張武勤

1.鄭州大學電氣工程學院，河南鄭州 450001

2.鄭州師范高等?？茖W校物理系，河南鄭州 450044

濕度對皮革導電性影響的實驗研究

張武勤1，2

1.鄭州大學電氣工程學院，河南鄭州 450001

2.鄭州師范高等專科學校物理系，河南鄭州 450044

本文對皮革中的載流子進行了分析，通過實驗來測量山羊皮革在不同濕度下的電導率，然后對實驗結(jié)果進行理論分析，得出了皮革的電導率隨濕度變化而變化的基本情況。

濕度；皮革；電導率

0 引言

皮革是由動物皮經(jīng)過一系列物理與化學加工處理形成的一種柔軟、堅韌、耐磨、耐腐蝕的特殊物質(zhì)，皮革同時也是一種天然高分子材料，具有高分子材料的低電導率、低介電常數(shù)等特性。長期以來人們已經(jīng)對它的化學、力學、熱學特性進行了深入的研究，但是關(guān)于皮革的電學特性卻研究得很少。陜西科技大學的張方輝老師等已經(jīng)從皮革材料中含有大量電子和極性基團出發(fā)，探討了皮革材料電子位移極化與偶極子轉(zhuǎn)向極化的規(guī)律，得出了光頻下介電常數(shù)、折射率以及偶極子轉(zhuǎn)向極化率的數(shù)學表達式，分析了影響這些物理量的具體因素?？紤]到皮革內(nèi)含有多種元素和帶電基團，而且在皮革加工過程中，這些元素和帶電基團的種類和數(shù)量都在發(fā)生變化，所以關(guān)于皮革材料電學特性的研究對于揭示皮革材料本身的結(jié)構(gòu)、特性和制革過程的基本規(guī)律，以及皮革在電學方面的應(yīng)用都將有積極的意義。

1 皮革中的載流子分析

皮革生皮主要成分是膠原蛋白，這些膠原蛋白通過形成許許多多長短、粗細不等的膠原纖維相互編織而成，屬于多孔性疏松物質(zhì)。皮革加工即是對皮革的膠原纖維進行堿膨脹、軟化、鞣制、染色加脂、表面涂飾等。

根據(jù)原皮的結(jié)構(gòu)以及皮革的加工過程可知，皮革材料既沒有能夠產(chǎn)生自由電子的禁帶結(jié)構(gòu)，也沒有能夠產(chǎn)生自由電子的金屬鍵。但是皮革分子中存在著酸性或堿性基團，在皮革加工過程中 要 引 入NH2+、Na+、Ca2+、Cr3+、H+等 陽 離 子 以 及 Cl-、COO-、SO4

2-、OH-等陰離子，陽離子通常與皮革中的酸性基團結(jié)合而陰離子則與皮革中的堿性基團結(jié)合。這種結(jié)合都很不牢固，在水分子作用下就容易形成自由離子或離子基團，在電場作用下，這些離子或離子基團發(fā)生定向移動，從而使皮革材料產(chǎn)生導電性。

由此可見，皮革材料的載流子主要為加工過程中與皮革高分子基團結(jié)合產(chǎn)生的帶電離子或帶電離子基團。對皮革導電性的研究實際就是對皮革材料加工過程形成的帶電粒子以及帶電粒子基團與皮革膠原纖維結(jié)合特性的研究。由于高分子多層次的結(jié)構(gòu)和多種分子運動的特點，使其呈現(xiàn)出遠比小分子更多的性能。皮革作為一種人工加工改良的高分子材料，在不同的濕度條件下，皮革內(nèi)部的離子電離數(shù)目、種類以及皮革分子結(jié)構(gòu)均會發(fā)生改變，使載流子的數(shù)目發(fā)生變化，從而影響了皮革的電導率。

2 實驗過程

2.1 實驗樣品及儀器

本實驗中研究的內(nèi)容是測量3種不同鞣制方法處理的山羊皮革在不同濕度下的電導率，實驗條件和實驗儀器如下所示：

1）3 種不同鞣制方法處理的山羊皮革：鉻鞣山羊皮革、植鞣山羊皮革、鉻植復合鞣山羊皮革，形狀為圓形，厚度如表1所示（專用皮革厚度測量儀測量樣品的厚度，用游標卡尺測量銅電極的直徑，電極為銅電極略小于皮革樣品）：

表1 實驗中樣品的尺寸

2）恒溫恒濕試驗機：臺灣寶大國際儀器股份有限公司生產(chǎn)的PT-2090A型恒溫恒濕試驗機，測試前，分別將皮革放在恒溫恒濕試驗機中靜置24小時，使其達到開始時所需要的溫度和濕度，準備測試；

3）直流電源：德江無線電儀器廠生產(chǎn)的WYJ-302B2型晶體管直流穩(wěn)壓電源，其量程為3V-30V十檔，可滿足的0V～30V電壓需求；

4）檢流計：浙江建德星火儀器廠所生產(chǎn)的AC15/1型直流復射式檢流計，其分度值＜1.5×10-9安/分度，內(nèi)阻＜500Ω；

5）萬用表：LINI-T UT58A、UT39C。

2.2 實驗電路

測試的電路原理圖如圖1所示：

檢流計與皮革樣品串聯(lián)，直流電壓表與兩者的串聯(lián)電路并聯(lián)，最后與直流電源構(gòu)成閉合回路。實驗時把待測樣品放在兩塊銅電極之間，為了保證電極與待測樣品之間實現(xiàn)良好的接觸，電極必須有一定的壓力，電極上方放置質(zhì)量為200g的砝碼。

對于每個電流值I，電壓值U，我們利用：

即可計算出待測樣品的電阻率與電導（R：待測樣品的電阻；U：待測樣品兩端施加的電壓；I：流過待測樣品的電流。ρ：待測樣品的電阻率；γ：待測樣品的電導率。 L：待測樣品的厚度；S：待測樣品的面積）。

2.3 實驗結(jié)果

濕度為26%～80%時的鉻鞣山羊皮革、植鞣山羊皮革、鉻植復合鞣山羊皮革的電導率與濕度的關(guān)系曲線如圖2。

3 實驗理論分析

根據(jù)皮革吸水性的理論，在一定溫度下，革中的水分含量隨著相對濕度的減小而減小，或者說濕度越大，皮革中的水分子越多。皮革是由許多粗細不等的膠原纖維編織而成的，屬于多孔性疏松物質(zhì)，它的吸水性很大程度上取決于皮革孔率的大小，但與皮革纖維組織的緊密度，皮革中的油脂含量以及填充物質(zhì)也有關(guān)系。如果皮革內(nèi)油脂含量高，則會降低皮革的吸水性。通常狀態(tài)下，皮革中含有—定量的水分，以3種形式存在，即膠原的側(cè)鏈上各種極性基與水以氫鍵形式結(jié)合形成化學結(jié)合水；膠原纖維所構(gòu)成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的毛細管中凝結(jié)著毛細管水；纖維間隙的凝結(jié)水。以上3種水分其含量均取決于周圍空氣的濕度和溫度。

圖2 鉻鞣、植鞣、鉻植復合鞣山羊皮革的電導率與濕度的關(guān)系曲線

由圖1可知，隨著濕度的增大，皮革中的水分也逐漸增多。3種皮革中，植鞣山羊皮革的增長較快，其次是鉻植鞣山羊皮革，最后是鉻鞣山羊皮革。電導率的增加大致可分為3個階段：濕度在26%～55%之間時，曲線較平緩，電導率的增值較小，這時的水在皮革中存在的形式是膠原的側(cè)鏈上的各種極性基團與水以氫鍵形式結(jié)合形成的化學結(jié)合水；假定一定濕度下皮革中正負離子的濃度為n+=n-=N，這些離子運動中一部分發(fā)生碰撞復合成中性分子，復合速度為：Z=βn+n-=βN2，（β為復合系數(shù)）當施加電場時，另有一部分電荷漂移到基板上形成電流，此離子數(shù)為 ：n′d=+βN2d外界電離因素產(chǎn)生的離子很少，故漂移到極板過程中來不及復合，β幾乎等于零對電流大小沒有貢獻，即上式中的 ΒN2d可以忽略不計 ，故得到 ：n′d=或J=n′qd=Js，電流密度與外電場無關(guān)，電流密度J保持不變。濕度在55%～70%范圍間，此時水分是以皮質(zhì)部分的毛細管水而存在，皮質(zhì)就是皮革中的蛋白質(zhì)，即膠原纖維，水就存在于膠原纖維中所構(gòu)成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的毛細管中，稱為毛細管水，電導率開始有了較大的增長；濕度在70%以上時，3種皮革的電導率迅速增加，吸收的水分進入纖維間隙，成為凝結(jié)水，即自由水，可以自由流動，是良好的溶劑，此時自由水會溶解皮革中的一些離子或離子基團，使它們參與導電，所以皮革的導電率開始迅速的增加，滿足指數(shù)規(guī)矩即：n=n0eγ，故電導率為J=βq（n0eγ）2-n′qd。

4 結(jié)論

皮革的電導率隨濕度的變化，因皮革中水的存在形式隨濕度的的變化而分三個階段以不同速率增加，第一個階段，濕度在26%～55%之間，水分是極性基團的結(jié)合水，電導率增長緩慢，曲線較平緩；第二個階段，濕度在55%～70%之間，水分是膠原纖維的毛細管水，電導率開始有較大的增長，曲線斜率變大；第三個階段，濕度在70%以上，水分是纖維間隙可以流動的自由水，電導率迅速增加。

[1]孫立蓉，羅曉民，張方輝.皮革材料電子位移極化規(guī)律與 折射率的理論研究[J].中國皮革,2005，34(15)：32-34.

[2]孫立蓉，羅曉民，張方輝.皮革材料偶極子轉(zhuǎn)向極化的理 論研究[J].陜西科技大學學報，2005，23(5)：41-44.

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1674-6708（2010）28-0111-02