窗簾摩擦靜電的電荷量研究

文/商良鉞 范曉偉 王艷

窗簾作為日常生活中不可缺少的室內裝飾品，不僅起到遮陽隔熱、調節室內光線的作用，同時又能美化室內環境，保護房主隱私[1]。因其獨特的布局特點——懸掛于窗戶的室內側，窗簾成為顆粒污染物由室外環境進入室內后第一個可能接觸并大概率發生沉積的表面，顆粒物在窗簾上沉積得越多，由室外通過窗戶進入室內的顆粒物就越少。因此，窗簾對顆粒物的吸附和捕捉能力對室內空氣的質量有著積極的影響[2]。

靜電是影響窗簾對顆粒物吸附效果的一個重要因素。窗簾在使用過程中，會與窗戶的金屬框、玻璃以及其他的窗簾布等表面發生不同程度的摩擦。這些摩擦會使窗簾布產生靜電，產生靜電的數量以及這些靜電對顆粒物的吸附效果如何，是一個值得探討的課題。窗簾屬于紡織物，目前對于紡織物靜電的研究主要集中在織物靜電的檢測、織物的抗靜電性能、織物的抗靜電處理等方面[3-6]，而對于紡織物在實際使用過程中（摩擦次數很少）產生靜電大小的研究則相對較少。本文主要對窗簾摩擦靜電的電荷量進行研究，目的是得出窗簾在使用過程中因摩擦而產生電荷量的大小，以提供摩擦次數較少時織物表面所帶電荷量數據的支撐。

1 窗簾布樣品的選擇

樣品的選擇直接關系試驗數據的可靠性、適用性，因此主要從材質、樣式等方面進行考量。目前市場上窗簾主要采用的材料有：純棉、麻、滌綸、真絲或由幾種原料混織而成等。這其中化學纖維相比于天然纖維有著耐用、經濟實惠、易打理等諸多優點。其中滌綸強度高、彈性好，耐熱性、耐腐蝕性、耐光性優良[7]，是窗簾的首選材料。因此選擇滌綸作為本試驗的主要樣品的材質。在結構上，試驗樣品應該具有結構簡單、變量少的特點，同時許多家庭在窗簾的選購中也偏向于純色或拼色窗簾，以避免窗簾在裝潢設計中的喧賓奪主，因此本論文中首先選取的樣品為純色單層滌綸長絲樣品。

窗簾在實際使用過程中，有一定概率會和人所穿的織物進行接觸，而羊毛作為紡織材料中具有代表性的動物纖維，電阻值為5×1011Ω，相反滌綸的表面電阻值大于1×1015Ω[8]。羊毛優秀的靜電耗散速度與滌綸形成鮮明的對比，并且，為了更深入地研究不同織物在摩擦次數較少時的靜電特性，分析不同織物材質的在相同的摩擦條件下的特性差異，更準確地說明滌綸作為窗簾材質在實際使用中和其他材質的靜電特性特點，本文增加純羊毛和羊毛-滌綸混紡的材料作為兩個對照樣品。

選取的試驗樣品材質為純滌綸、純羊毛、混紡，如圖1所示。具體參數如表1，其中滌綸樣品為長纖維樣品，忽略其毛羽長度。

為了方便描述，將放在桌面上固定不動的物品稱為被摩擦對象。被摩擦對象為滌綸、混紡、金屬板、玻璃。純鋁金屬板和玻璃分別用于研究窗簾布與金屬窗框和玻璃之間的摩擦。每種材質的織物有兩塊相同的試驗樣品，用于研究織物之間摩擦的靜電特性。樣品、鋁板、玻璃的尺寸均為800 mm×800mm。

圖1 試驗樣品

2 試驗原理與方法

2.1 試驗原理

織物產生靜電的機理主要有：接觸效應、摩擦效應、熱電效應、壓電效應、感應起電等[3]，而在窗簾的使用過程中，起電機理主要為摩擦效應。在拉動窗簾、風吹動窗簾、人經過窗簾的時候，窗簾均會與金屬窗框、玻璃、其他窗簾布、其他紡織品等發生摩擦，本文將主要對以上摩擦起電情況進行研究。

根據國家標準GB/T 12703.3—2009《紡織品 靜電性能的評定 第3部分：電荷量》[9]中法拉第筒的使用規范，想要還原窗簾自然摩擦的狀態是不可行的，因此本試驗采取抽象簡化的方法研究使用過程中的靜電狀況。用窗簾布樣品和各物體直接進行簡單摩擦，然后將摩擦后的窗簾布樣品直接投入到法拉第筒中，讀取窗簾布所攜帶的電荷量，用以間接測量窗簾在實際使用中可能的荷量。與錢樨成[3]等人對于摩擦次數和電荷量關系的試驗相比，錢樨成等人摩擦次數高達7000次，本試驗摩擦次數更少，是面與面之間的摩擦，摩擦方式貼近實際。

根據侯慶華等人[10]的研究可以知道，織物充分摩擦之后產生的電荷量的數量級在0.14μc/m2～16μc/m2之間，根據摩擦的材料，摩擦的情況不同，數量級有所不同。摩擦帶電一般關系如下列方程式[3,6]。

式中：Q——為帶電量，C；W——為摩擦功，J；ν——為摩擦速度，m/s。

物體帶靜電，其對地面的電位提高。本文檢測電荷量的設備是法拉第筒。法拉第筒根據高斯原理，結合電荷量與電容、電壓之間的關系，通過測量電壓來間接測量織物或其他物品的電荷量，具體原理見參考文獻[10]。

2.2 試驗方法

本文使用的法拉第筒型號為YG(L)342F。具體試驗步驟為：

1）將被摩擦對象水平放在金屬板上，金屬板水平放在絕緣桌面上，金屬板接地，一端伸出桌面10cm，以避免織物摩擦的過程中與桌面接觸。

2）將樣品與被摩擦對象水平對齊放置，用絕緣木夾夾住樣品兩端，以1.5m/s的速度水平摩擦，使樣品完全脫離被摩擦對象；

3）以相同的速度，反面反向摩擦一次，反面摩擦開始時，樣品與被摩擦對象重疊面積不超過樣品的四分之一，摩擦至樣品與被摩擦對象對齊時結束一次摩擦。

4）恢復摩擦開始前的狀態進入下一次摩擦階段。

5）摩擦完畢后迅速將樣品投入到法拉第筒中并讀取儀器的最大值作為該次測量的電荷量大小。

整個摩擦過程中，樣品、被摩擦對象、桌面等物體距離試驗人員最小距離大于15cm。在相對濕度為（40±3）%、室溫為（20±2）℃的環境下進行試驗。

3 試驗數據與討論

表1 樣品詳細參數

試驗全程監測環境中的相對濕度，確保相對濕度控制在（40±3）%，從而使相對濕度對試驗結果的影響降到最低，室溫（20±2）℃。通過試驗測量，得到3個樣品與不同的被摩擦對象進行不同次數的摩擦后產生的電荷量。試驗結果如圖2所示。

圖2 3個樣品與不同物體摩擦的電荷量曲線

試驗結果表明，摩擦之后的滌綸樣品和羊毛樣品均帶正電荷，而混紡材質的樣品帶負電荷。為了便于對試驗結果進行比較，本文將得到的全部電荷數據取絕對值處理。由于樣品面積全部為0.64m2，所以電荷量的大小直接反映出電荷量面密度的大小。

由圖2中的各曲線可以發現，織物表面所帶的電荷量隨摩擦次數的增加呈現兩種明顯的趨勢：一種是電荷量隨摩擦次數的增增加而增加，增加速度隨著摩擦次數的增加而減少；另一種是電荷量不隨摩擦次數有明顯的變化，而是在一定的范圍內波動。使用origin對圖中各組數據進行擬合之后發現電荷量隨摩擦次數增加試驗組中，電荷量與摩擦次數成對數函數的關系；另一種情況是電荷量與摩擦次數成常函數關系。

對于成對數函數關系的試驗組，根據公式（1）可以知道電荷量的多少和摩擦功成正相關，為摩擦功的1/2次方乘以速度的函數，在本試驗中每一次單獨的摩擦都盡量保持相同的摩擦狀態，可以認為摩擦速度保持不變，則電荷量的多少與摩擦功應成1/2次方的冪函數關系。當每次摩擦的狀態相同的時候，摩擦次數側面反映了摩擦功的大小。可以認為在本試驗中摩擦功隨著摩擦次數的增加線性增加，因此隨著摩擦次數的增多，電荷量的增長速度下降。實際測量過程中，測量的數值是殘留在窗簾樣品上的電荷，摩擦過程中必然存在電荷量的損失，且隨著摩擦次數的增加，損失量上升，而公式（1）并沒有電荷量耗散項，因此與本文擬合的函數種類有所不同。在錢等人[3]的研究中也指出，當摩擦次數達到一定值后靜電大小保持穩定。

對于成常函數關系的試驗組，其中羊毛與玻璃摩擦產生的靜電很小，且在0.075 μc/m2～0.118μc/m2之間波動，并未達到羊毛帶電的最大值。再通過對比三種樣品與其他物體的摩擦，可以看出，玻璃在4種被摩擦對象中是平均產生電荷量最少的材質，說明玻璃是不容易摩擦帶電的材質。而羊毛與混紡、羊毛與滌綸、滌綸與滌綸均產生了較大的靜電，且靜電大小不隨摩擦次數的增加而變化。說明這三種摩擦組合，一次摩擦便產生了大量靜電，達到了靜電飽和狀態，從摩擦功角度來講，一次摩擦的摩擦功足以讓織物達到靜電平衡狀態。

在與混紡摩擦的試驗中，圖2（d）的羊毛樣品依然產生了較大的電荷，但相比于摩擦滌綸，摩擦混紡產生的電荷量較低。與摩擦滌綸試驗對比，可以發現，三種樣品的電荷量均有所降低，且在前4次摩擦就達到了靜電飽和狀態，這說明：三種樣品摩擦混紡的時候，更容易產生靜電，但電荷量上限要小于與摩擦滌綸時的情況。從結構和材質角度分析：滌綸材質較混紡材質飽和時帶電更多，但本試驗的滌綸樣品重量、厚度、毛羽數量要遠遠小于羊毛樣品和混紡樣品，在一次摩中，做功較小，根據公式

（1）摩擦功小的產生的電荷量就小，因此，摩擦滌綸的電荷量上升速度更慢，但飽和值卻更高。

由上述分析可以看出，對于不同的被摩擦對象，滌綸樣品的靜電曲線并不完全相同。當織物需要多次摩擦才能達到靜電飽和狀態時，電荷量-摩擦次數曲線均滿足對數函數關系。當摩擦一次便能達到靜電平衡狀態時，電荷量-摩擦次數曲線則是在一定范圍內波動變化，有常函數形態的趨勢。摩擦次數可以變相地看為樣品的摩擦功，進而可以得出推論，織物表面因摩擦帶電的電荷量大小與摩擦所做功成對數函數關系。當摩擦次數達到一定程度時，摩擦產生的電荷量趨于穩定。而公式（1）中并未考慮電荷的耗散，因此并不能完全反映織物在實際摩擦中的電荷量曲線特性。

綜合3個樣品摩擦不同物體的曲線圖可以看出，3個樣品摩擦滌綸產生的電荷量最大，然后依次是混紡、金屬、玻璃。可以看出，滌綸窗簾在使用過程中，主要電荷量產生于窗簾與其他織物或自身進行摩擦產生的靜電，而與窗框、玻璃等物體的摩擦則是次要因素。滌綸窗簾摩擦產生的電荷量數量級在相對濕度（40±3）%、溫度（20±2）℃時，為0.109μc/m2～2.19μc/m2。

4 結論

通過試驗，用3種不同材質和4種被摩擦物進行了摩擦試驗，并對電荷量隨摩擦次數的變化進行函數擬合。可以得到窗簾在使用中因摩擦可能產生的電荷量的大小，以及電荷量-摩擦次數的變化關系。基于試驗數據得到以下結論：

（1）各材質織物樣品在摩擦中的靜電曲線略有不同，但普遍是和摩擦次數有著對數函數的關系，達到一定的摩擦次數之后保持穩定。

（2）在窗簾這種使用情況下，窗簾的靜電主要來源于窗簾與窗簾之間的摩擦（如：雙層結構的窗簾、窗簾配合紗簾等情況），其次是源于與玻璃或金屬窗框之間的摩擦。滌綸窗簾摩擦產生的電荷量在相對濕度（40±3）%、溫度（20±2）℃時，為0.109μc/m2～2.19μc/m2。

（3）在相同摩擦速度下，靜電產生的多少與樣品材質的電阻大小是弱相關，與樣品的結構參數是強相關。