纺织材料的电学性能分析及应用探究

纺织材料在加工和使用过程中,会发生许多电学现象,主要包括材料的导电性质、介电性质和静电现象。

(一)导电性质

在电场作用下,电荷在材料中定向移动而产生电流的特征称为材料的导电性质。材料根据导电能力可分为超导体、导体、半导体和绝缘体。干燥的纺织材料为绝缘体,在工业和国防工业中作为绝缘材料。

材料的导电能力主要与材料对电流的阻碍作用有关,其物理量常用电阻表示。纺织材料导电性质的常用表征指标有体积比电阻、质量比电阻和表面比电阻。

1.导电性质的表征指标

(1)体积比电阻(ρV)。体积比电阻指单位长度上所施加的电压与单位截面上流过的电流之比,即:

式中:ρV为体积比电阻,即电导率(Ω.cm);U为电压(V);R为电阻(Ω);I为电流(A);S为材料面积(cm2);L为材料长度(cm)。

在数值上,体积比电阻等于材料长1cm和截面积为1cm2时的电阻值。

(2)质量比电阻(ρm)。对于纺织材料来说,由于截面积或体积不易测量,所以其导电性能一般不采用体积比电阻,而采用质量比电阻。

质量比电阻是指单位长度上的电压与单位线密度上的电流之比,即:

式中:ρm为质量比电阻(Ω.g/cm2);W为材料质量(g);γ为材料密度(g/cm3)。

在数值上,质量比电阻等于试样长1cm和质量为1g时的电阻值。

纺织材料的质量比电阻可以通过测试时材料的电阻值、质量及电极间的距离直接计算得到。由质量比电阻与体积比电阻的关系可求得体积比电阻。

(3)表面比电阻(ρs)。因为纤维柔软且细长,体积或截面积难以测量,而纺织材料的导电现象主要发生在材料表面,因此常用表面比电阻来表征材料的电学性质。

表面比电阻是指单位长度上的电压与单位宽度上的电流之比,即:

式中:ρs为表面比电阻(Ω);B为材料宽度(cm)。

在数值上,表面比电阻等于试样长1cm和宽度为1cm时的电阻值。

各种材料的电阻较大,因此常用质量比电阻的对数来表达纺织材料的导电性,常见纤维的质量比电阻的对数见表1-4-12。从表中可以看出,天然纤维中棉、麻纤维的比电阻较低,羊毛和蚕丝较高;化学纤维中合成纤维的比电阻较大。

表1-4-12　常见纤维的质量比电阻

2.影响导电性能的因素

(1)回潮率对导电性能的影响。对于大多数吸湿性能好的纤维,在空气相对湿度为30%～90%时,纤维材料的含水率(M)与质量比电阻(ρm)之间存在以下经验公式:

式中:n、K为经验常数。

各种纤维及纱线的n和lgρm值见表1-4-12。含水率低时(棉低于3.5%、黏胶低于7%、羊毛和蚕丝低于4%),含水率(M)与质量比电阻的对数(lgρm)接近直线关系。在影响纺织材料回潮率的诸多外部因素中,空气相对湿度的影响比较显著,尤其是吸湿性纤维,由于相对湿度变化而引起材料质量比电阻的变化可达4～6个数量级。

常见纤维的含水率对纤维质量比电阻的影响见图1-4-18。在中等湿度范围内,材料达到吸湿平衡时,空气相对湿度与质量比电阻的对数lgρm也近似呈直线关系。

(2)环境温度对导电性能的影响。与大多数半导体材料一样,纺织材料的电阻值随着温度升高而降低。一般认为,温度升高,纤维与杂质等电离的电荷增加,纤维的体积增大,比电阻降低。棉纤维的质量比电阻随温度的变化关系如图1-4-19所示。

(3)纤维伴生物对导电性能的影响。天然纤维中有利于纤维吸湿能力的伴生物,例如棉纤维中的果胶、毛纤维中的脂汗、丝纤维中的丝胶,都可以降低纤维的比电阻,增加纤维的导电能力。在化学纤维中,特别是吸湿能力较差的合成纤维,在纤维中添加含有抗静电成分的化纤油剂,能大大地降低纤维的比电阻,改善纤维可纺性。

图1-4-18　含水率对纤维质量比电阻的影响

图1-4-19　棉纤维的质量比电阻随温度的变化关系

(4)测试条件对导电性能的影响。测试比电阻时,电压的高低、测试时间的长短和使用的电极材料,对材料比电阻的测试值有一定影响。当电压较高时,测得的比电阻偏小,故不同电压条件下测试的电阻值无可比性。随着测试时间的增加,所测比电阻值增加,因此在测试时读数要迅速,一般要求在几秒钟内完成。测试所用的电极材料不同,测试结果亦不同,目前电阻测试仪常采用不锈钢做电极材料。(www.xing528.com)

(二)介电性质

1.介电现象

干燥纺织材料的电阻较大,在外电场的作用下,因分子极化而具有电介质的性质,即在静电场中,材料表面出现感应电荷,形成内部电场,减小外电场强度。如果将电介质填充到电容器中,电容器容量将会增加。

2.介电常数

衡量介电现象强弱的物理量为相对介电常数,也称介电常数(ε)。以电容器为例,介电常数是指充满电介质的电容器的电容增大倍数,即:

式中:C为充满电介质时的电容量;C0为充满真空时的电容量。

介电常数为一无量纲的量,它的大小就表示绝缘材料储存电能的能力。表1-4-13列出了几种纤维的介电常数,供参考。在工频(50Hz)条件下,干燥纤维材料的介电常数在2～5范围内,真空的介电常数等于1,空气的介电常数接近于1,液体水的介电常数约为20,而固态水的介电常数为81。

表1-4-13　几种纤维的介电常数

3.影响介电常数的因素

(1)纤维内部结构。对介电常数影响较大的纤维内部结构主要是纤维相对分子质量、分子极性及分子堆积密度。相对分子质量较小、极性基团极性较强、基团数量较多和分子堆积紧密的材料,介电常数较大。

(2)外部因素。纤维集合体由纤维、纤维伴生物、空气和水四部分组成,因此纤维材料的介电常数大小会受到纤维材料的填充密度、纤维在电场中的排列方向、纤维含杂、环境温度、相对湿度、电场频率等众多因素的影响。

由于水的介电常数远大于纤维,因此回潮率对纤维的介电常数有较大影响。如图1-4-20所示为纤维介电常数与含水率的关系。利用这一特性,将一定量的纤维材料作为电容器介质,通过测试电容器电容量,可间接地测试纺织材料的回潮率。

温度升高会使材料的介电常数增加,其原因是温度升高有利于极化分子在电场中取向。频率对介电常数的影响表现为随着外电场频率的增加,材料的介电常数减小,这与极性分子的取向运动总是滞后于电场频率的变化有关,当频率较大时,这种滞后现象越明显。

(三)静电现象

1.静电现象概述

纺织材料之间及纺织材料与加工机件间相互接触、摩擦或挤压时,由于电子转移并产生电荷积聚,从而使一种材料带正电荷,另一种材料带负电荷的现象,称为纺织材料的静电现象。静电现象是一个动态过程。对于金属来说,由于它们是电的良导体,电荷极易漏导而不会积累。对于高聚物的纺织纤维来讲,它们的比电阻很高,特别是吸湿能力差的合成纤维的比电阻更高,极易积聚电荷。

图1-4-20　纤维介电常数与含水率的关系

两个绝缘体摩擦分开后,所带电荷极性与材料的介电常数有关,介电常数大的,静电电位高,带正电荷;相反,介电常数小的,静电电位低,带负电荷。

纺织材料所带静电的强度,用单位质量的材料带电量表示。纤维的最大带电量接近相等,而静电衰减速度却不大相同。决定静电衰减速度的主要因素是材料的表面比电阻。

织物的表面比电阻越大,电荷半衰期越长。因此,如果把纺织材料的表面比电阻降低到一定程度,静电现象就可以防止。

2.静电现象与纺织加工

在纺织加工过程中,静电的作用会使纤维黏结或分散,材料分层不清。纺纱梳棉时爬道夫、绕斩刀,纤维网不稳定;并条、粗纱、细纱时绕皮辊、绕罗拉,条子、纱线发毛,断头增多;络筒时筒子塌边,成形不良;整经时纱线相互排斥或纠缠,影响纱线间的张力及整经的顺利进行;织造时经纱相互纠缠、开口不清,造成松紧经甚至断经,影响产品质量。

在服装的使用过程中,静电现象则会影响服装的穿着性能。不同材质的服装产生的静电会使衣服相互纠缠,穿着不便。衣料与皮肤电荷不同时,会相互吸附,影响穿着的舒适及美观。化纤类衣服因静电现象严重,特别容易吸附空气中带异性电荷的尘埃微粒,易使衣服黏污,而且特别易吸附头皮屑;贴身穿着时,会使皮肤产生刺痒感,穿着舒适性下降。化纤类服装在穿着过程中,由于摩擦起电,产生的静电压很高,在触摸金属物件等可导电物或与人握手时会放电,产生电击感而令人不适。

静电现象除了产生不利因素外,还可加以利用,例如:静电纺丝、静电纺纱、静电植绒等。

3.静电消除主要措施

纺织加工中消除静电的思路有三条,一是增加材料的导电能力,减少电荷的积聚;二是发生相反的电荷,中和静电荷;三是减少材料与材料间、材料与机件间的摩擦,防止静电荷的产生。具体的方法与措施有:

(1)适当提高空气相对湿度。提高空气相对湿度,能增加纤维的回潮率,降低纤维的比电阻,从而增加纤维的导电能力,及时逸散静电荷,减少电荷积聚,消除静电作用。对于羊毛和醋酯纤维,要产生明显的防静电效果,车间的相对湿度要提高到65%以上。对于吸湿能力较强的纤维,这一方法较为有效。而对于吸湿能力较差的纤维,提高车间相对湿度来消除静电的效果并不明显,相反,还可能恶化劳动条件和成纱质量,锈蚀机器设备。

(2)使用抗静电剂。抗静电剂的抗静电本质是使用表面活性剂,增加纤维的吸湿能力,降低纤维表面比电阻。这一方法是一种暂时的处理方法,达不到永久的抗静电效果。

(3)不同纤维混纺。一是在易产生静电的合成纤维中,混入吸湿能力较大的天然纤维或再生纤维,提高合成纤维的回潮率;二是混纺的两种纤维,在加工中与机件摩擦产生相反电荷而相互中和;三是混入少量的有机或导电纤维,增加纤维的导电能力。例如,在织物中混入质量混纺比为0.2%～0.5%的金属导电纤维,能达到永久、优良的抗静电效果。

(4)使用抗静电纤维。抗静电纤维的类型有:在制造合成纤维时,加入亲水性基因或链节;嵌入导电性碳粉或金属粉末;制造具有亲水性皮层的复合纤维。这些抗静电纤维通过纤维吸湿能力增加或提高导电能力来降低材料的静电现象。

(5)纤维上油。毛纤维纺纱一开始就加入和毛油,减少纤维间以及纤维与机件间的摩擦,以防止静电现象。化纤生产中上的油剂,也具有润滑剂成分,能达到减少摩擦的目的,降低静电。

(6)加工机件接地或尖端放电。高速运转的机件应尽可能接地,以便尽快地泄漏纤维与机件的静电荷;或在纤维及其制品通道中设置尖端放电针,使电荷迅速逸散。