棉纖維集合體電流弛豫的影響因素

賈高鵬， 曾春梅

(1. 鹽城工學院 紡織服裝學院， 江蘇 鹽城 224051； 2. 鹽城工業職業技術學院 輕化工程系， 江蘇 鹽城 224005)

棉纖維集合體電流弛豫的影響因素

賈高鵬1， 曾春梅2

(1. 鹽城工學院 紡織服裝學院， 江蘇 鹽城 224051； 2. 鹽城工業職業技術學院 輕化工程系， 江蘇 鹽城 224005)

為測試棉纖維電導性能和回潮率，利用自制散纖維壓縮裝置以及LabVIEW的電流測試系統，研究了體積密度、電壓、相對濕度以及溫度對棉散纖維集合體電流馳豫的影響。通過實驗發現：隨著體積密度的增加，棉纖維集合體電流從峰值到穩定所需時間增加；隨著測試電壓的升高，纖維電流從峰值到穩定所需時間縮短；隨著相對濕度的增加，纖維電流從峰值到穩定的時間縮短；隨著溫度的升高，纖維電流從峰值到穩定所需時間縮短。為了快速準確地獲得纖維電導，測試時間需要根據棉纖維的集合狀態，所施加的電壓，空氣溫濕度而定。

棉纖維； 電流馳豫； 影響因素； 電導性

多年來研究人員致力于纖維電導性質的研究并建立了相關的測試標準，開發了相關測試設備。Hearle[1]、 Hersh等[2]對天然纖維和化學纖維的電導性能進行了較為深入的研究。在相關測試設備方面Byler[3]設計出測量原棉回潮率的電阻測試儀，測量時間不超過1 s。Ismail等[4]設計出一種快速檢測纖維水分的儀器。目前國內外關于棉花回潮率的電測試設備都強調快速測量[5-6]。GB/T 6102.2—2012《原棉回潮率試驗方法 電阻法》、GB/T 1410—2006《固體絕緣材料體積電阻率和表面電阻率試驗方法》等建立了絕緣材料和紡織纖維材料電阻測試標準，其中也規定了原棉電阻的測試標準。根據測試標準，測試時間長短因材料本身和外部環境條件而定[7-8]。纖維在恒穩電壓的作用下會產生位移電流、電容充電電流、吸收電流以及漏導電流。位移電流是瞬態的，因此纖維在電場中產生的電流是電容充電電流、吸收電流和漏導電流的總和，纖維的電流馳豫現象是三者共同作用的結果。目前鮮有關于纖維電流馳豫影響因素的研究報道。本文利用自制散纖維壓縮裝置和纖維電流數據采集系統對影響纖維電流馳豫的因素進行系統研究，以期為棉纖維電導、回潮率研究及其相關儀器設計提供參考。

1 實驗材料和測試方法

棉纖維：平均長度為29 mm，線密度為2.1 dtex，比強度為2.8 cN/dtex，產地為山東武城。

試樣盒放置在與千斤頂相連的活動托架上，上壓桿固定。千斤頂的活塞抬升使托架上的試樣盒向上運動，上壓桿壓縮纖維，纖維壓縮程度由活塞動程控制，2塊矩形極板(6.45 cm×17.0 cm)，放置在纖維盒中，極板間距為6.3 cm。2塊極板和標準電阻器、直流穩壓電源串聯，標準電阻器的電壓信號經濾波放大后由數據采集卡輸入計算機，計算機對信號進行運算處理后形成纖維的電流信號顯示并存儲[9]。散纖維集合體電流數據采集示意圖如圖1所示。

2 結果與討論

2.1 體積密度對纖維電流的影響

將棉纖維在標準條件(20 ℃、濕度為60%)下吸濕平衡，稱取50 g調濕平衡的棉花試樣，壓縮到不同體積密度，測量在10 V直流電壓作用下棉纖維的電流隨時間的變化關系，如圖2所示。

由圖2可知50 g棉纖維在不同體積密度下的電流弛豫情況。當電路開關閉合時棉纖維的所有電子、原子在電場的作用下極化，宏觀上產生位移電流，它是一種瞬態電流，在測試中這種電流可忽略；棉纖維與一對極板構成電容器，當電路接通時電源給極板充電形成電容充電電流；在電場的作用下，棉纖維高聚物中偶極基團的極化、微晶體的界面極化以及材料內部的空間電荷效應從宏觀上形成吸收電流。而不隨時間變化的恒穩電流為棉纖維的漏導電流，棉纖維的電流是這幾種電流綜合作用的結果。從圖2還可看出纖維電流從峰值到趨于穩定需數秒到幾十秒不等。隨著纖維體積密度的增加，纖維電流從峰值到穩定所需要的時間有所延長。電容器與標準電阻串聯形成典型的電容電阻回路，如圖3所示。

根據回路電流方程可得電流為

式中：i為標準電阻器的電流，C為電容器電容量，R為標準電容器電阻。

從上式可以看出τ決定電容電阻回路電流的變化情況。對于本文實驗標準電阻R為定值，決定電容回路電流衰減的主要因素是電容。Hearle[10]認為棉纖維的介電常數隨體積密度的增加而增大，因此隨著體積密度的增加，散纖維集合體的電容充電電流隨時間的衰減變慢。在壓縮過程中隨著壓縮程度的增加，沿極板間距方向纖維的取向度增加，纖維結構相界面和空隙表面壓縮程度的增加對水分子以及其他載流子的轉向和遷移起著消極作用，因此壓縮程度較大時，吸收電流衰減所需的時間相對要長。在電容充電電流以及吸收電流的共同作用下，隨壓縮程度的增加纖維電流從峰值到穩定的時間有所延長。

2.2 電壓對纖維電流的影響

圖4示出50 g棉纖維在體積密度為0.5 g/cm3，相對濕度為60%，不同電壓作用下的電流弛豫情況。可以看出電流從峰值衰減至穩定所需時間隨電壓增大而縮短。對于電容充電電流，電容器的電容與極板間電介質的介電系數成正比，隨著電壓(電壓較低)的升高纖維的介電系數略有增大，隨電壓的升高標準電阻R的電阻值減小，總體上電壓升高對棉纖維電容充電電流的衰減影響不大。同時隨著電壓的增大，棉纖維分子鏈中的極性基團和水分子所形成的偶極子以及其他載流子所受沿著電場方向的作用力變大。相對較高的電壓有利于羥基(—OH)和水分子沿著電場方向排列，有利于載流子的遷移，使得纖維的吸收電流衰減時間縮短。在2種電流綜合作用下，使得棉纖維電流隨著測試電壓的升高從峰值到穩定所需的時間有所減少。

2.3 相對濕度對纖維電流的影響

圖5示出50 g棉纖維集合體在體積密度為0.6 g/cm3、不同相對濕度下的電流弛豫情況。從圖可以看出，棉纖維集合體電流隨著相對濕度的增加從峰值到穩定所需的時間變短。相對濕度從30%到70%左右時，棉纖維有效介電常數隨著相對濕度的增加而增大，且增幅變緩[12]。棉纖維的電阻因含水量不同會下降幾個數量級。為滿足測試量程，在濕度較大時選用小阻值標準電阻器，因此在測試濕度范圍內電容充電電流峰值到穩定的時間隨著濕度的增加變化不大。當相對濕度大于60%或者纖維回潮率大于4.2%時，纖維介電常數隨濕度增加而突增。標準電阻器的電阻值小于2個數量級，棉纖維電容充電流衰減時間隨相對濕度增大略有增加。同時隨著相對濕度的增加纖維中吸附的水分子增多，水分子之間逐漸形成三維網絡結構，這種結構使纖維中的H+和OH-跳躍遷移，有利于其他載流子在結構相界面和孔隙表面的遷徙。因此隨著纖維回潮率的增大，吸收電流的衰減時間縮短。二者共同作用下，隨著相對濕度的增加，棉纖維的電流從峰值到穩定所需的時間縮短。

2.4 溫度對纖維電流的影響

圖6示出在空氣相對濕度為52%，40 g棉纖維壓縮到0.6 g/cm3,電壓為10 V時，不同溫度下纖維的電流弛豫。從圖可以看出棉纖維電流衰減時間隨著溫度的增高而縮短。在-20～100 ℃溫度范圍內，隨著溫度升高，纖維膨脹有利于棉纖維中大分子的極性基團、水分子和載流子的運動，而纖維分子熱運動的增強對纖維的大分子和載流子的運動有干擾作用，在二者共同作用下，棉纖維介電常數隨溫度的升高略有增大，為滿足測試量程，較高溫度時選用低阻值的標準電阻器，因此纖維電容充電電流的衰減時間隨溫度升高略有減少。隨著溫度的升高，一方面棉纖維分子中帶電粒子動能增加，另一方面提高了帶電粒子突破壁壘而遷移的概率，纖維的導電性提高。同時溫度升高，也利于棉纖維中的帶電粒子在纖維的結構相界面、空隙表面遷徙，使得材料吸收電流的衰減時間縮短。因此，隨著溫度升高棉纖維的電流從峰值到穩定所需的時間減小。

3 結 論

本文利用纖維壓縮裝置以及電流實時測試系統研究集合體密度、電壓、相對濕度以及溫度對棉纖維電流非穩態的影響。通過實驗發現，體積密度、電壓、相對濕度以及溫度對棉纖維集合體電流均有影響。棉纖維集合體電流從峰值到穩定所需的時間隨著壓縮程度的增加有所延長，隨著電壓的增大而縮短，隨著相對濕度的增大而減小，隨著溫度的升高而縮短。為了在測試過程中獲得準確的纖維電導，測試時間需根據纖維所處的壓縮狀態、測試電壓以及環境溫濕度來確定。準確測量纖維回潮率的前提是需要獲取反映棉花電導的穩態電流,因此必須對被測纖維的體積密度,電壓和溫度作規定，當纖維回潮率不同時，電流從峰值到穩定時間差異較大，測試時對于較干燥的試樣需要測試較長的時間,較潮濕的試樣可以選擇測試時間短一些。

FZXB

[1] HEARLE J W S. The electrical resistance of textile materials:a review of the literature[J]. Journal of the Textile Institute, 1952, 43(3): 194-223.

[2] HERSH S P, MONTGOMERY D J. Electrical resistance measurements on fibers and fiber assemblies[J]. Textile Research Journal,1952, 22(11): 805-818.

[3] BYLER R K. Resistance-type portable cotton lint moisture meter[J]. Applied Engineering in Agric, 2006, 22(1): 13-17.

[4] ISMAIL K M, ALYAHYA S A. A quick method for measuring date moisture content[J]. Trans ASAE, 2003,46(2):401-405.

[5] 路紋紋, 呂新民, 張立明, 等. 棉花水分測試儀的設計[J]. 農機化研究, 2008 (5): 89-92. LU Wenwen, Lü Xinmin, ZHANG Liming, et al. Design of cotton moisture tester[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2008 (5): 89-92.

[6] 范力旻. 新型棉花水分測試儀[J]. 中國棉花, 2007, 34(12): 12-13. FAN Limin. New cotton moisture tester[J]. China Cotton, 2007, 34(12): 12-13.

[7] 石德全, 滿亮亮, 高桂麗, 等. 直流電場下濕型砂極化機理分析和等效模型建立[J]. 哈爾濱理工大學學報, 2014, 19(6): 12-16. SHI Dequan, MAN Liangliang, GAO Guili, et al. Polarization mechanism analysis and equivalent model of green sand under direct current electric field[J]. Journal of Harbin University of Science and Technology, 2014, 19(6): 12-16.

[8] 李向男, 包大勇, 滿忠雷, 等. 電線電纜絕緣電阻測量的影響因素分析及研究[J]. 機械工業標準化與質量, 2014(4): 91-95. LI Xiangnan, BAO Dayong, MAN Zhonglei, et al. Research and analysis of effect of factors on insulation resistance of wire and cable[J]. Machinery Industry Standardization & Quality, 2014 (4): 91-95.

[9] 賈高鵬，來侃，孫潤軍. 基于LabVIEW的纖維集合體微電流測試儀的研制[J]. 紡織學報, 2010, 31(3):119-122. JIA Gaopeng, LAI Kan, SUN Runjun. Research of fiber assembly weak current tester based on LabVIEW[J]. Journal of Textile Research, 2010, 31(3):119-122.

[10] HEARLE J W S. Capacity, dielectric constant, and power factor of fiber assemblies[J]. Textile Research Journal, 1954(4):307-321.

Factors influencing current relaxation of cotton fiber assembly

JIA Gaopeng1, ZENG Chunmei2

(1.CollegeofTextile&Clothing,YanchengInstituteofTechnology,Yancheng,Jiangsu224051,China； 2.LightChemistryDepartment,YanchengInstituteofIndustryTechnology,Yancheng,Jiangsu224005,China)

In this paper, by means of self-made fiber compression device and current testing system based on LabVIEW, effect of volume density, voltage, relative humidity and temperature on random cotton fiber assembly current relaxation was experimentally investigated. It was found that with volume density increasing, time of random cotton fiber assembly current from peak to stable value reduces to some extent. With the increase of voltage, time of current from peak to stable value decreases. With relative humidity and temperature raising, the time of current from peak to stable value shortens. In order to obtain the accurate fiber conductance, the testing time is considerably selected according to cotton assembly status, testing voltage, relative humidity and temperature.

cotton fiber; current relaxation; influence factor; conductance

10.13475/j.fzxb.20150500104

2015-05-04

2016-03-09

江蘇省高校自然科學基金面上項目(13KJD430006)

賈高鵬(1978—)，男，講師，博士。主要研究方向為纖維電學性質與測試技術。E-mail: jiagaopeng2003@163.com。

TS 101.3

A