紡織品抗靜電技術(shù)的探討

1.1紡織品靜電現(xiàn)象及產(chǎn)生原理

產(chǎn)生靜電的機(jī)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(chǎn)生的。紡織材料是電的不良導(dǎo)體,具有很高的比電阻。纖維及其制品在生產(chǎn)加工和使用過(guò)程中,由于受摩擦、牽伸、壓縮、剝離及電場(chǎng)感應(yīng)和熱風(fēng)干燥等因素的作用而易于產(chǎn)生靜電。特別是隨著合成纖維在紡織上生產(chǎn)和應(yīng)用的越來(lái)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(chǎn)生、積累靜電。

1.2紡織品靜電的危害

在民用方面,靜電會(huì)導(dǎo)致紡織品的使用過(guò)程中吸塵沾污,服裝糾纏人體產(chǎn)生粘附不適感,而且有研究表明,靜電刺激會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生不利影響。在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方面,靜電是火工、化工、石油等加工等行業(yè)引起火災(zāi)、爆炸等事故的主要誘發(fā)因素之一,也是化纖等紡織行業(yè)加工過(guò)程中的質(zhì)量及安全事故隱患之一。隨著高科技的發(fā)展,靜電障害所造成的后果已突破了安全問(wèn)題的界限[3]。靜電放電造成的頻譜干擾危害,會(huì)引起電子、通信、航空、航天以及一切應(yīng)用現(xiàn)代電子設(shè)備、儀器的場(chǎng)合導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)故障、信號(hào)丟失等結(jié)果。因此目前抗靜電紡織品的需求量越來(lái)越大。

2紡織品抗靜電的機(jī)理

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

通過(guò)空氣消除靜電,主要依靠空氣中相反符號(hào)的帶電粒子飛來(lái)與絕緣體表面的靜電中和或讓帶電粒子獲得動(dòng)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(chǎn)中有應(yīng)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(xù)的水膜,加上空氣中的CO2和其他雜質(zhì)的溶解,而大大提高表面導(dǎo)電性。進(jìn)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(guò)絕緣體體內(nèi)的泄漏速度,主要取決于絕緣體的電阻率的大小,一般說(shuō)來(lái),當(dāng)聚合物電阻率小于107Ω·m時(shí),產(chǎn)生靜電荷會(huì)很快泄漏掉。為了提高聚合物的體積導(dǎo)電率,方便的方法是添加碳黑、金屬粉末或?qū)щ娎w維。

纖維高分子材料理論上是比絕緣體,但實(shí)際纖維的導(dǎo)電性比理論估計(jì)值要高,原因在于纖維不是純高分子物質(zhì),其中含有水分、雜質(zhì)等低分子物質(zhì),即纖維導(dǎo)電主要取決于纖維中的附屬物,其次與纖維分子本身的導(dǎo)電性以及外界條件的作用有關(guān)。在表面易電離物質(zhì)導(dǎo)電性較高以及水汽分壓較大的情況下,纖維的導(dǎo)電性會(huì)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(chǎn)業(yè)用靜電防護(hù)服兩大類。靜電防護(hù)服按照終用途可分為無(wú)塵無(wú)菌工作服、防火防爆工作服、手術(shù)服、安全作業(yè)服(如電力工人工作時(shí)穿的靜電防護(hù)服、導(dǎo)電服等)等。

3.1對(duì)纖維進(jìn)行抗靜電處理

3.1.1用表面活性劑對(duì)纖維進(jìn)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(tuán)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(yáng)離型、陰離子型和非離子型,其中陽(yáng)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(yōu)點(diǎn)為簡(jiǎn)便易行,特別適合于消除紡織加工過(guò)程中的靜電干擾;缺點(diǎn)為抗靜電效果的耐久性差,表面活性劑易揮發(fā),更不耐洗滌,而且在低濕度環(huán)境中不顯示抗靜電性能。

3.1.2對(duì)成纖高聚物進(jìn)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(guò)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(nèi)酰胺反應(yīng)混合物中,聚乙二醇以原纖狀分散于PA6之中。同時(shí)聚乙二醇也有少量端羥基與己內(nèi)酰胺開環(huán)后生成的氨基己酸中的羥基反應(yīng),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(xué)引發(fā)、熱引發(fā)、高能射線和紫外線輻照引發(fā)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(yuǎn)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(lái)加速電荷的泄漏,故在相對(duì)濕度低于40%的干燥環(huán)境中,纖維的抗靜電性能將受損失。

3.2生產(chǎn)抗靜電紗線

在紡紗中混入少量的導(dǎo)電短纖維,可以生產(chǎn)抗靜電紗線,同時(shí)可以減少甚至消除紡紗過(guò)程中存在的靜電問(wèn)題。紡紗時(shí)使用普通紡織纖維作為主體纖維,其中混入少量的導(dǎo)電纖維。導(dǎo)電纖維混入量的多少根據(jù)產(chǎn)品的終用途及成本決定。大量實(shí)驗(yàn)表明,紗線中混入少量(百分之幾)的有機(jī)導(dǎo)電纖維后,紗線的電阻率會(huì)有明顯降低(導(dǎo)電性有大幅度提高)。

3.2.1導(dǎo)電纖維

導(dǎo)電纖維包括金屬纖維、鍍金屬纖維和有機(jī)導(dǎo)電纖維。應(yīng)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(dǎo)電性能和機(jī)械性能,但是對(duì)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(xì)度時(shí)的價(jià)格昂貴,所以除一些特殊要求的場(chǎng)合,在開發(fā)抗靜電產(chǎn)品時(shí)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(lái)開發(fā)抗靜電混紡紗多采用有機(jī)導(dǎo)電纖維。

有機(jī)導(dǎo)電纖維是以普通成纖高聚物為基體,以被覆或復(fù)合方式添加導(dǎo)電物質(zhì)的導(dǎo)電纖維。目前使用的有機(jī)導(dǎo)電纖維主要是尼龍基、滌綸基和腈綸基,導(dǎo)電物質(zhì)有碳和金屬化合物兩種。其中碳導(dǎo)電物制成的纖維為深色(黑色、灰色),金屬化合物為導(dǎo)電物的纖維為白色,后者導(dǎo)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(dǎo)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(yù)先計(jì)算并稱量好的重量將導(dǎo)電纖維和主體纖維同時(shí)喂入梳理機(jī),經(jīng)多道梳理工序。另外,所選用的導(dǎo)電纖維應(yīng)盡量與主體纖維的材質(zhì)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(xì)紗→絡(luò)筒。

3.3織造時(shí)嵌入導(dǎo)電長(zhǎng)絲或抗靜電紗線

開發(fā)抗靜電紡織品除了在原料上進(jìn)行改進(jìn)之外,還可以在織物上機(jī)織造時(shí),將導(dǎo)電長(zhǎng)絲(或?qū)щ娎w維復(fù)合紗線)以一定間距嵌入織物?？梢匝亟?jīng)向或緯向嵌入,也可以同時(shí)沿經(jīng)向和緯向嵌入形成網(wǎng)格狀。經(jīng)大量的實(shí)驗(yàn)證明,不管以哪種方式嵌入導(dǎo)電絲,織物的抗靜電效果均有明顯的改善,但是以網(wǎng)格形式嵌入導(dǎo)電絲或抗靜電紗時(shí)效果佳。而且織物的抗靜電性能都隨嵌入導(dǎo)電絲間距的增加而減弱。導(dǎo)電絲嵌入間距(或織物中導(dǎo)電纖維的含量)應(yīng)根據(jù)抗靜電產(chǎn)品的終用途及對(duì)導(dǎo)電性能要求來(lái)決定。具體可參考下表:

由于導(dǎo)電纖維價(jià)格較高,制成織物成本較高,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到使用少的導(dǎo)電纖維獲得佳的抗靜電性能。可以通過(guò)對(duì)各影響因素(導(dǎo)電絲間距、織物密度等)進(jìn)行優(yōu)化分析,得到滿足產(chǎn)品使用要求的佳嵌入間距(導(dǎo)電纖維含量)。另外,由于使用的導(dǎo)電長(zhǎng)絲大多為黑色,在設(shè)計(jì)織物組織時(shí),應(yīng)盡量使導(dǎo)電絲的經(jīng)組織點(diǎn)隱藏在基礎(chǔ)組織經(jīng)組織點(diǎn)下面,以保證正面的織物組織結(jié)構(gòu)不被破壞。而在織物反面,使導(dǎo)電絲盡量顯露在織物表面,以利于放電。

3.4用抗靜電劑對(duì)織物進(jìn)行后整理

用表面活性劑直接對(duì)織物表面進(jìn)抗靜電處理的方法始于上世紀(jì)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(shù)是結(jié)構(gòu)與被整理的纖維相似的高分子物,經(jīng)過(guò)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(guò)吸濕而增加纖維的導(dǎo)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(jiǎn)單,因此成品價(jià)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(fā)劑或高能射線或用等離子體處理等,工藝繁復(fù),操作復(fù)雜,因此一般采用第一種方法。它可在后整理中進(jìn)行抗靜電加工,也可在染色過(guò)程中進(jìn)行同浴處理,均能獲得理想的效果。

4紡織品抗靜電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和前景展望

4.1國(guó)內(nèi)外抗靜電技術(shù)的現(xiàn)狀及存在的問(wèn)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(hù)織物中,導(dǎo)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(shí)分布形成縱條、橫條或格子,根據(jù)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(huán)境溫濕度變化的影響,正得到愈來(lái)愈廣泛的開發(fā)和應(yīng)用。從紡織品開發(fā)的角度來(lái)看,宜采用導(dǎo)電性纖維再經(jīng)過(guò)抗靜電后處理,可達(dá)到優(yōu)良的抗靜電性能。

使用導(dǎo)電纖維開發(fā)的抗靜電織物存在的問(wèn)題是織物的后整理(染色等)問(wèn)題,由于導(dǎo)電纖維大多數(shù)為深色,其染色性能成為一個(gè)問(wèn)題。

4.2前景展望

隨著人們對(duì)服裝性能的要求的提高及生產(chǎn)上精密度和安全性的考慮,對(duì)抗靜電紡織品的要求越來(lái)越高,目前的抗靜電技術(shù)需要不斷的改進(jìn)和提高,從目前形勢(shì)來(lái)看,將上述幾種抗靜電途徑的混合使用能達(dá)到優(yōu)良的抗靜電效果。

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