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纺织纤维制品静电性能的标准与测试

日期:2017-08-28|作者:admin |人气:
纺织纤维制品在生产加工和使用过程中容易由于摩擦或者感应产生静电,尤其使用回潮率低的合成纤维类纺织品的静电积累现象更明显[1?2]。 为了在实际应用中避免静电积聚效应的危害,部分纺织纤维制品需要进行抗静电处理,提高其自身导电能力。 纺织纤维制品抗静电处理的本质主要包括两个方面:一是使纺织品产生的静电荷能够迅速逸散消除,如加入导电性金属纤维;另一个就是降低纺织品产生静电的能力,如提高纤维材料的吸湿性能。
导体能够将电荷从其产生处迅速转移或传导到其它部位,而电荷几乎只能停留在产生处的物体叫绝缘体,通常将表面电阻大于 1014 Ω 的材料称为绝缘材料。
各种材料的表面电阻如表 1 所示,其中纺织纤维类产品表面电阻一般在 1013~1020 Ω 之间,这并不是严格意义上的范围。 如果能够将电阻降到 1013 Ω 以下,纤维制品就具有一定的抗静电效应。 一些常用纤维的表面电阻如表 。

1 抗静电纤维
1.1 抗静电纤维
抗静电纤维一般指电阻率在 108~ 1013 Ω·cm 之间的纤维、导电纤维和纤维静电序列[4]。 抗静电纤维可以通过化学改性的方法提高纤维的吸湿性能,使纤维达到抗静电的能力。 例如,将成纤聚合物与具有亲水性基团的高分子化合物(或单体)接枝共聚;通过复合纺丝的方法,制成皮芯结构的纤维,芯层为抗静电成分,皮层的聚合物对抗静电组分起保护作用,保持持久的抗静电性能;或使用抗静电剂直接对纤维进行表面处理。 抗静电纤维用于一般性抗静电服装和毛毯等。
1.2 导电纤维
通常把电阻率小于 108 Ω·cm 的纤维定义为导电纤维。 导电纤维通过电子传导和电晕放电的方式来消除织物中的静电,静电荷被随时释放而无法大量累积,所以具有抗静电能力,且抗静电效果显著、耐久,不受
环境湿度的影响[3]。导电纤维可分为金属纤维、碳纤维、有机高分子导电纤维三大类。 金属纤维主要指不锈钢纤维、铜纤维、银纤维和铝纤维等。 金属纤维具有导电性能优异稳定、可经受纺织染等工序而不改变性能等优点,缺点是柔韧性差、抱合力小,染色受限制等;碳纤维耐热、耐化学腐蚀性,但缺乏柔韧性;有机高分子导电纤维指采用导电高分子材料直接纺丝成形的纤维,随着聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯等导电高分子材料的迅速发展,利用导电高聚物制备导电纤维是未来的发展趋势[5?7]。
导电纤维主要用于防静电无尘工作服、洁净服、无菌衣、抗静电手套和抗静电毛毯等高抗静电性能要求的场合。
1.3 纤维静电序列
两种不同的物质相互摩擦时,其中一种物质带正电荷,另一种物质带负电荷,根据两种物质产生静电极性的不同,将各种物质依次排成序列,叫做静电序列。常用纤维的摩擦带静电序列:( +) 锦纶、羊毛、蚕丝、粘胶、空气、棉、麻、人体皮肤、涤纶、维纶、腈纶、丙纶、乙纶、氯纶(-)。
在静电序列中靠前的纤维与靠后的纤维相互摩擦,靠前的纤维带正电荷,靠后的纤维带负电荷。史广安等[8] 研究了空气在纤维静电序列中的排位,将空气作为一种物质排在静电序列中,其位于粘胶纤维和棉纤维之间,认为同种织物摩擦产生静电的原因是由于其与空气的接触分离,较好地解释了同种织物摩擦产生静电的现象。
他们还研究了人体皮肤在摩擦带静电序列中的位置,把人体皮肤的位置排在麻纤维与涤纶之间,这对于研究不同材料与皮肤摩擦产生静电非常有帮助,例如预测产生正电荷还是负电荷,可能产生电荷量大小等。对于纺织服装产品,在使用过程中将因与人体皮肤的摩擦而带电,因此将人体皮肤排在静电序列中,有利于研究人体与服装摩擦产生静电荷的状况[9]。
根据静电序列中纤维产生静电的极性和程度不同,在设计产品时,首先尽量选用在带电序列中位置相邻近的纤维,可减少静电荷的产生;其次在考虑可纺性和其它性能的同时,选择适当的异类纤维混纺或交织,优化混纺比或交织比,使两种纤维产生的异种电荷自行抵消。

2 纺织品静电性能评价
2.1 纺织纤维制品静电标准
目前,国内纺织纤维制品静电性能标准按适用范围可分为国家标准和纺织行业标准,按性质可分为方法标准和产品标准。 我国的纺织纤维制品静电标准主要借鉴国际标准和国外的一些先进标准,包括日本标准(JIS)、欧洲标准(EN)、美国标准(AATCC)和国际标准(ISO)。 例如,GB / T 12703 系列标准采用的是日本标准 JIS L1094 和 JIS T8118;GB / T 22042,GB / T 22043则分别采用欧洲标准 EN 1149-1,EN 1149-2。 国内纺织纤维制品测试标准及采标情况如表 3 所示[10?22],产品标准静电性能的检测项目和技术指标要求。
2.2 带电原理
不同标准采用的带电方法和测试原理不同,目前比较常用的带电方法包括接触带电和非接触带电,前者主要包括摩擦带电和接触充电,而后者主要指感应带电。 摩擦带电、接触充电和感应带电是目前最常见的三种纺织纤维制品静电性能测试中的带电原理。
2.2.1 摩擦带电
摩擦带电是接触起电的一种,指两个物体接触后相互作用和分离引起的材料间的电子转移,这是材料产生静电电荷最常见的过程。 纺织纤维制品在使用过程中被不断摩擦,静电一边产生一边逸散,纤维制品分离时,经过一系列的电子转移,如逸散、放电、传导、中和等过程,最后就用织物上残留的剩余电荷量表征织物的静电效应。
日常使用的大部分纺织纤维制品产生的静电都属于摩擦起电。 因此,采用摩擦的测试方法是最接近实际使用情况的,可以模拟人穿着服装摩擦以后的带电情况。 该方法的关键点是对标准摩擦布的选择,选择不同的标准摩擦布将会有完全不同的测试结果,其结果不具有可比性。 例如,GB / T 12703 系列标准使用的标准布是锦纶布,而 GB 12014 用的标准布则是腈纶布。
利用摩擦带电的方法测定纺织品静电性能的标准主要包括:GB / T 12703.2—2009 《纺织品 静电性能的评定 第 2 部分:电荷面密度》,采用人工摩擦的方法;GB / T 12703.3—2009 《纺织品 静电性能的评定 第 3部分:电荷量》,采用滚筒自动摩擦方法;GB / T 12703.
5—2010 《纺织品 静电性能的评定 第 5 部分:摩擦带电电压》,采用仪器自动摩擦方法;GB 12014—2009《防静电服》采用滚筒自动摩擦方法。
2.2.2 感应带电
利用高压放电极产生的高压电场,使试样在高压静电场中感应带电至稳定后,断开高压电源,使其电压通过接地金属台自然衰减,从而测得感应电荷量、感应静电压和半衰期等,以此表征试样的静电性能[30]。 通过感应带电的原理测定纺织品静电性能的标准主要包括:GB / T 12703.1—2008《纺织品 静电性能的评定 第
1 部分:静电压半衰期》;EN 1149-3:2004 《防护服 静电性能 第 3 部分:测量电荷衰减的试验方法》。
2.2.3 接触充电
所谓接触充电法就是将试样安装于两个通电圆辊试样夹之间,通过试样夹直接对样品进行充电。 例如,美国非织造材料协会( INDA)和欧洲非织造材料协会(EDANA)联合制定了非织造布静电标准 WSP 40. 2《非织造布静电衰减标准测试方法》,把充电电压升到5 kV,直接给试样接触充电,当充电过程中试样的电压不再上升时,读取该稳定电压,然后将试样夹接地,通过正对着试样中心的非接触式传感器来监测试样表面电位的衰减过程[31]。
2.3 静电性能评价指标
表征纤维材料制品静电性能的主要评价指标有电阻类指标,如体积比电阻、质量比电阻、表面比电阻和泄露电阻等;电压类指标,如摩擦带电电压和感应静电电压;时间类指标,如半衰期、10%衰减时间、1%衰减时间和吸附时间;电荷量类指标,如电荷量和电荷面密度;其它指标,如吹灰试验、吸附金属片试验等。 由于各个评价指标反映的是纺织品静电产生、逸散及其平衡过程中各自的一个方面或者平衡过程中特定时刻的状态,故各指标间不一定有明确的相关性。
2.3.1 电荷量类指标
电荷量类指标主要指电荷量和电荷面密度。 电荷量及电荷面密度测试原理都是通过摩擦使样品带电,然后放入法拉第筒测定电荷量,面密度则指单位面积试样的电荷量。 电荷量采用微库仑(μC)表示,电荷面密度则采用微库仑每平方米(μC / m2)表示,其中电荷量指标适用于服装,而电荷面密度则适用于织物面料。
测试时,将经过摩擦装置摩擦后的试样投入法拉第筒,测定样品的带电量。 例如标准 GB / T 12703.2—2009《纺织品 静电性能的评定 第 2 部分:电荷面密度》,摩擦标准布采用锦纶平纹布,摩擦起电通过人工操作实现,故测试条件的一致性、测试结果的准确性和重现性易受操作手法的影响;GB / T 12703.3—2009《纺织品 静电性能的评定 第 3 部分:电荷量》,其滚筒内衬材质采用锦纶标准布,通过滚筒自动摩擦的方法,减少了人为操作的影响。
2.3.2 时间类指标
时间类指标主要指静电衰减时间和吸附时间。 静电衰减时间包括半衰期、10%衰减时间和 1%衰减时间等。 通过一定方法,例如感应带电或直接充电,让试样带上一定的电荷量,以电荷量的衰减时间表示。
使试样在高压静电场中带电至稳定后,断开高压电源,使其电压通过接地金属台自然衰减,测定静电压值及其衰减至初始值一半所需的时间,称为半衰期。
例如,GB / T 12703.1—2008《纺织品 静电性能的评定第 1 部分:静电压半衰期》;而 WSP 40.2(08) 《非织造布静电衰减标准测试方法》中的衰减时间则是指诱导电荷衰减到初始水平的 10%所需的时间;EN 1149-3:2004《防护服 静电性能第 3 部分:测量电荷衰减的试验方法》中的半衰期是指显示电场强度衰减到最大电场强度的 1 / 2 时所需的时间。
吸附时间是织物摩擦后吸附于金属斜面,根据吸附时间评价织物静电性能。 此法设备简单,适合于反映服用织物因静电吸附肢体的程度,然而,其测试结果易受操作手法的影响,属于简易测试方法,对含有导电纤维的织物试样,测试结果稳定性差。
2.3.3 电阻类指标
电阻类指标主要包括体积电阻(垂直电阻)、表面电阻、纤维比电阻和泄露电阻等。
体积电阻(垂直电阻)是指在一定的通电时间后,施加于与试样的两个相接触面的两个电极之间的直流电压对于两个电极之间电流的比值,采用环形组合电极。 主要标准有欧洲标准 EN 1149 - 2:1997《防护服静电性能 第 2 部分:通过材料的电阻(垂直电阻)试验方法》,国家标准如 GB / T 22043—2008《服装 防静电性能 通过材料的电阻(垂直电阻)试验方法》和 GB / T12703.4—2010《纺织品 静电性能的评定 第 4 部分:电阻率》。
表面电阻是指在一定的通电时间后,施加于材料表面的电极之间的直流电压对于电极之间电流的比值,通过表面电阻计算样品的表面电阻率。 施加电压一般最常用的是 100 V,500 V 和 1 000 V,采用环形组合电极,相关标准主要包括国家标准有 GB / T 12703.4—2010《纺织品 静电性能的评定 第 4 部分:电阻率》,GB / T 22042 《 服装 防静电性能 表面电阻率试验方法》,美国标准 AATCC 76—2005《纺织品表面电阻试验方法》和欧洲标准 EN 1149-1:2006《防护服 静电性能 第 1 部分:测量表面电阻率的试验方法》。
点对点电阻是指在规定时间内,施加在材料表面的两个电极间的直流电压与流过这两点间的直流电流之比。 被测样品必须放置在绝缘平板上,上面放置电极装置。 例如,GB 12014—2009《防静电服》中对点对点电阻提出了技术要求,并且在附录中详细规定了点对点电阻的试验方法。纤维比电阻是用于表征纤维导电性能的指标,纤维比电阻仪根据体积比电阻的公式 ρ = RS / L 设计,测定在一定的几何形状下,具有一定密度的纤维的电阻值,根据纤维的填充度计算比电阻值,例如国家标准GB / T 14342—1993《合成短纤维比电阻试验方法》。
纤维泄露电阻是用于表征纤维起静电性的一种指标,它以不同容量的电容 C 对纤维固有电阻和纤维表面附着的抗静电油剂等综合电阻 R 的放电时间 t,乘以电阻指数 10n 后的纤维电阻值 t×10n(Ω)表示。 测定时利用阻容充放电原理,用不同纤维电阻 R 跨接于充以电荷的固定电容(C)两端,以其放电速度来测定纤维电阻值,相关标准有 GB / T 12703.6—2010《纺织品静电性能的评定 第 6 部分:纤维泄露电阻》。
2.3.4 电压类指标
电压类指标主要包括摩擦带电电压和感应静电电压等。
摩擦带电电压以摩擦产生的最高电压表示。 在一定张力条件下,使试样与标准布相互摩擦,在规定时间内产生的最高电压作为试样摩擦带电情况的评价。 相关标准为 GB / T 12703.5—2010《纺织品 静电性能的评定 第 5 部分:摩擦带电电压》。
感应带电电压通过高压放电针产生的静电场使材料带电,直到带电电压稳定,即为感应电压值,用于表示试样上能够积聚的相对稳定的电荷所产生的对地电位,相关标准为国家标准 GB / T 12703.1—2008《纺织品静电性能的评定 第 1 部分:静电压半衰期》。
2.4 静电性能技术要求
2.4.1 GB/ T 12703 系列及 GB 12014—2009 技术要求在 GB 12703 系列标准中,对于非耐久型抗静电纺织品,洗前应达到表 5 要求;对于耐久型抗静电纺织品,洗前、洗后均应达到表 5 要求。
2.4.2 各国技术要求
国际电工委员会标准 IEC 61340-5-1 2007《静电-电子设备的静电防护通用要求》中规定:服装点对点电阻必须 RP-P<1×1012 Ω,静电衰减从 1 000 V 到 100V 的时间必须 < 20 s。 德国标准 DIN EN 100015TI:1992《对静电危害的电子元件的保护》中第一部分规定防护服装表面电阻必须为 7.5×105~1×1012 Ω,2 s 之内静电衰减从 1 000 V 降至 50 V。 德国《预防静电造成火灾危险的指南》中指明:在气体爆炸危险场所必须穿表面电阻小于 109 Ω 的服装。
美国国家标准学会静电放电协会标准 ANSI/ ESDS20.20—2007《静电放电控制方案》中规定,静电控制服必须<1×1011 Ω,可接地的静电控制服必须<1×109Ω,可接地的静电控制服系统必须<3.5×107 Ω。
英国《防静电通用规范》中规定,在高敏感易燃材料场合,若外衣的表面电阻率大于 5×1010 Ω,则不能使用。
日本的《安全静电指南》 要求在最小点火能小于0.1 mJ 的易燃气体和氧浓度有增大危险的场所,所用工作服带电量指标定为 0.2 μC / 件[30]。中国电子行业标准 SJ/ T 10694—2006《电子产品制造与应用系统防静电检测通用规范》中规定工作服点对点电阻为 1×105~1×1010,电荷量<0.6 μC。
2.5 调湿和试验环境条件
样品的调湿与试验环境对静电性能测试结果影响非常大,尤其是湿度的影响。 因此,在静电检测中,湿度控制至关重要,对于调湿条件和试验环境必须在检测报告中特别注明。
纺织纤维制品静电性能检测中,样品调湿时间必须足够充分,试验环境必须稳定。 不同温湿度条件下,测试结果差异很大。 例如,在同一温度下,随相对湿度增大,织物产生静电的能力减小,尤其对不含导电纤维的织物影响更大[32]。 不同国家和地区关于测试静电性能时的调湿和试验环境如表 6 所示;我国不同标准采用不同的温湿度调湿和试验环境,如表 7 所示。

3 结论
(1)采用不同的静电测试方法及不同的带电原理,其测试结果之间没有明显关联性;不同环境条件下的测试结果差异很大,测试结果不具有可比性。
(2)不同测试方法适用于不同的纺织纤维制品类型,因此纤维制品静电性能测试方法的选择也很重要。
(3)样品的调湿对于测试结果影响很大,必须保证样品在规定环境下进行充分调湿。 试验环境与调湿环境一致,测试过程中必须保证环境条件的稳定,并将实际测试过程中的环境条件在报告中注明。
(4)采用摩擦带电原理测试方法时,对于标准布的选择非常重要,主要包括标准布的材料类型,标准布的组织结构、使用期限等。

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