1.織物的抗靜電研究進(jìn)展

當(dāng)兩種固體材料接觸和迅速分開時(shí)，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(guò)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(fù)電荷，而另一個(gè)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(chǎng)自然危害源，給人類社會(huì)已經(jīng)造成了重大損失和危害。1969年底在不到一個(gè)月的時(shí)間里，由于靜電放電（ESD)引發(fā)荷蘭、挪威、英國(guó)三艘20萬(wàn)噸超級(jí)油輪洗艙時(shí)相繼發(fā)生爆炸;第一個(gè)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(guò)程中由于ESD火花引發(fā)的惡性事故也時(shí)有發(fā)生。

纖維及其制品在生產(chǎn)加工和使用過(guò)程中，由于受摩擦、牽伸、壓縮、剝離及電場(chǎng)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(huì)對(duì)人體生命產(chǎn)生威脅，但卻給人們生產(chǎn)加工和服用過(guò)程帶來(lái)諸多不便。

使用合成纖維制成的床單、毛毯或汽車坐墊時(shí)，人們經(jīng)過(guò)摩擦后立即接觸金屬門把，就會(huì)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(shí)，會(huì)聽到清脆的“劈啪”聲，此時(shí)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(huì)帶來(lái)直接生命危險(xiǎn)，但卻給人們帶來(lái)不適和煩惱，也有可能因此而間接地帶來(lái)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(yán)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(huì)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(dòng)時(shí)，存在一定的危險(xiǎn)性，會(huì)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。化纖織物在使用過(guò)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(huì)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(jī)理或過(guò)程。

2.1.2靜電產(chǎn)生的機(jī)理

靜電產(chǎn)生的先決條件是出現(xiàn)電荷聚集，即通常所說(shuō)的起電。起電的方式或機(jī)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(shí)，就會(huì)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(shí)，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(shí)，表面分子層的電荷和排列與內(nèi)層不同。當(dāng)分離時(shí)，某物質(zhì)就將接觸時(shí)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(dòng)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?fù)電荷表面；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(jī)械作用。摩擦過(guò)程實(shí)際上就是相互摩擦的兩個(gè)物體接觸面上不同接觸點(diǎn)之間連續(xù)不斷地進(jìn)行接觸和分離的過(guò)程。接觸面兩側(cè)溫度的非對(duì)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(kuò)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(jī)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(fù)電性均會(huì)不同。材料表面的形狀也會(huì)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(huì)發(fā)生較大的變化，因此纖維材料的摩擦起電試驗(yàn)必須在嚴(yán)格的條件下進(jìn)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(huì)產(chǎn)生帶電現(xiàn)象。而壓力大小的變化，會(huì)導(dǎo)致電荷量或感應(yīng)電勢(shì)的變化。有人對(duì)羊毛做過(guò)試驗(yàn)，隨著壓力的增大，羊毛的微電勢(shì)會(huì)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(cè)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(qiáng)烈的布朗運(yùn)動(dòng)和降低纖維表面的功函數(shù)、費(fèi)米能組以及價(jià)帶和禁帶作用。這都會(huì)導(dǎo)致電荷的逸出和熱解離子，同時(shí)纖維表面的晶格也會(huì)發(fā)生變化，產(chǎn)生附加電勢(shì)而帶電。Henry認(rèn)為，兩個(gè)接觸面溫度存在差異，或在同樣溫度作用下，因?yàn)椴牧系淖冃魏蜔嵝?yīng)不同，會(huì)導(dǎo)致電荷由高溫區(qū)向低溫區(qū)的擴(kuò)散，以及由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)的擴(kuò)散。不過(guò)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(jià)帶能級(jí)的變化，產(chǎn)生附加熱電勢(shì)而作為材料熱學(xué)量的測(cè)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(jī)理，紡織材料在生產(chǎn)加工或使用中，發(fā)生了兩個(gè)相反的靜電過(guò)程，即靜電的產(chǎn)生和散佚。因此，實(shí)際的靜電荷水平是這兩個(gè)相反過(guò)程達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的過(guò)程。

.導(dǎo)電纖維的抗靜電機(jī)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(dá)到一定數(shù)值后，即產(chǎn)生無(wú)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(xì)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(qiáng)電場(chǎng)。使導(dǎo)電纖維附近的空氣電離成正負(fù)離子對(duì)，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(dòng)，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(chǎng)引起自身放電而達(dá)到消除靜電的目的。

這種現(xiàn)象通常認(rèn)為是織物中的導(dǎo)電纖維在靜電場(chǎng)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(dòng)，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(chǎng)引起自身放電而達(dá)到消除靜電的目的。

這種現(xiàn)象通常認(rèn)為是織物中的導(dǎo)電纖維在靜電場(chǎng)的作用下，使周圍的空氣產(chǎn)生電離作用而形成正負(fù)離子，正負(fù)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(fù)離子，正負(fù)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(jī)理前面已經(jīng)做過(guò)表述，接觸物質(zhì)分離后將立即形成電場(chǎng)，其具有將轉(zhuǎn)移電荷拉回的作用，但電荷也會(huì)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(duì)纖維材料表面的碰撞彈出和掠過(guò)帶走電荷(掠走)；空氣中帶電粒子直接進(jìn)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(kuò)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(kuò)散：填補(bǔ)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(kuò)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(shí)，電荷穿過(guò)該空隙擴(kuò)散與中和。Harper計(jì)算，當(dāng)金屬物體分離距離為2.5™時(shí)，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(wú)此現(xiàn)象。‘

誘導(dǎo)極化、壓電、熱電、變形產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)，通常隨分子的熱運(yùn)動(dòng)、變形的恢復(fù)和外界熱機(jī)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(shí)間，但相對(duì)來(lái)說(shuō)，時(shí)間很短，尤其是壓電生電過(guò)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(dòng)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(gè)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(tuán)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(yàn)，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

	抗靜電性
>13	無(wú)
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(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(dá)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(duì)產(chǎn)生的靜電都有顯著影響，摩擦過(guò)程實(shí)際上就是相互摩擦的兩個(gè)物體接觸面上不同接觸點(diǎn)之間連續(xù)不斷地進(jìn)行接觸和分離的過(guò)程。對(duì)于金屬導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，只有兩種導(dǎo)體后分離那一瞬間才對(duì)靜電起電有作用；對(duì)于絕緣體來(lái)說(shuō)，摩擦的整個(gè)過(guò)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(huì)改變靜電起電量。總之，設(shè)法降低或削弱摩擦條件，一定程度上可以達(dá)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(huì)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(guò)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(jìn)行靜電測(cè)量時(shí)，必須注明測(cè)量時(shí)的環(huán)境溫度和濕度，否則測(cè)量結(jié)果沒有多大實(shí)際意義。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)空氣中相對(duì)濕度達(dá)到80%以上時(shí)，任何物體所帶的靜電電量都很小，當(dāng)空氣中相對(duì)濕度低于30%,并且溫度較低時(shí)，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(duì)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(chǎng)。很強(qiáng)的外加電磁場(chǎng)對(duì)相互接觸的物體界面處的帶電粒子定向移動(dòng)可產(chǎn)生一定的影響[7)。

23.3織物抗靜電的方法

針對(duì)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(shí)際靜電消除中應(yīng)該強(qiáng)化上述電荷散逸的效果和導(dǎo)通，結(jié)合靜電產(chǎn)生的機(jī)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(duì)合成纖維類織物，通過(guò)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(duì)纖維或織物進(jìn)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(guò)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(zhǎng)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(jī)理為表面活性劑分子疏水端吸附于纖維表面，親水性基團(tuán)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(shí)，可通過(guò)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(guò)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(jìn)行不同纖維的混紡或交織，達(dá)到降低靜電的目的。

c化學(xué)改性方法

對(duì)成纖高聚物進(jìn)行共混、共聚合、接枝改性引入親水性極性基團(tuán)，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(diǎn)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(lái)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(jìn)一步深入探討。如導(dǎo)電纖維嵌織的抗靜電機(jī)理，含有導(dǎo)電纖維織物的抗靜電性能的評(píng)價(jià)方法等方面，還有待進(jìn)一步研究和探討。

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