紡織品抗靜電技術的探討

1.1紡織品靜電現象及產生原理

產生靜電的機理有多種解釋,紡織材料靜電主要是由于表面間的相互摩擦產生的。紡織材料是電的不良導體,具有很高的比電阻。纖維及其制品在生產加工和使用過程中,由于受摩擦、牽伸、壓縮、剝離及電場感應和熱風干燥等因素的作用而易于產生靜電。特別是隨著合成纖維在紡織上生產和應用的越來越多,這些高分子聚合物所固有的高絕緣性和憎水性,使之極易產生、積累靜電。

1.2紡織品靜電的危害

在民用方面,靜電會導致紡織品的使用過程中吸塵沾污,服裝糾纏人體產生粘附不適感,而且有研究表明,靜電刺激會對人體健康產生不利影響。在產業應用方面,靜電是火工、化工、石油等加工等行業引起火災、爆炸等事故的主要誘發因素之一,也是化纖等紡織行業加工過程中的質量及安全事故隱患之一。隨著高科技的發展,靜電障害所造成的后果已突破了安全問題的界限[3]。靜電放電造成的頻譜干擾危害,會引起電子、通信、航空、航天以及一切應用現代電子設備、儀器的場合導致設備運轉故障、信號丟失等結果。因此目前抗靜電紡織品的需求量越來越大。

2紡織品抗靜電的機理

絕緣體表面的靜電可以通過三條途徑消失:(1)通過空氣(霧氣)消失;(2)沿著表面消失;(3)通過絕緣體體內消失。

通過空氣消除靜電,主要依靠空氣中相反符號的帶電粒子飛來與絕緣體表面的靜電中和或讓帶電粒子獲得動能而飛散。利用尖端放電原理,制成高壓電暈式靜電消除器,已在化纖生產中有應用。

靜電沿絕緣體表面消失的速度取決于絕緣體表面電阻率的大小。提高空氣的濕度,可以在親水性絕緣體表面形成連續的水膜,加上空氣中的CO2和其他雜質的溶解,而大大提高表面導電性。進一步的方法是使用抗靜電劑,主要是離子或非離子型的表面活性劑。

靜電通過絕緣體體內的泄漏速度,主要取決于絕緣體的電阻率的大小,一般說來,當聚合物電阻率小于107Ω·m時,產生靜電荷會很快泄漏掉。為了提高聚合物的體積導電率,方便的方法是添加碳黑、金屬粉末或導電纖維。

纖維高分子材料理論上是比絕緣體,但實際纖維的導電性比理論估計值要高,原因在于纖維不是純高分子物質,其中含有水分、雜質等低分子物質,即纖維導電主要取決于纖維中的附屬物,其次與纖維分子本身的導電性以及外界條件的作用有關。在表面易電離物質導電性較高以及水汽分壓較大的情況下,纖維的導電性會大大提高。

3紡織品抗靜電的途徑

抗靜電織物可分為民用和產業用靜電防護服兩大類。靜電防護服按照終用途可分為無塵無菌工作服、防火防爆工作服、手術服、安全作業服(如電力工人工作時穿的靜電防護服、導電服等)等。

3.1對纖維進行抗靜電處理

3.1.1用表面活性劑對纖維進行親水化處理

作用原理為表面活性劑分子疏水端吸附于纖維表面,親水性極性基團指向空間,形成極性表面,吸附空氣中的水分子,降低纖維的表面電阻率,加速電荷逸散。所用表面活性劑包括陽離型、陰離子型和非離子型,其中陽離子表面活性劑的抗靜電效果好,高分子量非離子型表面活性劑的抗靜電效果耐久性好。此法的優點為簡便易行,特別適合于消除紡織加工過程中的靜電干擾;缺點為抗靜電效果的耐久性差,表面活性劑易揮發,更不耐洗滌,而且在低濕度環境中不顯示抗靜電性能。

3.1.2對成纖高聚物進行共混、共聚合或接枝改性

與前面方法的相同之處是在成纖高聚物中添加親水性單體或聚合物,提高吸濕性,從而獲得抗靜電性能。除普通成纖高聚物與親水性聚合物共混的典型共混紡絲方式外,還有聚合過程中加入親水性聚合物,形成微多相分散體系的共混方式。例如將聚乙二醇加入到己內酰胺反應混合物中,聚乙二醇以原纖狀分散于PA6之中。同時聚乙二醇也有少量端羥基與己內酰胺開環后生成的氨基己酸中的羥基反應,提高了抗靜電性能的耐久性。

另外,用共聚合的方式將親水性極性單體聚合到疏水性合成纖維主鏈上,例如在PET大分子中嵌入聚乙二醇,也可提高纖維的吸濕性和抗靜電性能。

采用化學引發、熱引發、高能射線和紫外線輻照引發的接枝于纖維表面,可有效地改善合成纖維的吸濕性,且親水性單體的用量遠少于其他方法,耐久性好。此類抗靜電纖維仍以提高纖維的親水性來加速電荷的泄漏,故在相對濕度低于40%的干燥環境中,纖維的抗靜電性能將受損失。

3.2生產抗靜電紗線

在紡紗中混入少量的導電短纖維,可以生產抗靜電紗線,同時可以減少甚至消除紡紗過程中存在的靜電問題。紡紗時使用普通紡織纖維作為主體纖維,其中混入少量的導電纖維。導電纖維混入量的多少根據產品的終用途及成本決定。大量實驗表明,紗線中混入少量(百分之幾)的有機導電纖維后,紗線的電阻率會有明顯降低(導電性有大幅度提高)。

3.2.1導電纖維

導電纖維包括金屬纖維、鍍金屬纖維和有機導電纖維。應用較為廣泛的金屬纖維主要是不銹鋼纖維,其制造方法主要是線材拉伸法、熔融紡絲法、切削法等。不銹鋼纖維具有較佳的導電性能和機械性能,但是對于紡織加工而言,金屬纖維抱合力小,紡紗性能較差,而且制成高細度時的價格昂貴,所以除一些特殊要求的場合,在開發抗靜電產品時金屬纖維的使用還不夠廣泛。鍍金屬纖維是在普通纖維表面涂敷金屬層以提高抗靜電效果,其成本比金屬纖維有大幅下降,但不耐洗滌,且手感較差。目前,用來開發抗靜電混紡紗多采用有機導電纖維。

有機導電纖維是以普通成纖高聚物為基體,以被覆或復合方式添加導電物質的導電纖維。目前使用的有機導電纖維主要是尼龍基、滌綸基和腈綸基,導電物質有碳和金屬化合物兩種。其中碳導電物制成的纖維為深色(黑色、灰色),金屬化合物為導電物的纖維為白色,后者導電性稍差,但是利于后道整理工序的加工(染色等)。

3.2.2紡紗工藝流程

由于導電纖維成本較高,混入比例小,一般采用手工開松的形式。為使混合均勻,按照預先計算并稱量好的重量將導電纖維和主體纖維同時喂入梳理機,經多道梳理工序。另外,所選用的導電纖維應盡量與主體纖維的材質一致。混紡的工藝流程為:梳棉(一道)→梳棉(二道)→頭并→二并→三并→粗紗→細紗→絡筒。

3.3織造時嵌入導電長絲或抗靜電紗線

開發抗靜電紡織品除了在原料上進行改進之外,還可以在織物上機織造時,將導電長絲(或導電纖維復合紗線)以一定間距嵌入織物?？梢匝亟浵蚧蚓曄蚯度?也可以同時沿經向和緯向嵌入形成網格狀。經大量的實驗證明,不管以哪種方式嵌入導電絲,織物的抗靜電效果均有明顯的改善,但是以網格形式嵌入導電絲或抗靜電紗時效果佳。而且織物的抗靜電性能都隨嵌入導電絲間距的增加而減弱。導電絲嵌入間距(或織物中導電纖維的含量)應根據抗靜電產品的終用途及對導電性能要求來決定。具體可參考下表:

由于導電纖維價格較高,制成織物成本較高,在設計時應考慮到使用少的導電纖維獲得佳的抗靜電性能。可以通過對各影響因素(導電絲間距、織物密度等)進行優化分析,得到滿足產品使用要求的佳嵌入間距(導電纖維含量)。另外,由于使用的導電長絲大多為黑色,在設計織物組織時,應盡量使導電絲的經組織點隱藏在基礎組織經組織點下面,以保證正面的織物組織結構不被破壞。而在織物反面,使導電絲盡量顯露在織物表面,以利于放電。

3.4用抗靜電劑對織物進行后整理

用表面活性劑直接對織物表面進抗靜電處理的方法始于上世紀50年代,這種方法適合于各種纖維材料。所用抗靜電劑大多數是結構與被整理的纖維相似的高分子物,經過浸、軋、焙烘而粘附在合成纖維或其織物上。這些高分子物是親水的,因此涂覆在表面上可通過吸濕而增加纖維的導電,使纖維不至于積聚較多的靜電荷而造成危害。這種方法除使織物具有抗靜電效果外,處理后的織物還具有吸濕、防污、不吸塵等功能。由于抗靜電方法較為簡單,因此成品價格也較為便宜。

工藝流程為:坯布→浸軋抗靜電樹脂(二浸二軋)→烘干(100~110℃)→焙烘(150~160℃,2min)→拉幅→成品抗靜電整理的方法較多,目前主要有三種。

(1)助劑吸咐固著法

(2)表面接枝聚合法

(3)低溫等離子體表面處理法

由于后兩種方法需要較多的特種引發劑或高能射線或用等離子體處理等,工藝繁復,操作復雜,因此一般采用第一種方法。它可在后整理中進行抗靜電加工,也可在染色過程中進行同浴處理,均能獲得理想的效果。

4紡織品抗靜電技術的發展現狀和前景展望

4.1國內外抗靜電技術的現狀及存在的問題

目前,民用紡織品抗靜電主要使用后整理的方法。靜電防護織物中,導電性纖維以一定的間隔在織物中沿縱向或橫向或縱橫向同時分布形成縱條、橫條或格子,根據抗靜電性能的要求,間隔范圍常選擇在3mm~15mm,因其具有良好的耐洗性、耐摩擦性、耐熱性、耐光照性及永久的抗靜電性,且不受環境溫濕度變化的影響,正得到愈來愈廣泛的開發和應用。從紡織品開發的角度來看,宜采用導電性纖維再經過抗靜電后處理,可達到優良的抗靜電性能。

使用導電纖維開發的抗靜電織物存在的問題是織物的后整理(染色等)問題,由于導電纖維大多數為深色,其染色性能成為一個問題。

4.2前景展望

隨著人們對服裝性能的要求的提高及生產上精密度和安全性的考慮,對抗靜電紡織品的要求越來越高,目前的抗靜電技術需要不斷的改進和提高,從目前形勢來看,將上述幾種抗靜電途徑的混合使用能達到優良的抗靜電效果。

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