文/丁明 朱永熙 張曉靜

大多數(shù)紡織材料是電的不良導(dǎo)體，具有較高的電阻值，在生產(chǎn)加工和使用過程中，受摩擦、牽伸、擠壓、剝離等作用會產(chǎn)生靜電，尤其是合成纖維制品就更為明顯，如果產(chǎn)生的靜電不能較快逸散，積累達(dá)到一定程度就可能引發(fā)各種障礙和危害。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們對生產(chǎn)生活要求的不斷提高，各類防靜電紡織品得以逐漸開發(fā)推廣，不僅在電子、石油、化工、礦冶、醫(yī)藥等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，在服裝、家紡等民用領(lǐng)域也有較好的推廣運(yùn)用。因此織物的靜電性能越來越受到人們的關(guān)注，而在織物靜電性能的評價(jià)和各個(gè)靜電指標(biāo)適用性方面，有時(shí)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(jī)理

為減少靜電所帶來的危害，應(yīng)該從控制電荷的產(chǎn)生、積累以及使產(chǎn)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(chǎn)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(huán)境濕度，三是增加材料的電導(dǎo)率。運(yùn)用這些方法，從人們所開發(fā)的各種防靜電織物的生產(chǎn)工藝來區(qū)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(jìn)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(tuán)；第三類，混紡或嵌織具有導(dǎo)電性能的纖維、紗線或長絲。這種具有導(dǎo)電性能的纖維有導(dǎo)體或亞導(dǎo)體兩大類，導(dǎo)體類有不銹鋼纖維、銅纖維、鎳?yán)w維等金屬纖維或鍍銀纖維等類金屬纖維，亞導(dǎo)體類則是在化纖紡絲過程添加炭黑或金屬氧化物等導(dǎo)電介質(zhì)而制得。采用不同類型的導(dǎo)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(jī)織物的經(jīng)緯向（或針織物的縱橫向）織入具有導(dǎo)電性能的長絲或紗線（由導(dǎo)電纖維與常規(guī)纖維混紡制得），也可以在無紡布中混入導(dǎo)電短纖維或嵌入導(dǎo)電長絲及紗線，按織物中導(dǎo)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(huán)境的影響小，耐久性也好，所以得到各行業(yè)的普遍接受，應(yīng)用也最為廣泛。

以防靜電機(jī)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(shí)存在，只是不同條件下側(cè)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(jī)理人們一般認(rèn)為是通過導(dǎo)電纖維的靜電誘導(dǎo)、電暈放電和泄漏等綜合作用而實(shí)現(xiàn)，即在不接地時(shí)是借助于導(dǎo)電纖維很緩和的電暈放電而消電，而在接地時(shí)織物上的靜電除因?qū)щ娎w維的電暈放電被中和之外，還經(jīng)導(dǎo)電纖維向大地泄放。正是由于各類織物工作機(jī)理及條件各不相同，導(dǎo)致不同靜電指標(biāo)的差異，有時(shí)甚至出現(xiàn)不一致狀況。

2 紡織品靜電性能的檢測方法和評定指標(biāo)

對材料靜電性能的評價(jià)，大體可以歸結(jié)為產(chǎn)生電量的多寡和電荷逸散速度的快慢這兩個(gè)方面，我國現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中制定了較完整的紡織品靜電性能檢測和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，也有針對纖維、織物和服裝的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，其中GB/T 12703《紡織品 靜電性能的評定》分7個(gè)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(jù)。標(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)檢測方法及指標(biāo)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(yùn)用。

3 靜電壓半衰期、電荷面密度和摩擦帶電電壓的數(shù)學(xué)模型

為統(tǒng)一起見，都采用靜電荷量進(jìn)行推導(dǎo)和分析。3.1 靜電壓半衰期的數(shù)學(xué)模型

靜電壓半衰期采用重現(xiàn)性較好的電暈帶電，操作簡便，是用10kV 高壓靜電對置于旋轉(zhuǎn)金屬平臺上的試樣放電30秒，使試樣達(dá)到一穩(wěn)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(shí)間，其測試原理見圖1，相關(guān)試驗(yàn)證明試樣的靜電衰減過程與RC電路的放電過程相似。設(shè)斷開高壓后的時(shí)間為t，t時(shí)刻試樣所帶靜電荷量為q，t時(shí)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(shí)間常數(shù)（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(shù)學(xué)模型

電荷面密度是試樣在規(guī)定條件下以特定方式與錦綸標(biāo)準(zhǔn)布摩擦后用法拉第筒測得試樣所帶的電荷量，并據(jù)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(zhuǎn)鼓上，轉(zhuǎn)鼓以400r/min的轉(zhuǎn)速使試樣與錦綸標(biāo)準(zhǔn)布摩擦，測試1min內(nèi)的試樣帶電電壓最大值，其實(shí)質(zhì)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(gè)動態(tài)的過程，而且在摩擦起電過程中，同時(shí)也伴隨著電荷衰減。我們假設(shè)試樣的摩擦起電過程是均勻的，即帶電速率I0為一常數(shù)，靜電的衰減過程也始終符合（1）式。t為時(shí)間，n為摩擦次數(shù)，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(shí)間常數(shù)（τ=RC），T1為摩擦進(jìn)程時(shí)間，T2為間歇時(shí)間，T1、T2不變，也為常數(shù)，則：

當(dāng)?shù)谝淮文Σ疗痣姇r(shí)，t?[0,T1]

所以，當(dāng)t=T1時(shí)

所以，當(dāng)t=T1+T2時(shí)

由此可進(jìn)一步推導(dǎo)出第n次摩擦或間歇期間的數(shù)學(xué)模型為（步驟略）：

摩擦?xí)r的靜電荷量

式中t?[(n-1)(T1+T2)，nT1+(n-1)T2]

間歇時(shí)的靜電荷量

式中t?[nT1+(n-1)T2，n(T1+T2)]

如確定好具體參數(shù)數(shù)值，按式（2）和式（3）便可計(jì)算得出當(dāng)t（或n）達(dá)到試驗(yàn)所要求的時(shí)間（或次數(shù)）時(shí)所對應(yīng)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(shù)學(xué)模型的圖像，圖3、圖4即為運(yùn)用計(jì)算軟件Mathematica進(jìn)行計(jì)算并繪制的電荷面密度和摩擦帶電電壓的試驗(yàn)曲線模型示意圖。當(dāng)然這些只是理論的推算，實(shí)際檢測中的情況還是相當(dāng)復(fù)雜的，因?yàn)樵囼?yàn)中摩擦起電包括了擠、壓、拉、磨、粘附、剝離等多種機(jī)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(xiàn)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(yàn)時(shí)，其衰減區(qū)域是在A區(qū)。而在做電荷面密度時(shí)，由于是摩擦帶電，未必達(dá)到在高壓靜電場中所達(dá)到的帶電量，則衰減位置就有可能在B區(qū)，故衰減比在A區(qū)要慢得多。所以在不同的織物對比時(shí)，可能會出現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)GB/T 12703.1—2008設(shè)定了半衰期≤2.0s為A級、≤5.0s為B級、≤15.0s為C級的評定標(biāo)準(zhǔn)，也有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定了半衰期＜1s織物防靜電性能為優(yōu)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?yàn)榧词顾p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(xiàn)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(yàn)中，就看到了這一點(diǎn)。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(shí)的初始靜電電壓以及電荷面密度數(shù)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(zhì)樣品的測試和評價(jià)。由于第三類織物絕大多數(shù)是非均質(zhì)樣品，導(dǎo)致試樣在金屬平臺上的接觸狀態(tài)無法控制，導(dǎo)電纖維與平臺接觸良好時(shí)電荷快速泄漏，而接觸不良時(shí)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(jié)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(jià)，這一點(diǎn)相關(guān)文獻(xiàn)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(xiàn)織物的起電特性又能體現(xiàn)織物的衰減特性，表征織物上所帶電量的動態(tài)狀況。因此，電荷面密度、摩擦帶電電壓兩項(xiàng)指標(biāo)的測試方法與人們的使用情況比較接近，更能反映織物實(shí)際使用的情況。

表1 采用不同抗靜電方法的試驗(yàn)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(shí)而產(chǎn)生靜電的水平，能體現(xiàn)穿著狀態(tài)，對于均質(zhì)和非均質(zhì)樣品都適用，總的來說，該指標(biāo)能全面反映被測對象靜電性能的優(yōu)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(shí)現(xiàn)的，因此要注意測試操作手法的影響。對于針織類產(chǎn)品，會碰到織物受力形變較大不易控制，導(dǎo)致測試結(jié)果不穩(wěn)定的情況，這也是要注意克服的。按GB/T 12703.2—2009標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，織物電荷面密度≤7.0μC/m2為達(dá)標(biāo)，而對于某些生產(chǎn)場所使用的紡織品則應(yīng)有更高要求。

c）摩擦帶電電壓法因?yàn)槭菍⒃嚇訆A持在金屬轉(zhuǎn)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(dǎo)電纖維的織物而言，導(dǎo)電纖維的分布會隨取樣位置的不同而不同，可能對測試結(jié)果帶來較大差異，故而對這類織物的測試和評價(jià)，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(zhuǎn)摩擦中進(jìn)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(jié)果數(shù)值相較于電荷面密度法會更接近于極限值，因此更能體現(xiàn)人體運(yùn)動過程中的瞬間帶電情況。例如，隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，集成度越來越高，非常精細(xì)，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(biāo)進(jìn)行控制。

5 結(jié)語

通過上述分析就不難理解為什么有時(shí)靜電性能指標(biāo)可能會出現(xiàn)不一致的情況。正是由于多種多樣的防靜電產(chǎn)品其各自的材料特質(zhì)和工作機(jī)理有所差異，而目前采用的各個(gè)靜電性能指標(biāo)所反映的又是紡織品在靜電產(chǎn)生、逸散及其平衡過程中的特定時(shí)刻或某個(gè)方面的狀態(tài)，故而各個(gè)指標(biāo)間沒有明確的相關(guān)性。因此，為準(zhǔn)確客觀地評價(jià)紡織品的靜電性能，應(yīng)盡量避免使用單一指標(biāo)，針對不同的行業(yè)要求、不同的織物性質(zhì)，選擇適合的測試方法和評判標(biāo)準(zhǔn)。