织物的抗静电研究
1.织物的抗静电研究进展
当两种固体材料接触和迅速分开时，紧密接触的两物体表面互相摩擦而发生一系列的接触和分离过程，造成电荷在物体表面间的转移，一种材料具有较大的吸附电子的能力而使电子转移到材料表面上，获得电子的表面呈现出负电荷，而另一个表面由于失去了电子而带正电荷，由此产生了静电现象。
静电作为一种近场自然危害源，给人类社会已经造成了重大损失和危害。1969年底在不到一个月的时间里，由于静电放电（ESD)引发荷兰、挪威、英国三艘20万吨超级油轮洗舱时相继发生爆炸;第一个阿波罗载人宇宙飞船也是由于静电放电导致火灾、爆炸，使三名宇航员丧生。在石油、化工、粉体和炸药生产、加工的过程中由于ESD火花引发的恶性事故也时有发生。
纤维及其制品在生产加工和使用过程中，由于受摩擦、牵伸、压缩、剥离及电场感应和热风干燥等因素的作用而产生静电。虽然静电电流很小，不会对人体生命产生威胁，但却给人们生产加工和服用过程带来诸多不便。
使用合成纤维制成的床单、毛毯或汽车坐垫时，人们经过摩擦后立即接触金属门把，就会有一定程度的电击感。在干燥的气候条件下，脱去合成纤维的衣服时，会听到清脆的“劈啪”声，此时若在暗处，还可以看到电火花。这种放电的电压很高，而放电量较小，虽然不会带来直接生命危险，但却给人们带来不适和烦恼，也有可能因此而间接地带来事故。化学纤维在摩擦条件下易产生静电，静电现象比天然纤维严重的多。但即使是天然纤维，在冬季和低湿环境下，纤维及其制品也会产生静电。
穿着合成纤维服装受静电干扰较突出的一种表现是缠贴现象，如女裙因静电吸引缠绕人腿，在干燥气候条件下的涤纶女裙，甚至会使人步行困难。穿着此类服装并在周围存在易燃易爆气体的环境中活动时，存在一定的危险性，会引起火灾和爆炸。服装带电后的又一特征是很容易吸附灰尘。化纤织物在使用过程擦而带上静电，容易吸附空气中的尘埃。尘土吸附后，还不易掉落。穿着未经抗静电加工的合成纤维服装，不仅易吸灰沾污，还会沾污与其紧贴穿着的其他服装，甚至会使人体皮肤也迅速受到沾污。
要减小甚或避免静电的危害就必须采取防静电的措施，研究这些措施的前提是必须首先了解静电的产生机理或过程。
2.1.2静电产生的机理
静电产生的先决条件是出现电荷聚集，即通常所说的起电。起电的方式或机制有多种，如接触起电，摩擦起电，变形起电（压电效应）以及光电和热电效应等。由于纤维高聚物为不良导体，故电荷一旦生成，就极易形成静电。
a接触起电
两种物质只要接触，其间并不发生任何摩擦，由于表面性质的不同，当两接触物分离时，就会产生静电，而这种形式产生的静电就称为接触起电。接触起电的关键，在于材料接触表面电层性质的变化，两种物体相互接触时，因物质表面性质不同而诱导取向和界面极化，.在表层产生双电层排列a此时，表面分子层的电荷和排列与内层不同。当分离时，某物质就将接触时吸引的电子捕获而走，形成带电荷层和极化层。显然，电荷的形成可能是由极化作用引起的电离和吸附，或由电子的亲和力作用引起的电动现象，并在极薄的表层中形成电荷层，与次内层有别。
酸性高聚物易于丢失正离子而变为负电荷表面；碱性高聚物则反之。不论接触物质的性质如何，其接触表面状态的影响是至关重要的，一是表面的清洁度，一是表面的平滑性。
b摩擦起电
摩擦起电比接触起电要复杂得多，其不仅仅是接触，还包括挤、压、拉、磨、剥离、粘附等各种物理机械作用。摩擦过程实际上就是相互摩擦的两个物体接触面上不同接触点之间连续不断地进行接触和分离的过程。接触面两侧温度的非对称性引起的电荷转移以及摩擦中的质量转移引起的生电现象，部分剥离、粘合以及温度差引起的扩散等，其终止为表面的分离和形变的停止。
纤维摩擦起电的复杂性，不仅体现在摩擦起电机理的多样性，而且表现在摩擦作用的多重性，如压电生电，热电生电，质量转移生电，各种变形生电，使同一材料表面(织物表面）的电荷量和正负电性均会不同。材料表面的形状也会影响电荷的转移，而且随着环境条件、加压大小、摩擦快慢，带电量和电性都会发生较大的变化，因此纤维材料的摩擦起电试验必须在严格的条件下进行和比较。
C压电起电
在一定压力作用下，纤维的变形，尤其是晶格的变形会产生带电现象。而压力大小的变化，会导致电荷量或感应电势的变化。有人对羊毛做过试验，随着压力的增大，羊毛的微电势会上升，带电量增加压电效应在晶体中用得多，如压电陶瓷片用于电子打火、音响传感器头和测量传感器等等。
d热电效应
加热可使纤维表面的分子产生强烈的布朗运动和降低纤维表面的功函数、费米能组以及价带和禁带作用。这都会导致电荷的逸出和热解离子，同时纤维表面的晶格也会发生变化，产生附加电势而带电。Henry认为，两个接触面温度存在差异，或在同样温度作用下，因为材料的变形和热效应不同，会导致电荷由高温区向低温区的扩散，以及由高浓度区向低浓度区的扩散。不过这种情况较多地还是发生在金属物质上，如各种金属热电偶，就是利用温度变化，引起材料功函数以及导、价带能级的变化，产生附加热电势而作为材料热学量的测量传感器w。
2.2织物抗静电的基本原理
根据静电产生的机理，纺织材料在生产加工或使用中，发生了两个相反的静电过程，即静电的产生和散佚。因此，实际的静电荷水平是这两个相反过程达到动态平衡的过程。
.导电纤维的抗静电机理是使导电纤维间产生电晕放电。电晕放电是一种很缓和的放电现象，当静电压达到一定数值后，即产生无火花的电晕放电使静电消除。
如图2-1所示，穿着的工作服因磨擦而带电，带.电体(工作服)各部分的电力线集中于细的导电纤维(静电感应)。这样，在导电纤维的近旁就形成不均匀的强电场。使导电纤维附近的空气电离成正负离子对，空气的绝缘被破坏，发生电晕放电。根据电荷“同性相斥，异性相吸”原理，产生的新空气离子与工作服所带电荷相反的离子迅速移向带电工作服，而与带电工作服所带电荷相同的离子则向人体移动，人体导向大地，结果是带电工作服的电荷被中和。这样，导电纤维由于带电工作服本身形成的电场引起自身放电而达到消除静电的目的。
这种现象通常认为是织物中的导电纤维在静电场的作用下，使周围的空气产生
迅速移向带电工作服，而与带电工作服所带电荷相同的离子则向人体移动，人体导向大地，结果是带电工作服的电荷被中和。这样，导电纤维由于带电工作服本身形成的电场引起自身放电而达到消除静电的目的。
这种现象通常认为是织物中的导电纤维在静电场的作用下，使周围的空气产生电离作用而形成正负离子，正负离子中的一种与织物所带静电荷相反而中和，另一种则与环境或大地中和，从而消除静电B]。
织物抗静电的基本原理及方法可以概括为：减少静电的产生；加快静电的泄漏；造成使静电能够中和的条件。
电离作用而形成正负离子，正负离子中的一种与织物所带静电荷相反而中和，另一种则与环境或大地中和，从而消除静电B]。织物抗静电的基本原理及方法可以概括为：减少静电的产生；加快静电的泄漏；造成使静电能够中和的条件。
2.3织物抗静电的方法
2.3.1电荷散佚的途径
电荷产生的机理前面已经做过表述，接触物质分离后将立即形成电场，其具有将转移电荷拉回的作用，但电荷也会采取其他方式散逸。若电荷直接拽回，则不形成为静电。~旦形成静电荷，则必须经有效的途径散逸，其散逸方式有以下几种。
空气传导：游离载流子(主要是电子）向外层空间的转移(逸出）；空气中游离的带电粒子对纤维材料表面的碰撞弹出和掠过带走电荷(掠走)；空气中带电粒子直接进入材料与纤维带电粒子的结合(中和)。
纤维材料表面的传导：带电粒子在表面的扩散，表面隧道效应以及表面其它区域中反电性电荷的中和。
向纤维材料内部扩散：填补内层电荷空穴与中和，向内层非带电或低浓度区域的扩散，以降低电荷聚集密度，以及诱导产生极化消耗能量。
量子隧道效应：当分离距离<2.5nm时，电荷穿过该空隙扩散与中和。Harper计算，当金属物体分离距离为2.5™时，电子的量子隧道效应即消失。虽然金属之间的分离能使半数的电子返回原位[6]，但聚合物与金属及聚合物之间的量子隧道作用，仅能返回十分之一以下，而离子转移无此现象。‘
诱导极化、压电、热电、变形产生的感应电势，通常随分子的热运动、变形的恢复和外界热机械作用消失而逐渐消失。其消失的快慢程度取决于这些变化的松弛时间，但相对来说，时间很短，尤其是压电生电过程。
23.2影响织物抗静电效果的主要因素
a比电阻的影响
由材料上的饱和电量与静电半衰期的影响因素可以看出，动态平衡后材料所带静电电荷的多少以及静电衰减的难易快慢程度，直接受到比电阻的影响，因此，材料的比电阻是织物抗静电设i十中必须要考虑的一个重要因素。材料的比电阻除了和材料本身的种类有着非常密切的关系之外，还受到回潮率的影响，而材料的吸湿性能主要取决于材料的自身结构，取决于纤维表面和内部的亲水基团的多少及排列情况。因此，只要设法降低材料的比电阻，就能加快静电荷的泄漏，降低其危害。采用导电纤维嵌织和交织的方法，其终的目的是降低材料的表面电阻，加快电荷的泄漏和中和。根据经验，其表面电阻率和织物抗静电性的关系如表2-1所示。
表2-1表面电阻率lg/^与织物抗静电性的关系
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抗静电性 |
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>13 |
无 |
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12-13 |
低 |
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11-12 |
中等 |
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10-11 |
较好 |
|
<10 |
很好 |
b摩擦材料的影响
不同材料摩擦，可以产生不同的结果。根据静电摩擦序列，材料的选择应考虑材料在静电序列中的位置，达到降低静电的目的^
C摩擦条件的影响
摩擦次数、摩擦速度、摩擦力对产生的静电都有显著影响，摩擦过程实际上就是相互摩擦的两个物体接触面上不同接触点之间连续不断地进行接触和分离的过程。对于金属导体来说，只有两种导体后分离那一瞬间才对静电起电有作用；对于绝缘体来说，摩擦的整个过程都和静电起电有关，如摩擦引起的温度升高、材料界面凸起部分的断裂、热分解、压电效应及热电效应等等，都会改变静电起电量。总之，设法降低或削弱摩擦条件，一定程度上可以达到抗静电的目的。
d环境条件的影响
环境温度、湿度的变化都会引起物体表面及其周围介质电导率的变化，从而使物体上所带电荷通过物体表面和周围介质泄漏的快慢程度发生变化，影响物体静电起电的电量。所以，在进行静电测量时，必须注明测量时的环境温度和湿度，否则测量结果没有多大实际意义。实验表明，当空气中相对湿度达到80%以上时，任何物体所带的静电电量都很小，当空气中相对湿度低于30%,并且温度较低时，物体因静电起电的电量可以很大。
如果物体周围充满了气体介质，则气体介质的组分、气压、风速等因素也对物体静电起电量有明显的影响》例如，气压是决定气体分子平均自由程的重要因素，而平均自由程的大小决定气体击穿的起始电压。所以，物体带电的饱和带电量因气压的改变而改变。
另外，物体周围空间很可能存在着变化的电磁场。很强的外加电磁场对相互接触的物体界面处的带电粒子定向移动可产生一定的影响[7)。
23.3织物抗静电的方法
针对上述可能的电荷散佚途径以及影响织物抗静电效果的主要因素，实际静电消除中应该强化上述电荷散逸的效果和导通，结合静电产生的机理和静电的泄漏规律，织物抗静电主要有以下几种方法[8]:
a分散泄漏消除静电法
对合成纤维类织物，通过降低比电阻就可以增加织物的导电性能。降低比电阻的方法主要是采用表面活性剂对纤维或织物进行亲水化处理，提高纤维的吸湿性，从而降低纺织品的比电阻，加快电荷逸散，在通过传道、泄漏，分散电荷，消除静电。此类方法的抗静电效果难以长久保存，耐洗涤效果差，且在低湿度条件下不显示抗静电性能此外，为减少静电荷的产生量，在纺织材料界面上涂敷的抗静电油剂使材料之间不能充分、直接的摩擦、接触，从而减少了电荷的转移。另一种机理为表面活性剂分子疏水端吸附于纤维表面，亲水性基团指向空间，形成极性界面，吸附空气中的水分子，降低纤维或织物的表面比电阻，加速电荷逸散。这是大多数抗静电剂发挥作用的主要方式。抗静电剂起作用的另外一种方式是离子化，离子化的抗静电剂本身具有良好的导电性，这种油剂分子在表层水分子的作用下，发生电离，显著提高了纤维表面的导电性，同时，可通过中和表层电荷的方式消除带电。
b电晕放电消除静电法
织物中采用纺织纤维和导电纤维均匀混合的材料制作织物。采用金属纤维、碳纤维、导电聚合物等导电均一型导电纤维或者合成纤维外层涂覆碳黑等导电成分的导电物质包覆型导电纤维，碳黑或金属化合物高聚物通过复合纺丝得到的导电物质复合型导电纤维。导电纤维的应用使纺织品抗静电效果显著、耐久而不受环境湿度的影响，并可应用于防静电工作服等特种功能性纺织品。利用静电序列的不同，进行不同纤维的混纺或交织，达到降低静电的目的。
c化学改性方法
对成纤高聚物进行共混、共聚合、接枝改性引入亲水性极性基团，或在纤维内部添加抗静电剂，制取抗静电纤维。其共同特点是提高纤维的吸湿性能，加快电荷的散逸。由抗静电纤维制造纺织品、或混用较高比例到普通合成纤维中，可消除加工和使用中的静电问题，但仍以高湿环境作为电荷散逸的必要条件。
以上三种方法中导电纤维的应用和开发是抗静电产品开发的方向，目前，越来越受到人们的关注和重视。但是，在应用中有许多问题还需要进一步深入探讨。如导电纤维嵌织的抗静电机理，含有导电纤维织物的抗静电性能的评价方法等方面，还有待进一步研究和探讨。
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