纺织品静电现象及产生原理

产生静电的机理有多种解释，纺织材料静电主要是由于表面间的相互摩擦产生的。纺织材料是电的不良导体,具有很高的比电阻。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易于产生静电。特别是随着合成纤维在纺织上生产和应用的越来越多,这些高分子聚合物所固有的高绝缘性和憎水性,使之极易产生、积累静电。

纺织品静电的危害

在民用方面,静电会导致纺织品的使用过程中吸尘沾污,服装纠缠人体产生粘附不适感,而且有研究表明，静电刺激会对人体健康产生不利影响。在产业应用方面,静电是火工、化工、石油等加工等行业引起火灾、爆炸等事故的主要诱发因素之一,也是化纤等纺织行业加工过程中的质量及安全事故隐患之一。随着高科技的发展,静电障害所造成的后果已突破了安全问题的界限。静电放电造成的频谱干扰危害,会引起电子、通信、航空、航天以及一切应用现代电子设备、仪器的场合导致设备运转故障、信号丢失等结果。因此目前抗静电纺织品的需求量越来越大。

纺织品抗静电的机理

绝缘体表面的静电可以通过三条途径消失:一、通过空气(雾气)消失;二、沿着表面消失;三、通过绝缘体体内消失。

通过空气消除静电,主要依靠空气中相反符号的带电粒子飞来与绝缘体表面的静电中和或让带电粒子获得动能而飞散。利用尖端放电原理,制成高压电晕式静电消除器,已在化纤生产中有应用。

静电沿绝缘体表面消失的速度取决于绝缘体表面电阻率的大小。提高空气的湿度,可以在亲水性绝缘体表面形成连续的水膜，加上空气中的CO2和其他杂质的溶解,而大大提高表面导电性。进一步的方法是使用抗静电剂,主要是离子或非离子型的表面活性剂。

静电通过绝缘体体内的泄漏速度,主要取决于绝缘体的电阻率的大小,一般说来,当聚合物电阻率小于10^7Ω·m时，产生静电荷会很快泄漏掉。为了提高聚合物的体积导电率,最方便的方法是添加碳黑、金属粉末或导电纤维。

纤维高分子材料理论上是比绝缘体，但实际纤维的导电性比理论估计值要高，原因在于纤维不是纯高分子物质，其中含有水分、杂质等低分子物质，即纤维导电主要取决于纤维中的附属物，其次与纤维分子本身的导电性以及外界条件的作用有关。在表面易电离物质导电性较高以及水汽分压较大的情况下，纤维的导电性会大大提高。

纺织品抗静电的途径

抗静电织物可分为民用和产业用静电防护服两大类。静电防护服按照最终用途可分为无尘无菌工作服、防火防爆工作服、手术服、安全作业服(如电力工人工作时穿的静电防护服、导电服等)等。

1、对纤维进行抗静电处理

用表面活性剂对纤维进行亲水化处理。作用原理为表面活性剂分子疏水端吸附于纤维表面,亲水性极性基团指向空间,形成极性表面,吸附空气中的水分子,降低纤维的表面电阻率,加速电荷逸散。所用表面活性剂包括阳离型、阴离子型和非离子型,其中阳离子表面活性剂的抗静电效果最好,高分子量非离子型表面活性剂的抗静电效果耐久性最好。此法的优点为简便易行,特别适合于消除纺织加工过程中的静电干扰;缺点为抗静电效果的耐久性差,表面活性剂易挥发,更不耐洗涤,而且在低湿度环境中不显示抗静电性能。

对成纤高聚物进行共混、共聚合或接枝改性。与前面方法的相同之处是在成纤高聚物中添加亲水性单体或聚合物,提高吸湿性,从而获得抗静电性能。除普通成纤高聚物与亲水性聚合物共混的典型共混纺丝方式外,还有聚合过程中加入亲水性聚合物,形成微多相分散体系的共混方式。例如将聚乙二醇加入到己内酰胺反应混合物中,聚乙二醇以原纤状分散于PA6之中。同时聚乙二醇也有少量端羟基与己内酰胺开环后生成的氨基己酸中的羟基反应,提高了抗静电性能的耐久性。

另外，用共聚合的方式将亲水性极性单体聚合到疏水性合成纤维主链上,例如在PET大分子中嵌入聚乙二醇,也可提高纤维的吸湿性和抗静电性能。

采用化学引发、热引发、高能射线和紫外线辐照引发的接枝于纤维表面,可有效地改善合成纤维的吸湿性,且亲水性单体的用量远少于其他方法,耐久性好。此类抗静电纤维仍以提高纤维的亲水性来加速电荷的泄漏,故在相对湿度低于40%的干燥环境中,纤维的抗静电性能将受损失。

2、生产抗静电纱线

在纺纱中混入少量的导电短纤维,可以生产抗静电纱线,同时可以减少甚至消除纺纱过程中存在的静电问题。纺纱时使用普通纺织纤维作为主体纤维,其中混入少量的导电纤维。导电纤维混入量的多少根据产品的最终用途及成本决定。大量实验表明,纱线中混入少量(百分之几)的有机导电纤维后,纱线的电阻率会有明显降低(导电性有大幅度提高)。

导电纤维包括金属纤维、镀金属纤维和有机导电纤维。应用较为广泛的金属纤维主要是不锈钢纤维,其制造方法主要是线材拉伸法、熔融纺丝法、切削法等。不锈钢纤维具有较佳的导电性能和机械性能,但是对于纺织加工而言,金属纤维抱合力小,纺纱性能较差,而且制成高细度时的价格昂贵,所以除一些特殊要求的场合,在开发抗静电产品时金属纤维的使用还不够广泛。镀金属纤维是在普通纤维表面涂敷金属层以提高抗静电效果,其成本比金属纤维有大幅下降,但不耐洗涤,且手感较差。目前,用来开发抗静电混纺纱多采用有机导电纤维。

有机导电纤维是以普通成纤高聚物为基体,以被覆或复合方式添加导电物质的导电纤维。目前使用的有机导电纤维主要是尼龙基、涤纶基和腈纶基,导电物质有碳和金属化合物两种。其中碳导电物制成的纤维为深色(黑色、灰色),金属化合物为导电物的纤维为白色,后者导电性稍差,但是利于后道整理工序的加工(染色等)。

由于导电纤维成本较高,混入比例小,一般采用手工开松的形式。为使混合均匀,按照预先计算并称量好的重量将导电纤维和主体纤维同时喂入梳理机,经多道梳理工序。另外,所选用的导电纤维应尽量与主体纤维的材质一致。混纺的工艺流程为:梳棉(一道)→梳棉(二道)→头并→二并→三并→粗纱→细纱→络筒。

3、织造时嵌入导电长丝或抗静电纱线

开发抗静电纺织品除了在原料上进行改进之外,还可以在织物上机织造时,将导电长丝(或导电纤维复合纱线)以一定间距嵌入织物。可以沿经向或纬向嵌入,也可以同时沿经向和纬向嵌入形成网格状。经大量的实验证明,不管以哪种方式嵌入导电丝,织物的抗静电效果均有明显的改善,但是以网格形式嵌入导电丝或抗静电纱时效果最佳。而且织物的抗静电性能都随嵌入导电丝间距的增加而减弱。导电丝嵌入间距(或织物中导电纤维的含量)应根据抗静电产品的最终用途及对导电性能要求来决定。

由于导电纤维价格较高,制成织物成本较高,在设计时应考虑到使用最少的导电纤维获得最佳的抗静电性能。可以通过对各影响因素(导电丝间距、织物密度等)进行最优化分析,得到满足产品使用要求的最佳嵌入间距(导电纤维含量)。另外,由于使用的导电长丝大多为黑色,在设计织物组织时,应尽量使导电丝的经组织点隐藏在基础组织经组织点下面,以保证正面的织物组织结构不被破坏。而在织物反面,使导电丝尽量显露在织物表面,以利于放电。

4、用抗静电剂对织物进行后整理

用表面活性剂直接对织物表面进抗静电处理的方法始于上世纪50年代,这种方法适合于各种纤维材料。所用抗静电剂大多数是结构与被整理的纤维相似的高分子物,经过浸、轧、焙烘而粘附在合成纤维或其织物上。这些高分子物是亲水的,因此涂覆在表面上可通过吸湿而增加纤维的导电,使纤维不至于积聚较多的静电荷而造成危害。这种方法除使织物具有抗静电效果外,处理后的织物还具有吸湿、防污、不吸尘等功能。由于抗静电方法较为简单,因此成品价格也较为便宜。

工艺流程为:坯布→浸轧抗静电树脂(二浸二轧)→烘干(100~110℃)→焙烘(150~160℃,2min)→拉幅→成品抗静电整理的方法较多,目前主要有三种。(1)助剂吸咐固着法(2)表面接枝聚合法(3)低温等离子体表面处理法

由于后两种方法需要较多的特种引发剂或高能射线或用等离子体处理等,工艺繁复,操作复杂,因此一般采用第一种方法。它可在后整理中进行抗静电加工,也可在染色过程中进行同浴处理,均能获得理想的效果。

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