纤维电学性能及其影响因素

纤维的电学性能是一种非常重要的技术指标，它反映一种纤维自身的特性，同时也决定着其使用量及应用范围。尤其对于汽车内装饰材料而言，纤维的电学性能对汽车内装饰材料功能性的影响更直接，反映得更明显。通常用纤维的介电系数、电阻和静电电荷等来反映某种纤维的电学性能。纤维是一种电绝缘材料，无论加工机织物或针织物汽车内装饰材料，还是生产新型非织造布汽车内装饰材料，都需要进行纤维混合梳理，靠纤维之间的摩擦抱合形成纤网和纱条，由于纤维介电性的存在，使其具有一定的质量比电阻，质量比电阻一般会随着纤维的吸湿而发生变化。在一般大气条件下，涤纶的质量比电阻可高达1013Ω·g/cm2，因此，在材料生产加工过程中，由于纤维之间、纤维与机件间的密切接触和相互摩擦，就会形成静电电荷，由于静电电荷在纤维和物体之间的相互转移，就产生了静电现象。带不同静电电荷的纤维与机件之间发生吸引，带相同静电电荷的纤维之间相互排斥，结果严重影响纤网形成的均匀性，最终影响内装饰材料的成品质量。

1.介电系数　理论实践证明，真空的介电系数等于1，空气的介电系数为0.75～1.0，水的介电系数为40～80，而干燥状态下的纤维材料介电系数一般为2～5。由此可见，水的介电系数比干燥状态下的纤维材料的介电系数大几十倍，所以纤维会随着回潮率或含水量的增大，介电系数增大。纤维材料的介电系数比空气介电系数大几倍，纤维在不同的环境条件下，其介电系数的大小也不相同，通常纤维的介电系数随着周围环境温度的升高而增大；随着噪声频率的增高，纤维的介电系数会减小。由于纤维材料的各向异性，纤维处于电场的平行或垂直方向，也会影响纤维的介电系数；纤维中含杂质的多少，也会引起纤维介电系数的变化。表2-9给出了汽车的内装饰材料生产加工中，几种常用纤维在不同条件下的介电系数。

表2-9　几种常用纤维在不同条件下的介电系数

续表

2.质量比电阻　电阻是表示物体对电流起阻碍作用的物理量，也是反映纤维导电性能的物理量，它能直接反映某种纤维的电学性能，其单位是欧姆·厘米（Ω·cm）。一般来说，纤维的电阻率越大，表明该种纤维的导电性能越差，绝缘性越好。由于纤维截面积不规则的原因，通常不用纤维的体积电阻来表示纤维的导电性能，而是常用质量比电阻来反映某种纤维导电性能的好坏更为准确。

质量比电阻ρm，在数值上等于纤维试样长为1cm和质量为1g时所测得的电阻值，单位是欧姆·克/厘米2（Ω·g/cm2）。有时，也可以用纤维材料的表面比电阻来反映纤维的导电性能，表面比电阻在数值上等于纤维材料表面形成的宽度和长度都等于1cm时所测得的电阻值，表面比电阻的单位是欧姆。生产实践证明，相比较而言，质量比电阻是反映纤维导电性能比较客观、准确的物理量。(www.xing528.com)

在生产实践中，发现在相对湿度相同的一般大气条件下，各种纤维素纤维的质量比电阻都比较接近，表明其导电性能基本一致，而蛋白质纤维的质量比电阻要大于纤维素纤维的，也就是说，其导电性能不如前者，同时，蛋白质纤维之间的质量比电阻也有很大差异。当相对湿度较低时，也就是纤维含水量很低时，纤维的质量比电阻变化很小，尤其是羊毛纤维，几乎没有变化。合成纤维由于内部分子结构的原因，吸湿差，所以，一般质量比电阻都很高。在相对湿度为80%以下时，每增加10%的相对湿度，涤纶的质量比电阻大约会以10倍的速度下降；相对湿度超过80%之后，其质量比电阻下降的速度更快，表明其导电性能增强，绝缘性能减弱。纤维的质量比电阻，与绝大多数半导体材料一样，当温度升高时，其质量比电阻值下降。

在生产实践中，人们还发现，天然纤维的质量比电阻，会随着周围环境的温度以及自身的含水量的不同而变化。毛混纺的汽车内装饰材料，在后处理过程中，处理液中盐（如NaCl）的含量增加，产品的质量比电阻就会明显下降。经过蒸馏水洗涤后的棉混纺内装饰材料，其质量比电阻明显增大。这就说明纤维材料的漂白或染色，都能改变电解质的含量，使纤维的质量比电阻发生变化，尤其是合成纤维表面整理，极容易改变其自身的质量比电阻值。有资料表明，用适当的抗静电剂对合成纤维进行表面处理，其质量比电阻可减小到原来值的万分之一，由此可见，在汽车内装饰材料的生产加工过程中，纤维的导电性能直接影响材料的技术性能。几种常用纤维和纱线的质量比电阻见表2-10。

表2-10　几种常用纤维和纱线的质量比电阻

3.静电电位　如前所述，纤维的表面形状决定其摩擦系数的大小，影响着纤维成网、成纱的纤维间抱合力，摩擦系数越大，纤维间的抱合力越大，成网、成纱强力越高，加工的汽车内装饰材料的力学性能就越好。然而，由于纤维表面状态的不光滑性，也给其生产加工带来了许多麻烦，尤其是化学纤维，其介电性能非常好，也就是说其质量比电阻很高，当开松混合梳理时，纤维与纤维之间的摩擦，纤维与机件间的摩擦，都会产生大量的静电，形成静电电荷的逐渐积聚，从而严重地影响了纤维的成网、成纱质量的均匀性。为了减少静电现象，确保纤维成网、成纱均匀性，常常利用纤维的吸湿性，在纤维加工过程中，施加适量的纤维表面活性剂、抗静电剂或水。纤维吸湿后，其自身的质量比电阻下降，表面活性剂和抗静电剂可以在纤维表面形成光滑防护膜，减小了纤维的摩擦系数，确保了生产加工的顺利进行，有时将高吸湿纤维与静电较大的纤维混合使用，也可以减轻静电现象的发生。例如，早期的毛锦混纺汽车内装饰材料，利用锦纶的耐磨性，满足汽车内装饰材料的耐磨性能要求，利用羊毛的吸湿性，克服了锦纶在加工过程中的静电问题，同时提高了产品的质量档次。如果在生产内装饰材料时，选择两种正负电荷极性相差较大的纤维，例如选择锦纶和腈纶混合，在生产加工过程中，就会产生极大的静电电荷积聚，从而导致无法进行生产。一般来说，要选择两种纤维的电荷极性比较接近的相混合，才能优势互补，还不会给生产加工带来不必要的静电麻烦。表2-11给出了各种常用纤维静电电位序列排布。

表2-11　几种常用纤维静电电位序列排布

从表2-11中可以看出，羊毛纤维的正电荷极性最强，原因是羊毛纤维的表面呈鱼鳞片状，相互摩擦极容易产生正电荷，所以具有最大的正极电荷。锦纶是聚酰胺熔融聚合而成的，其分子内部结构，决定了锦纶自身具有较高的正电荷极性，而丙纶则截然不同，聚丙烯纤维，是由不饱和碳水化合物组成的烯烃纺丝而成，其分子内部结构决定了丙纶的正电荷极性很小，负电荷极性很大，所以，在加工汽车内装饰材料的生产过程中，必须了解和掌握这些基础知识，才能更好地利用各种纤维的特性，开发理想的材料，满足汽车用纺织材料的各种功能性要求。