料的比電阻，就能加快靜電荷的泄漏，降低其危害。采用導(dǎo)電纖維嵌織和交織的方法，其終的目的是降低材料的表面電阻，加快電荷的泄漏和中和。根據(jù)經(jīng)驗，其表面電阻率和織物抗靜電性的關(guān)系如表2-1所示。
表2-1表面電阻率lg/^與織物抗靜電性的關(guān)系
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抗靜電性 |
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>13 |
無 |
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12-13 |
低 |
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11-12 |
中等 |
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10-11 |
較好 |
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<10 |
很好 |
b摩擦材料的影響
不同材料摩擦，可以產(chǎn)生不同的結(jié)果。根據(jù)靜電摩擦序列，材料的選擇應(yīng)考慮材料在靜電序列中的位置，達到降低靜電的目的^
C摩擦條件的影響
摩擦次數(shù)、摩擦速度、摩擦力對產(chǎn)生的靜電都有顯著影響，摩擦過程實際上就是相互摩擦的兩個物體接觸面上不同接觸點之間連續(xù)不斷地進行接觸和分離的過程。對于金屬導(dǎo)體來說，只有兩種導(dǎo)體后分離那一瞬間才對靜電起電有作用；對于絕緣體來說，摩擦的整個過程都和靜電起電有關(guān)，如摩擦引起的溫度升高、材料界面凸起部分的斷裂、熱分解、壓電效應(yīng)及熱電效應(yīng)等等，都會改變靜電起電量?？傊?，設(shè)法降低或削弱摩擦條件，一定程度上可以達到抗靜電的目的。
d環(huán)境條件的影響
環(huán)境溫度、濕度的變化都會引起物體表面及其周圍介質(zhì)電導(dǎo)率的變化，從而使物體上所帶電荷通過物體表面和周圍介質(zhì)泄漏的快慢程度發(fā)生變化，影響物體靜電起電的電量。所以，在進行靜電測量時，必須注明測量時的環(huán)境溫度和濕度，否則測量結(jié)果沒有多大實際意義。實驗表明，當(dāng)空氣中相對濕度達到80%以上時，任何物體所帶的靜電電量都很小，當(dāng)空氣中相對濕度低于30%,并且溫度較低時，物體因靜電起電的電量可以很大。
如果物體周圍充滿了氣體介質(zhì)，則氣體介質(zhì)的組分、氣壓、風(fēng)速等因素也對物體靜電起電量有明顯的影響》例如，氣壓是決定氣體分子平均自由程的重要因素，而平均自由程的大小決定氣體擊穿的起始電壓。所以，物體帶電的飽和帶電量因氣壓的改變而改變。
另外，物體周圍空間很可能存在著變化的電磁場。很強的外加電磁場對相互接觸的物體界面處的帶電粒子定向移動可產(chǎn)生一定的影響[7)。
23.3織物抗靜電的方法
針對上述可能的電荷散佚途徑以及影響織物抗靜電效果的主要因素，實際靜電消除中應(yīng)該強化上述電荷散逸的效果和導(dǎo)通，結(jié)合靜電產(chǎn)生的機理和靜電的泄漏規(guī)律，織物抗靜電主要有以下幾種方法[8]:
a分散泄漏消除靜電法
對合成纖維類織物，通過降低比電阻就可以增加織物的導(dǎo)電性能。降低比電阻的方法主要是采用表面活性劑對纖維或織物進行親水化處理，提高纖維的吸濕性，從而降低紡織品的比電阻，加快電荷逸散，在通過傳道、泄漏，分散電荷，消除靜電。此類方法的抗靜電效果難以長久保存，耐洗滌效果差，且在低濕度條件下不顯示抗靜電性能此外，為減少靜電荷的產(chǎn)生量，在紡織材料界面上涂敷的抗靜電油劑使材料之間不能充分、直接的摩擦、接觸，從而減少了電荷的轉(zhuǎn)移。另一種機理為表面活性劑分子疏水端吸附于纖維表面，親水性基團指向空間，形成極性界面，吸附空氣中的水分子，降低纖維或織物的表面比電阻，加速電荷逸散。這是大多數(shù)抗靜電劑發(fā)揮作用的主要方式?？轨o電劑起作用的另外一種方式是離子化，離子化的抗靜電劑本身具有良好的導(dǎo)電性，這種油劑分子在表層水分子的作用下，發(fā)生電離，顯著提高了纖維表面的導(dǎo)電性，同時，可通過中和表層電荷的方式消除帶電。
b電暈放電消除靜電法
織物中采用紡織纖維和導(dǎo)電纖維均勻混合的材料制作織物。采用金屬纖維、碳纖維、導(dǎo)電聚合物等導(dǎo)電均一型導(dǎo)電纖維或者合成纖維外層涂覆碳黑等導(dǎo)電成分的導(dǎo)電物質(zhì)包覆型導(dǎo)電纖維，碳黑或金屬化合物高聚物通過復(fù)合紡絲得到的導(dǎo)電物質(zhì)復(fù)合型導(dǎo)電纖維。導(dǎo)電纖維的應(yīng)用使紡織品抗靜電效果顯著、耐久而不受環(huán)境濕度的影響，并可應(yīng)用于防靜電工作服等特種功能性紡織品。利用靜電序列的不同，進行不同纖維的混紡或交織，達到降低靜電的目的。
c化學(xué)改性方法
對成纖高聚物進行共混、共聚合、接枝改性引入親水性極性基團，或在纖維內(nèi)部添加抗靜電劑，制取抗靜電纖維。其共同特點是提高纖維的吸濕性能，加快電荷的散逸。由抗靜電纖維制造紡織品、或混用較高比例到普通合成纖維中，可消除加工和使用中的靜電問題，但仍以高濕環(huán)境作為電荷散逸的必要條件。
以上三種方法中導(dǎo)電纖維的應(yīng)用和開發(fā)是抗靜電產(chǎn)品開發(fā)的方向，目前，越來越受到人們的關(guān)注和重視。但是，在應(yīng)用中有許多問題還需要進一步深入探討。如導(dǎo)電纖維嵌織的抗靜電機理，含有導(dǎo)電纖維織物的抗靜電性能的評價方法等方面，還有待進一步研究和探討。
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