幾項紡織品靜電性能指標的探討

文/丁明 朱永熙 張曉靜

大多數紡織材料是電的不良導體，具有較高的電阻值，在生產加工和使用過程中，受摩擦、牽伸、擠壓、剝離等作用會產生靜電，尤其是合成纖維制品就更為明顯，如果產生的靜電不能較快逸散，積累達到一定程度就可能引發各種障礙和危害。隨著科學技術的發展和人們對生產生活要求的不斷提高，各類防靜電紡織品得以逐漸開發推廣，不僅在電子、石油、化工、礦冶、醫藥等行業得到廣泛應用，在服裝、家紡等民用領域也有較好的推廣運用。因此織物的靜電性能越來越受到人們的關注，而在織物靜電性能的評價和各個靜電指標適用性方面，有時還存在一些令人困惑的問題。

1 防靜電織物的類型及其工作機理

為減少靜電所帶來的危害，應該從控制電荷的產生、積累以及使產生的電荷迅速消除、逸散入手，由于在紡織品加工和使用過程中摩擦不可避免，因此最積極有效的抗靜電方法是把產生的靜電迅速釋放掉。消除靜電的辦法大致有三種：一是接地，二是提高環境濕度，三是增加材料的電導率。運用這些方法，從人們所開發的各種防靜電織物的生產工藝來區分，主要可分為三大類別[1]：第一類，采用抗靜電劑對普通織物進行加工整理；第二類，在化纖紡絲過程中混入吸濕性材料及親水基團；第三類，混紡或嵌織具有導電性能的纖維、紗線或長絲。這種具有導電性能的纖維有導體或亞導體兩大類，導體類有不銹鋼纖維、銅纖維、鎳纖維等金屬纖維或鍍銀纖維等類金屬纖維，亞導體類則是在化纖紡絲過程添加炭黑或金屬氧化物等導電介質而制得。采用不同類型的導電短纖維或長絲、不同的紡紗或織造方法，所制得織物的品種更是多種多樣，可以在機織物的經緯向（或針織物的縱橫向）織入具有導電性能的長絲或紗線（由導電纖維與常規纖維混紡制得），也可以在無紡布中混入導電短纖維或嵌入導電長絲及紗線，按織物中導電成分的分布情況可分為嵌織型和均布型兩種類型。這第三種類型由于受環境的影響小，耐久性也好，所以得到各行業的普遍接受，應用也最為廣泛。

以防靜電機理來看，織物靜電的釋放有兩種形式，即泄漏和中和，而兩種形式往往會同時存在，只是不同條件下側重于其中某一種形式。第一、第二類織物主要是利用靜電泄漏的原理，第三類織物的工作機理人們一般認為是通過導電纖維的靜電誘導、電暈放電和泄漏等綜合作用而實現，即在不接地時是借助于導電纖維很緩和的電暈放電而消電，而在接地時織物上的靜電除因導電纖維的電暈放電被中和之外，還經導電纖維向大地泄放。正是由于各類織物工作機理及條件各不相同，導致不同靜電指標的差異，有時甚至出現不一致狀況。

2 紡織品靜電性能的檢測方法和評定指標

對材料靜電性能的評價，大體可以歸結為產生電量的多寡和電荷逸散速度的快慢這兩個方面，我國現行國家標準和行業標準中制定了較完整的紡織品靜電性能檢測和評價標準，也有針對纖維、織物和服裝的產品標準，其中GB/T 12703《紡織品 靜電性能的評定》分7個部分從多方面為觀測和表征紡織品的靜電性能提供了一系列的方法和依據。標準中GB/T 12703.1—2008《紡織品 靜電性能的評定 第1部分：靜電壓半衰期》、GB/T 12703.2—2009《紡織品 靜電性能的評定 第2部分：電荷面密度》、GB/T 12703.5—2010《紡織品 靜電性能的評定 第5部分：摩擦帶電電壓》這三項檢測方法及指標是針對織物靜電性能常會使用到的，三者有相似的地方，又有所不同，以下對此做一些理論探討與分析，以便更好地理解和運用。

3 靜電壓半衰期、電荷面密度和摩擦帶電電壓的數學模型

為統一起見，都采用靜電荷量進行推導和分析。3.1 靜電壓半衰期的數學模型

靜電壓半衰期采用重現性較好的電暈帶電，操作簡便，是用10kV 高壓靜電對置于旋轉金屬平臺上的試樣放電30秒，使試樣達到一穩定初始靜電電壓，然后斷開高壓，測量靜電壓衰減至一半所用的時間，其測試原理見圖1，相關試驗證明試樣的靜電衰減過程與RC電路的放電過程相似。設斷開高壓后的時間為t，t時刻試樣所帶靜電荷量為q，t時刻試樣上靜電壓為u，R為試樣的等效電阻，C為試樣的等效電容，τ為時間常數（τ=RC），U0為初始靜電電壓，Q0為初始靜電荷量。

圖1 靜電壓半衰期測試原理

圖2 靜電壓半衰期曲線模型示意圖

3.2 電荷面密度和摩擦帶電電壓的數學模型

電荷面密度是試樣在規定條件下以特定方式與錦綸標準布摩擦后用法拉第筒測得試樣所帶的電荷量，并據試樣尺寸求得電荷面密度。摩擦帶電電壓則是將試樣夾置于轉鼓上，轉鼓以400r/min的轉速使試樣與錦綸標準布摩擦，測試1min內的試樣帶電電壓最大值，其實質也是測量帶電量。與半衰期只是測量電荷衰減情況不同，電荷面密度和摩擦帶電電壓的測試過程都是：摩擦起電→間歇衰減→摩擦起電→間歇衰減→……是一個動態的過程，而且在摩擦起電過程中，同時也伴隨著電荷衰減。我們假設試樣的摩擦起電過程是均勻的，即帶電速率I0為一常數，靜電的衰減過程也始終符合（1）式。t為時間，n為摩擦次數，q為試樣所帶靜電荷量， R為試樣的等效電阻，C為試樣的等效電容，τ為時間常數（τ=RC），T1為摩擦進程時間，T2為間歇時間，T1、T2不變，也為常數，則：

當第一次摩擦起電時，t?[0,T1]

所以，當t=T1時

所以，當t=T1+T2時

由此可進一步推導出第n次摩擦或間歇期間的數學模型為（步驟略）：

摩擦時的靜電荷量

式中t?[(n-1)(T1+T2)，nT1+(n-1)T2]

間歇時的靜電荷量

式中t?[nT1+(n-1)T2，n(T1+T2)]

如確定好具體參數數值，按式（2）和式（3）便可計算得出當t（或n）達到試驗所要求的時間（或次數）時所對應的電荷量。摩擦帶電電壓所測為靜電壓，其算法類似，這里不再贅述。依此可以繪制出數學模型的圖像，圖3、圖4即為運用計算軟件Mathematica進行計算并繪制的電荷面密度和摩擦帶電電壓的試驗曲線模型示意圖。當然這些只是理論的推算，實際檢測中的情況還是相當復雜的，因為試驗中摩擦起電包括了擠、壓、拉、磨、粘附、剝離等多種機械物理作用的配合，也存在如人員手法差異、樣品位置差異、接觸程度差異等諸多影響，是不可能這樣理想化的。

圖3 電荷面密度曲線模型示意

4 討論分析

4.1 對于靜電壓半衰期與電荷面密度可能出現不一致的分析

a）由于檢測靜電壓半衰期的外加電壓為10kV，如圖2衰減曲線所示，在做半衰期試驗時，其衰減區域是在A區。而在做電荷面密度時，由于是摩擦帶電，未必達到在高壓靜電場中所達到的帶電量，則衰減位置就有可能在B區，故衰減比在A區要慢得多。所以在不同的織物對比時，可能會出現半衰期小而電荷面密度大，或者半衰期大而電荷面密度小的情況。

圖4 摩擦帶電電壓曲線模型示意

b）標準GB/T 12703.1—2008設定了半衰期≤2.0s為A級、≤5.0s為B級、≤15.0s為C級的評定標準，也有相關標準設定了半衰期＜1s織物防靜電性能為優良、1s～10s為良好、10s～100s為一般、100s～300s為差、＞300s為極差的分級，但倘若某種織物初始靜電電壓很高，而半衰期較小，這樣的織物防靜電性能未必就好，因為即使衰減掉一半，織物上還有較高的靜電量（如圖5中織物a）。

圖5 不同織物靜電壓半衰期對比示意

對于第三類織物，由于主要是通過電暈放電而消電，不可能帶上很高的電壓，常會出現初始靜電電壓較小，但半衰期大的情況（如圖5中織物b）。在織物的對比試驗中，就看到了這一點。如表1中，3-1#織物的半衰期比2-1#織物要大些，但它測試時的初始靜電電壓以及電荷面密度數值明顯小，因此 3-1#織物比2-1#織物抗靜電效果還要好些。

c）半衰期法適用于均質樣品的測試和評價。由于第三類織物絕大多數是非均質樣品，導致試樣在金屬平臺上的接觸狀態無法控制，導電纖維與平臺接觸良好時電荷快速泄漏，而接觸不良時衰減速率則主要取決于其電暈消電的快慢，在不同放置情況下得出的測試結果可能差異很大，因此這類織物的靜電性能不宜采用半衰期來評價，這一點相關文獻已有闡述[3]。

4.2 對電荷面密度與摩擦帶電電壓的比較分析

a）從測試原理來看，這兩種方法是相似的，既能體現織物的起電特性又能體現織物的衰減特性，表征織物上所帶電量的動態狀況。因此，電荷面密度、摩擦帶電電壓兩項指標的測試方法與人們的使用情況比較接近，更能反映織物實際使用的情況。

表1 采用不同抗靜電方法的試驗對比

b）電荷面密度能較好地反映織物在受到接觸、摩擦、分離等物理作用時而產生靜電的水平，能體現穿著狀態，對于均質和非均質樣品都適用，總的來說，該指標能全面反映被測對象靜電性能的優劣，測試方法簡單，可靠性較高，是首選的方法之一[4-5]。但由于摩擦起電是以人工操作實現的，因此要注意測試操作手法的影響。對于針織類產品，會碰到織物受力形變較大不易控制，導致測試結果不穩定的情況，這也是要注意克服的。按GB/T 12703.2—2009標準規定，織物電荷面密度≤7.0μC/m2為達標，而對于某些生產場所使用的紡織品則應有更高要求。

c）摩擦帶電電壓法因為是將試樣夾持在金屬轉鼓上，織物受力變形小，所以該方法對針織物也很適用。但由于試樣尺寸太小，所以對于嵌織導電纖維的織物而言，導電纖維的分布會隨取樣位置的不同而不同，可能對測試結果帶來較大差異，故而對這類織物的測試和評價，不建議單一使用此方法。

d）摩擦帶電電壓由于是在快速旋轉摩擦中進行測量，T1、T2均很小，從圖3、圖4的對比中可看出理論上其結果數值相較于電荷面密度法會更接近于極限值，因此更能體現人體運動過程中的瞬間帶電情況。例如，隨著大規模集成電路的發展，集成度越來越高，非常精細，其中有些集成電路的耐擊穿電壓僅幾十伏，所以，在一些要求較高的微電子車間所使用的紡織品會對這一指標進行控制。

5 結語

通過上述分析就不難理解為什么有時靜電性能指標可能會出現不一致的情況。正是由于多種多樣的防靜電產品其各自的材料特質和工作機理有所差異，而目前采用的各個靜電性能指標所反映的又是紡織品在靜電產生、逸散及其平衡過程中的特定時刻或某個方面的狀態，故而各個指標間沒有明確的相關性。因此，為準確客觀地評價紡織品的靜電性能，應盡量避免使用單一指標，針對不同的行業要求、不同的織物性質，選擇適合的測試方法和評判標準。