織物的抗靜電研究

1.織物的抗靜電研究進展

當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生一系列的接觸和分離過程，造成電荷在物體表面間的轉移，一種材料具有較大的吸附電子的能力而使電子轉移到材料表面上，獲得電子的表面呈現出負電荷，而另一個表面由于失去了電子而帶正電荷，由此產生了靜電現象。

靜電作為一種近場自然危害源，給人類社會已經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)引發荷蘭、挪威、英國三艘20萬噸超級油輪洗艙時相繼發生爆炸;第一個阿波羅載人宇宙飛船也是由于靜電放電導致火災、爆炸，使三名宇航員喪生。在石油、化工、粉體和炸藥生產、加工的過程中由于ESD火花引發的惡性事故也時有發生。

纖維及其制品在生產加工和使用過程中，由于受摩擦、牽伸、壓縮、剝離及電場感應和熱風干燥等因素的作用而產生靜電。雖然靜電電流很小，不會對人體生命產生威脅，但卻給人們生產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纖維在摩擦條件下易產生靜電，靜電現象比天然纖維嚴重的多。但即使是天然纖維，在冬季和低濕環境下，纖維及其制品也會產生靜電。

穿著合成纖維服裝受靜電干擾較突出的一種表現是纏貼現象，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，甚至會使人步行困難。穿著此類服裝并在周圍存在易燃易爆氣體的環境中活動時，存在一定的危險性，會引起火災和爆炸。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，甚至會使人體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生機理或過程。

2.1.2靜電產生的機理

靜電產生的先決條件是出現電荷聚集，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）以及光電和熱電效應等。由于纖維高聚物為不良導體，故電荷一旦生成，就極易形成靜電。

a接觸起電

兩種物質只要接觸，其間并不發生任何摩擦，由于表面性質的不同，當兩接觸物分離時，就會產生靜電，而這種形式產生的靜電就稱為接觸起電。接觸起電的關鍵，在于材料接觸表面電層性質的變化，兩種物體相互接觸時，因物質表面性質不同而誘導取向和界面極化，.在表層產生雙電層排列a此時，表面分子層的電荷和排列與內層不同。當分離時，某物質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象，并在極薄的表層中形成電荷層，與次內層有別。

酸性高聚物易于丟失正離子而變為負電荷表面；堿性高聚物則反之。不論接觸物質的性質如何，其接觸表面狀態的影響是至關重要的，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不斷地進行接觸和分離的過程。接觸面兩側溫度的非對稱性引起的電荷轉移以及摩擦中的質量轉移引起的生電現象，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。

纖維摩擦起電的復雜性，不僅體現在摩擦起電機理的多樣性，而且表現在摩擦作用的多重性，如壓電生電，熱電生電，質量轉移生電，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移，而且隨著環境條件、加壓大小、摩擦快慢，帶電量和電性都會發生較大的變化，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生帶電現象。而壓力大小的變化，會導致電荷量或感應電勢的變化。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在晶體中用得最多，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

加熱可使纖維表面的分子產生強烈的布朗運動和降低纖維表面的功函數、費米能組以及價帶和禁帶作用。這都會導致電荷的逸出和熱解離子，同時纖維表面的晶格也會發生變化，產生附加電勢而帶電。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不同，會導致電荷由高溫區向低溫區的擴散，以及由高濃度區向低濃度區的擴散。不過這種情況較多地還是發生在金屬物質上，如各種金屬熱電偶，就是利用溫度變化，引起材料功函數以及導、價帶能級的變化，產生附加熱電勢而作為材料熱學量的測量傳感器w。

2.2織物抗靜電的基本原理

根據靜電產生的機理，紡織材料在生產加工或使用中，發生了兩個相反的靜電過程，即靜電的產生和散佚。因此，實際的靜電荷水平是這兩個相反過程達到動態平衡的過程。

.導電纖維的抗靜電機理是使導電纖維間產生電暈放電。電暈放電是一種很緩和的放電現象，當靜電壓達到一定數值后，即產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電纖維(靜電感應)。這樣，在導電纖維的近旁就形成不均勻的強電場。使導電纖維附近的空氣電離成正負離子對，空氣的絕緣被破壞，發生電暈放電。根據電荷“同性相斥，異性相吸”原理，產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，人體導向大地，結果是帶電工作服的電荷被中和。這樣，導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。

這種現象通常認為是織物中的導電纖維在靜電場的作用下，使周圍的空氣產生

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，人體導向大地，結果是帶電工作服的電荷被中和。這樣，導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。

這種現象通常認為是織物中的導電纖維在靜電場的作用下，使周圍的空氣產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

電荷產生的機理前面已經做過表述，接觸物質分離后將立即形成電場，其具有將轉移電荷拉回的作用，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，則必須經有效的途徑散逸，其散逸方式有以下幾種。

空氣傳導：游離載流子(主要是電子）向外層空間的轉移(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合(中和)。

纖維材料表面的傳導：帶電粒子在表面的擴散，表面隧道效應以及表面其它區域中反電性電荷的中和。

向纖維材料內部擴散：填補內層電荷空穴與中和，向內層非帶電或低濃度區域的擴散，以降低電荷聚集密度，以及誘導產生極化消耗能量。

量子隧道效應：當分離距離<2.5nm時，電荷穿過該空隙擴散與中和。Harper計算，當金屬物體分離距離為2.5™時，電子的量子隧道效應即消失。雖然金屬之間的分離能使半數的電子返回原位[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，而離子轉移無此現象。‘

誘導極化、壓電、熱電、變形產生的感應電勢，通常隨分子的熱運動、變形的恢復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構，取決于纖維表面和內部的親水基團的多少及排列情況。因此，只要設法降低材料的比電阻，就能加快靜電荷的泄漏，降低其危害。采用導電纖維嵌織和交織的方法，其最終的目的是降低材料的表面電阻，加快電荷的泄漏和中和。根據經驗，其表面電阻率和織物抗靜電性的關系如表2-1所示。

表2-1表面電阻率lg/^與織物抗靜電性的關系

	抗靜電性
>13	無
12-13	低
11-12	中等
10-11	較好
<10	很好

b摩擦材料的影響

不同材料摩擦，可以產生不同的結果。根據靜電摩擦序列，材料的選擇應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、摩擦速度、摩擦力對產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不斷地進行接觸和分離的過程。對于金屬導體來說，只有兩種導體最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，如摩擦引起的溫度升高、材料界面凸起部分的斷裂、熱分解、壓電效應及熱電效應等等，都會改變靜電起電量?？傊?，設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環境條件的影響

環境溫度、濕度的變化都會引起物體表面及其周圍介質電導率的變化，從而使物體上所帶電荷通過物體表面和周圍介質泄漏的快慢程度發生變化，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境溫度和濕度，否則測量結果沒有多大實際意義。實驗表明，當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，則氣體介質的組分、氣壓、風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，實際靜電消除中應該強化上述電荷散逸的效果和導通，結合靜電產生的機理和靜電的泄漏規律，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。這是大多數抗靜電劑發揮作用的主要方式。抗靜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電性，這種油劑分子在表層水分子的作用下，發生電離，顯著提高了纖維表面的導電性，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電纖維均勻混合的材料制作織物。采用金屬纖維、碳纖維、導電聚合物等導電均一型導電纖維或者合成纖維外層涂覆碳黑等導電成分的導電物質包覆型導電纖維，碳黑或金屬化合物高聚物通過復合紡絲得到的導電物質復合型導電纖維。導電纖維的應用使紡織品抗靜電效果顯著、耐久而不受環境濕度的影響，并可應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，但仍以高濕環境作為電荷散逸的必要條件。

以上三種方法中導電纖維的應用和開發是抗靜電產品開發的方向，目前，越來越受到人們的關注和重視。但是，在應用中有許多問題還需要進一步深入探討。如導電纖維嵌織的抗靜電機理，含有導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。