應(yīng)用物理課件：紡織靜電的危害及防護(hù)

紡織靜電的危害及防護(hù)

6.1紡織材料的靜電危害6.2紡織靜電的消除原理6.3消除紡織靜電的物理方法6.4消除紡織靜電的化學(xué)方法6.5導(dǎo)電性填充材料的應(yīng)用6.6防靜電阻燃雙功能服裝面料

靜電對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的危害形式大體上可分為三種類型：靜電障礙、靜電電擊和靜電事故。由于在不同的工業(yè)領(lǐng)域中，生產(chǎn)加工的對(duì)象和生產(chǎn)工藝、設(shè)備不同，所以靜電危害引起各種生產(chǎn)障礙的同時(shí)也存在著由靜電放電引發(fā)靜電事故的可能；而在電子工業(yè)中，靜電放電會(huì)造成電子元器件的擊穿損害和電子設(shè)備的整機(jī)失效；在石油、化工、采礦等行業(yè)可能會(huì)有靜電放電火花作為點(diǎn)火源引起的燃爆火災(zāi)事故。但應(yīng)該指出，在不同行業(yè)中，雖然防害的具體措施有所不同，但消除靜電危害的原理卻是一致的，即盡量減小靜電荷的產(chǎn)生量，加強(qiáng)靜電的泄漏，造成使靜電荷得以中和的條件。本章主要介紹紡織材料靜電危害和一些聚合物材料工業(yè)制品的防護(hù)措施。

6.1紡織材料的靜電危害

6.1.1紡織材料靜電效應(yīng)的分類

進(jìn)入20世紀(jì)以來(lái)，合成纖維的生產(chǎn)與應(yīng)用得到飛速發(fā)展。但這種高分子聚合物固有的高絕緣性和憎水性，使之極易產(chǎn)生、積累靜電。因此隨著合成纖維的大量使用，紡織材料的帶電現(xiàn)象及由此而出現(xiàn)的靜電故障和危害也日趨嚴(yán)重，無(wú)論從生產(chǎn)和消費(fèi)的角度看，消除靜電危害都已成為亟待研究和解決的問題。如前所述，紡織材料在使用過(guò)程中也發(fā)生著兩個(gè)相反的靜電過(guò)程，即產(chǎn)生和流散。因此，實(shí)際的靜電電荷水平應(yīng)是這兩個(gè)相反過(guò)程達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的結(jié)果。由材料上的實(shí)際靜電荷水平(電荷的靜電積累量)所引起的一系列物理效應(yīng)稱為材料的靜電效應(yīng)。這些物理效應(yīng)主要包括力學(xué)效應(yīng)、放電效應(yīng)和靜電感應(yīng)效應(yīng)。

1.力學(xué)效應(yīng)

因帶電體周圍的電場(chǎng)具有力的作用，所以表現(xiàn)出帶電體(如纖維和服裝面料)會(huì)吸引或排斥附近輕小物體的或相互之間的吸引或排斥的現(xiàn)象稱為靜電的力學(xué)效應(yīng)。根據(jù)Maxwell應(yīng)力公式，帶電體每單位面積所具有的靜電作用力為

式中f是帶電體每單位面積具有的作用力；σ為面電荷密度；E為帶電體表面附近的場(chǎng)強(qiáng)；ε是周圍介質(zhì)的電容率。由式(6-1)計(jì)算，在通常的帶電密度下靜電力的數(shù)值并不大，一般為每平方厘米數(shù)百毫克，所以靜電的力學(xué)效應(yīng)僅表現(xiàn)為吸附或排斥現(xiàn)象。

在實(shí)際過(guò)程中，一般認(rèn)為當(dāng)纖維或機(jī)件上靜電荷的質(zhì)量電荷密度大于10-8C/g時(shí)，或其上靜電壓大于100V時(shí)，纖維或紗線的運(yùn)動(dòng)規(guī)律就會(huì)明顯受到干擾，在紡織生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)亂絲、纏繞、飛花、跳紗等現(xiàn)象。

(6-1)

2．放電效應(yīng)

當(dāng)帶電體(如服裝)所產(chǎn)生的電場(chǎng)，其電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)周圍絕緣介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，介質(zhì)被高度電離而變成導(dǎo)體，并伴有發(fā)光和聲響，這就是靜電放電現(xiàn)象。放電現(xiàn)象實(shí)際上是靜電場(chǎng)的能量以光、熱和聲的形式釋放出來(lái)的現(xiàn)象。常見的放電現(xiàn)象是在空氣中發(fā)生的。根據(jù)理論計(jì)算，靠近空氣的介質(zhì)表面上積累靜電荷時(shí)便產(chǎn)生靜電場(chǎng)，在1個(gè)大氣壓下，在空氣中的介質(zhì)(如服裝面料)表面電荷密度值的數(shù)量級(jí)為

10-8C/m2，就開始發(fā)生靜電放電。

當(dāng)導(dǎo)體發(fā)生靜電放電時(shí)，其儲(chǔ)藏的能量一般可全部釋放，因而可根據(jù)公式估算放電能量；但當(dāng)絕緣體放電時(shí)，只能釋放部分能量，其計(jì)算比較復(fù)雜。

3．靜電感應(yīng)效應(yīng)

靜電感應(yīng)效應(yīng)是指帶電體(如人體)附近存在被絕緣的導(dǎo)體時(shí)，在該導(dǎo)體表面會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電荷的現(xiàn)象。如圖6-1所示，導(dǎo)體表面感應(yīng)電

式中S為受靜電感應(yīng)的物體表面積，E為該表面處的場(chǎng)強(qiáng)

導(dǎo)體表面上感應(yīng)電荷有正負(fù)兩種，且整個(gè)導(dǎo)體上的正負(fù)電荷處于平衡狀態(tài)，但由于表面處正負(fù)電荷以完全分離的形式存在，所以其和表面帶有靜電的物體是完全等價(jià)的，也會(huì)發(fā)生如上所述的力學(xué)效應(yīng)和放電效應(yīng)而引發(fā)靜電危害。

(6-2)圖6-1靜電感應(yīng)現(xiàn)象6.1.2紡織材料在生產(chǎn)加工中的靜電障礙和危害

紡織材料(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、電場(chǎng)感應(yīng)及熱風(fēng)干燥等因素的作用而產(chǎn)生靜電。如果這些靜電荷不能通過(guò)各種途徑迅速散失，就會(huì)在材料和加工機(jī)械上逐漸積累、增加；基于靜電的力學(xué)效應(yīng)和放電效應(yīng)，靜電荷的積累達(dá)到一定程度時(shí)將會(huì)引發(fā)如表6-1所示的各種障礙和危害。紡織材料在生產(chǎn)和加工過(guò)程中受各種因素作用而在材料和加工機(jī)械上產(chǎn)生并積累起靜電，在電場(chǎng)力作用下，纖維或纖維制品(紗線、絲條和織物)在各道工序中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律受到干擾，從而影響了正常生產(chǎn)。此外，靜電還會(huì)引發(fā)對(duì)操作人員的靜電電擊，有可能產(chǎn)生二次事故。實(shí)踐表明，靜電障礙和危害幾乎遍及于紡織材料生產(chǎn)加工的各個(gè)過(guò)程，只不過(guò)程度有所不同，如表6-2所示。

由表6-2可以看出，紡織加工中較為普遍的靜電障礙和危害可歸納為纖維及其制品易于纏繞、堵塞、污染、起毛，以及帶電的材料或加工機(jī)械對(duì)操作人員的電擊。以下分析幾個(gè)典型實(shí)例。表6-1紡織靜電障礙和危害的諸方面及典型表現(xiàn)

表6-2紡織加工中各生產(chǎn)工序的靜電障礙和危害

實(shí)例6-1細(xì)紗機(jī)皮輥及皮圈的纏繞。

皮輥和皮圈是細(xì)紗機(jī)重要的牽伸元件，一般用橡膠制成，外部涂料多為漆類。未經(jīng)處理的這類材料，其體積電阻率高達(dá)1014～1015Ω·cm，所以在與絕緣性能也較高的紗條或機(jī)架摩擦?xí)r，極易積累靜電而發(fā)生障礙。表6-3是對(duì)細(xì)紗機(jī)皮輥、皮圈帶電情況的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果。表6-3細(xì)紗機(jī)皮輥、皮圈的帶電情況

由表中可以看出，在紡T/C、T1/R(其配樣方案均為滌、棉)時(shí)，無(wú)論皮輥還是皮圈上的靜電壓值都已達(dá)到或超過(guò)100V。這表明，牽伸元件的帶電程度已足以擾亂紗線的正常運(yùn)動(dòng)規(guī)律而發(fā)生生產(chǎn)障礙。常見的是當(dāng)皮輥、皮圈與紗線帶有異號(hào)電荷時(shí)所出現(xiàn)的繞花、纏花現(xiàn)象。纏繞不僅會(huì)降低細(xì)紗條的光潔度，而且會(huì)頻繁引起細(xì)紗斷頭，影響紗支產(chǎn)量、質(zhì)量和增大擋車工勞動(dòng)強(qiáng)度。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察，纏繞嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐赏＼?，工人不得不用刀片或其它銳器把粘花從皮輥上一點(diǎn)一點(diǎn)地刮掉，這樣不僅浪費(fèi)工時(shí)，而且大大縮短了皮輥使用周期。有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料表明，某大型紡織廠的細(xì)紗車間，每月因“刀傷”而報(bào)廢的皮輥竟高達(dá)數(shù)千只之多。順便指出，在并、粗、細(xì)紗諸工序常發(fā)生的纏繞現(xiàn)象，除由靜電吸附作用引起外，還可能與其它多種因素有關(guān)。因此，最好在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)纏繞部位的帶電情況進(jìn)行測(cè)試以便對(duì)纏繞原因作出正確判斷。

實(shí)例6-2坯布和裝布對(duì)操作工的靜電電擊。

對(duì)操作人員的靜電電擊是紡織加工中最常見的靜電危害。根據(jù)日本對(duì)422家大、中型纖維工業(yè)企業(yè)的調(diào)查，由于電擊引起的危害占全部危害事件的32%。在整理車間的驗(yàn)布工序，常使用鐵制膠輪小車盛放由驗(yàn)布機(jī)落下的坯布?？椢镞M(jìn)入小車前，先是受到橡膠—金屬輥的擠壓，而后又經(jīng)過(guò)滾筒的導(dǎo)引。如此頻繁的接觸—分離過(guò)程就使其帶上較強(qiáng)的靜電，再加上帶電織物進(jìn)入裝布車后的折疊、堆積，當(dāng)小車裝滿坯布后所積累的靜電荷就很可觀了。因此當(dāng)工人接觸織物或推動(dòng)小車時(shí)常會(huì)受到電擊。強(qiáng)烈的電擊往往令操作者感到極度驚恐和不快，還有可能引發(fā)二次事故。開始時(shí)，車間安技人員一度懷疑電擊是由于機(jī)械“漏電”造成的，后經(jīng)電工仔細(xì)檢查，排除了這一可能性。當(dāng)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)了裝置的靜電壓后，確認(rèn)電擊是由于靜電放電引起的。測(cè)試情況如表6-4所示。表6-4驗(yàn)布機(jī)下裝布車帶電情況測(cè)量

由表6-4可看出，除第4、6號(hào)車以外，其余各臺(tái)裝布車上靜電壓均已達(dá)到或超過(guò)人對(duì)靜電電擊的感知極限3kV。靜電電擊時(shí)人體的反應(yīng)如表6-5所示，故當(dāng)工人接觸坯布或推動(dòng)小車時(shí)就會(huì)在帶電體與人體之間發(fā)生放電，使人受到電擊。表6-5靜電電擊時(shí)人體的反應(yīng)

實(shí)例6-3牽伸機(jī)錠子對(duì)擋車工的靜電電擊。

在紡織加工中，靜電電擊有時(shí)發(fā)生在擋車工需要經(jīng)常接觸或靠近的紡機(jī)部件上。如在制造化纖的牽伸機(jī)上，初生纖維由導(dǎo)絲器進(jìn)入錠子系統(tǒng)加捻、卷繞并在紗管上成型。在此過(guò)程中，由于化纖與塑料等高絕緣材料制作的紗管間劇烈的摩擦，使紗管帶上很高的靜電壓，并會(huì)在附近的鋼領(lǐng)板等金屬部件上感應(yīng)出較高的靜電壓，如表6-6所示，從而使擋車工遭到電擊。表6-6牽伸機(jī)錠子各部件的帶電情況

6.1.3纖維制品在使用過(guò)程中的靜電障礙和危害

纖維制品在使用(主要是服用，還有其它非服用方式)過(guò)程中，經(jīng)常發(fā)生著織物與人體、織物與織物、織物與其它絕緣材料之間的相互摩擦作用，再加上剝離、電場(chǎng)感應(yīng)等因素，極易在纖維制品特別是合成纖維制品上積累靜電。當(dāng)靜電荷大到服用者感到不適及在其它場(chǎng)合足以引起事故或?yàn)?zāi)害時(shí)，就出現(xiàn)了纖維制品在使用中的靜電問題，詳見表6-7所示。表6-7纖維制品在使用過(guò)程中的靜電障礙和危害

根據(jù)表6-7，可將纖維制品在使用過(guò)程中的靜電障礙和危害歸納為吸塵污染、纏附抱合、擊穿、電擊、引燃引爆等幾個(gè)方面。特別是合纖制品帶電后引起的靜電放電火花，往往成為易燃易爆場(chǎng)所的點(diǎn)火源，使化工、石油、軍火、食品、醫(yī)藥、航空等部門屢屢受危害。

實(shí)例6-4人體衣裝上的靜電及其危害。

人在穿用服裝時(shí)由于衣料與人體以及衣料之間的摩擦而帶電；如果再伴隨著脫衣動(dòng)作，靜電現(xiàn)象更為明顯。表

6-8為不同纖維材料的內(nèi)衣和外衣，在穿上、穿后5分鐘和脫衣時(shí)的實(shí)測(cè)靜電壓值。表6-8衣裝的靜電帶電情況

由表6-8可以看出，當(dāng)人穿用合纖類內(nèi)、外衣時(shí)，穿上5分鐘后衣裝上的靜電壓可達(dá)數(shù)百伏至1000多伏；而在脫衣時(shí)更可高達(dá)數(shù)千伏至上萬(wàn)伏。如果人體衣裝上的靜電壓為1kV(在人們的生產(chǎn)和日?；顒?dòng)中，這是經(jīng)?？赡苡龅降?，那么這可能帶來(lái)什么危害呢？

取人的對(duì)地電容量C＝400pF，則其靜電放電能量W=CU2/2=400×10-12×(103)2/2=0.2mJ。許多可燃性氣體、液體、粉塵等的最小點(diǎn)火能量都低于這一數(shù)值，例如氫氣的最小點(diǎn)火能是0.019mJ，乙醚是0.13mJ，甲醇是0.14mJ；許多炸藥的最小點(diǎn)火能更低達(dá)0.001mJ。因此人體衣裝上的靜電引起的放電火花足以使這些物質(zhì)引燃、引爆，釀成嚴(yán)重的災(zāi)害事故?？梢姶┯煤侠w衣裝的人體猶如“活動(dòng)火柴”般危險(xiǎn)。

再比如，PNP型晶體管的發(fā)射極—基極間的最大電壓僅為7.5V，當(dāng)操作人員衣裝上的靜電壓達(dá)到1kV時(shí)，經(jīng)推算完全可能使兩極間發(fā)生靜電擊穿而使晶體管報(bào)廢。

6.2紡織靜電的消除原理

6.2.1紡織材料的靜電產(chǎn)生和流散

紡織材料在生產(chǎn)加工或使用中，發(fā)生著兩個(gè)相反的靜電過(guò)程，即產(chǎn)生和流散(靜電荷對(duì)周圍介質(zhì)的散失主要是通過(guò)中和與泄漏兩條途徑來(lái)實(shí)現(xiàn))。因此，實(shí)際的靜電荷水平應(yīng)是這兩個(gè)相反過(guò)程達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的結(jié)果。達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)的實(shí)際靜電荷水平(靜電荷的凈積累量)就是該種材料的帶電量。

在同時(shí)考慮材料的起電和流散這兩個(gè)過(guò)程時(shí)，其靜電荷的積累服從(6-3)的規(guī)律，其中τ=ε0εrρV稱為材料的放電時(shí)間常數(shù)，它的大小取決于材料的體積電阻率和介電常數(shù)；QS=I0τ是起電與流散達(dá)到平衡后的飽和電量密度，它與起電電流I0和材料的放電時(shí)間常數(shù)有關(guān)。

由式(6-3)可見，當(dāng)t>>τ時(shí)有Q→QS，亦即靜電荷的產(chǎn)生與流散達(dá)到平衡。因此，QS就代表了材料上的實(shí)際靜電荷水平，并決定著材料對(duì)外表現(xiàn)出的靜電效應(yīng)的強(qiáng)弱。同時(shí)，QS=I0τ正說(shuō)明材料的靜電產(chǎn)生的過(guò)程，而且也與電荷的泄漏密切相關(guān)。由此看出，消除各種紡織靜電障害，歸結(jié)為設(shè)法減弱材料的靜電效應(yīng)。根據(jù)以上討論可知，為減弱紡織材料的靜電效應(yīng)可以從三個(gè)方面著手：減少靜電的產(chǎn)生；加快靜電的泄漏；造成使靜電得以被中和的條件。后兩條顯然是基于靜電的散失過(guò)程提出的。這三條就是消除紡織靜電障礙和危害的基本原理。6.2.2紡織靜電的評(píng)價(jià)指標(biāo)

為便于判斷紡織材料靜電效應(yīng)的強(qiáng)弱，以便制定相應(yīng)的消電措施，同時(shí)也為了對(duì)各種消電方法的效果進(jìn)行比較，必須要有表征材料靜電效應(yīng)強(qiáng)弱的定量指標(biāo)，并且，這些指標(biāo)最好能夠很方便地加以測(cè)定。

在決定紡織材料靜電效應(yīng)的兩個(gè)相反過(guò)程中，究竟哪一個(gè)是主要因素？如果考慮到紡織材料的比電阻值多半都很高，則可認(rèn)為主要是靜電荷泄漏的快慢，而不是靜電產(chǎn)生的多少?zèng)Q定著材料的靜電效應(yīng)。這是因?yàn)?，靜電通過(guò)絕緣材料本身的泄漏遵循如下規(guī)律:(6-4)由于絕緣材料的比電阻ρV都很大，所以靜電時(shí)間常數(shù)τ也很大，即材料上的靜電荷泄漏緩慢。例如純滌綸放電時(shí)間常數(shù)約為43分鐘，另一些比電阻更高的合纖材料的放電時(shí)間常數(shù)甚至可達(dá)數(shù)小時(shí)之多。所以即使產(chǎn)生靜電的工藝過(guò)程停止較長(zhǎng)一段時(shí)間后，材料上仍可保留有足以引起障害的靜電量。這一觀點(diǎn)已為實(shí)踐所證實(shí)，同時(shí)從實(shí)用觀點(diǎn)看，靜電的衰減特性更容易測(cè)量些。因此，可采用測(cè)量材料的靜電半衰期t1/2(t1/2=0.69τ=0.69ε0εrρV)作為衡量材料靜電效應(yīng)的指標(biāo)。但半衰期與材料的體積比電阻ρV成正比，而各材料的表面比電阻與體積比電阻又是相關(guān)的，又考慮到ρs的測(cè)量不僅簡(jiǎn)單，而且復(fù)現(xiàn)性也較好，所以通常用表面比電阻ρs作為衡量材料靜電效應(yīng)的重要指標(biāo)。

威爾遜(Wilson)和傅科(Valko)通過(guò)研究，分別得出紡織材料表面比電阻與其靜電效應(yīng)之間的相關(guān)關(guān)系如表6-9所示。

上述關(guān)系已被應(yīng)用到實(shí)際中。如美國(guó)國(guó)家防火協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)中，有關(guān)床單及其它醫(yī)用紡織品的防靜電規(guī)范，都是以比電阻的高低為標(biāo)準(zhǔn)的。凡有麻醉品存在的場(chǎng)所，織物的表面比電阻都要求低于1011Ω；在纖維制品的服用中，當(dāng)表面比電阻降到1011～1012Ω時(shí)，則不會(huì)發(fā)生明顯的纏附、抱合等情況。表6-9紡織材料的表面比電阻與其靜電效應(yīng)之間的關(guān)系

需要指出，采用比電阻衡量材料的靜電效應(yīng)并不是很完善的。實(shí)驗(yàn)表明，僅靠比電阻一項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行判斷，有時(shí)會(huì)得出與實(shí)際情況不符的結(jié)果。特別是對(duì)于表面涂層(或鍍層)的纖維制品及混紡織物等復(fù)合材料，僅用比電阻一項(xiàng)指標(biāo)常會(huì)作出有關(guān)靜電效應(yīng)的錯(cuò)誤評(píng)價(jià)。這是因?yàn)闆Q定材料靜電效應(yīng)的直接物理量應(yīng)是材料上的電量及與此相關(guān)的電場(chǎng)強(qiáng)度、電流和電壓，但這些參數(shù)的測(cè)量一般比較復(fù)雜，而且復(fù)現(xiàn)性也較差。為了對(duì)材料的靜電效應(yīng)作出符合實(shí)際的正確評(píng)價(jià)，除比電阻外，還應(yīng)附加其它指標(biāo)，它們是紡織材料的靜電半衰期、帶電量或面電荷密度以及表面靜電壓等。6.2.3影響靜電指標(biāo)的主要因素

綜合考慮決定材料靜電效應(yīng)的兩個(gè)相反過(guò)程——靜電的產(chǎn)生和流散(中和與泄漏)，可以提出影響靜電效應(yīng)的幾個(gè)主要因素。

1．比電阻的影響

由材料上的飽和電量Qs=I0ε0εrρV以及靜電半衰期

t1/2=0.69ε0εrρV可以看出，動(dòng)態(tài)平衡后材料所帶靜電荷的多少以及靜電衰減的難易、快慢程度，直接受到ρV和ε=ε0εr乘積的影響，但從數(shù)值上看，ρV要比ε大得多；從水分等外界條件對(duì)它們的影響看，ρV也要比ε敏感得多。所以對(duì)于材料的靜電效應(yīng)來(lái)說(shuō)，比電阻比介電常數(shù)起著更為重要的作用。電阻主要受到水分的影響。對(duì)于在多數(shù)紡織纖維，在RH30%～90%的范圍內(nèi)，其質(zhì)量比電阻ρm(ρm=λρV，式中λ為材料的質(zhì)量密度)隨回潮率M(又稱吸濕率)的增加而迅速下降，經(jīng)驗(yàn)公式為

式中，n>>1是一個(gè)與纖維性質(zhì)及測(cè)量條件有關(guān)的常數(shù)。圖6-2是各種纖維的ρm隨M的變化情況。

一般來(lái)說(shuō)，水分是通過(guò)環(huán)境相對(duì)濕度和材料本身的吸濕性能兩個(gè)因素而起作用的。圖6-3表示各種纖維的比電阻隨空氣相對(duì)濕度變化的情況。(6-5)圖6-2各種纖維比電阻隨含水量變化的情況圖6-3各種纖維比電阻隨相對(duì)濕度變化的情況紡織材料的吸濕性能主要取決于自身結(jié)構(gòu)，即取決于纖維表面和內(nèi)部親水基團(tuán)的多少及排列情況。合成纖維中的親水基團(tuán)很少，同時(shí)親水基團(tuán)多數(shù)又是朝向纖維排列的，因而吸濕能力極差。

根據(jù)以上的討論可知，只要設(shè)法降低材料的比電阻，就能加快靜電荷的泄漏，減弱其靜電效應(yīng)。而降低比電阻的方法歸結(jié)為增大纖維的含水量。靜電工程上常用的增加環(huán)境相對(duì)濕度和對(duì)材料施行防靜電油劑處理都是基于這一原理的。

2．摩擦材料的影響

按照柯恩(Corn)法則，序列中任何兩種材料接觸摩擦?xí)r，總是前端(介電常數(shù)較大者)帶正電，后端(介電常數(shù)較小者)帶負(fù)電；至于帶電量可按

Q=K(ε1－ε2)

(6-6)

計(jì)算，式中K是比例系數(shù)，ε1、ε2分別是參與摩擦的兩種材料的介電常數(shù)。

由此可見根據(jù)材料的靜電序列，可以判斷紡織材料摩擦起電的極性，并可粗略估算起電量的大小。

研究靜電序列對(duì)于減弱材料的靜電效應(yīng)具有一定意義。例如可適當(dāng)選擇參與摩擦的兩種材料，使它們?cè)谛蛄兄邢嗑噍^近，以達(dá)到減小起電量的目的；或使紡織材料先后通過(guò)兩個(gè)不同的摩擦表面，使在兩處產(chǎn)生的電荷極性相反而得以部分中和。

3．摩擦條件的影響

(1)摩擦次數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于多數(shù)材料而言，當(dāng)摩擦次數(shù)達(dá)到幾十次時(shí)，材料起電量即達(dá)到最大值。如繼續(xù)摩擦到上千次時(shí)，帶電量反而會(huì)逐漸下降，直到摩擦次數(shù)又達(dá)到數(shù)千次時(shí)又穩(wěn)定下來(lái)。并在以后增加摩擦次數(shù)的過(guò)程中起電量基本保持不變，如圖6-4所示。目前人們對(duì)于這一現(xiàn)象的機(jī)理還不夠清楚。圖6-4摩擦次數(shù)與帶電量的關(guān)系

(2)摩擦速度的影響。摩擦速度即摩擦的距離與摩擦?xí)r間之比，一次摩擦?xí)r間即兩個(gè)物體從剛開始接觸那一時(shí)刻到分離之間所經(jīng)歷的時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)兩物體一直發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，兩物體摩擦?xí)r的起電量Q可按下式計(jì)算

式中，f(v)是關(guān)于摩擦速度的函數(shù)，A是摩擦功。從式(6-7)中雖不能直接看出Q與v的關(guān)系，但實(shí)驗(yàn)表明，在一定速度范圍內(nèi)(即v＜0.1cm/s)，Q隨v的增大而增大，當(dāng)速度達(dá)到某一值時(shí)，物體帶電量達(dá)到理論飽和值。如圖6-5表示了這種關(guān)系。在紡紗生產(chǎn)中，紗速對(duì)紗條帶電的影響可由表6-10看出，大部分材料的靜電壓隨摩擦速度增大而升高。

(6-7)圖6-5摩擦電量與摩擦速度間的關(guān)系表6-10紗速對(duì)纖維帶電的影響

(3)摩擦力的影響。由式(6-7)可見，摩擦起電量與摩擦功有關(guān)，因而也與摩擦力有關(guān)。例如，當(dāng)紗線上張力增大時(shí)，正壓力和摩擦力也隨之增大。實(shí)驗(yàn)表明，此時(shí)摩擦起電量也相應(yīng)增大。圖6-6表示尼龍條子在鉭絲上摩擦?xí)r張力與摩擦靜電壓的關(guān)系。圖6-6尼龍條子所受張力與摩擦靜電壓之間的關(guān)系

4．空氣離子化程度的影響

在紡織材料上靜電荷的散失途徑之一，是與周圍空間存在的異號(hào)離子發(fā)生電中和作用?？諝庵须x子化程度越高，則中和作用越強(qiáng)，可大大減弱材料的靜電效應(yīng)。有人通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在一年中離子化程度較高的夏季，紡織加工中的靜電問題就不太嚴(yán)重，而在一天之中離子化程度最低的中午和子夜時(shí)分，就常出現(xiàn)斷頭頻繁、纏繞加劇等靜電障礙和危害。綜上所述，要減弱紡織材料的靜電效應(yīng)，消除紡織靜電障礙和危害，應(yīng)從減少以致防止靜電荷的產(chǎn)生，以及把產(chǎn)生的靜電荷迅速中和或泄漏這些途徑著手。有關(guān)這方面的指導(dǎo)原則，已在前面討論過(guò)。例如，設(shè)法降低材料的比電阻，可使靜電荷較快地從帶電體上泄放；利用某些手段提高空氣的離子化程度，則可加快帶電體上電荷的中和速度；適當(dāng)選擇、調(diào)整材料的配伍，可減少靜電的產(chǎn)生量。根據(jù)以上原則提出的消靜電方法，大致可分為物理方法和化學(xué)方法兩大類。

6.3消除紡織靜電的物理方法

6.3.1機(jī)器接地

接地是將帶電體上的靜電通過(guò)接地導(dǎo)線引入大地，以防止物體上電荷積累。在紡織材料生產(chǎn)加工中，機(jī)器接地是消除靜電的首要措施。實(shí)踐表明，只要使用得當(dāng)，這種方法是行之有效的。例如，在整經(jīng)機(jī)上，若定幅筘用銅制作并使之接地，就可使整經(jīng)過(guò)程順利進(jìn)行，避免因靜電排斥作用而發(fā)生絲束發(fā)散、紊亂等現(xiàn)象。把織機(jī)機(jī)架和筘接地，可使經(jīng)紗斷頭降低38%。將碼布機(jī)或軋光機(jī)的金屬機(jī)架以及紡絲機(jī)的導(dǎo)絲圈進(jìn)行有效的靜電接地，可大大減少操作者遭受電擊的機(jī)會(huì)。6.3.2靜電接地系統(tǒng)的各種阻值及其取值

1.各種電阻

使帶電體上的靜電電荷向大地泄漏的外界導(dǎo)出通道稱為靜電接地系統(tǒng)，如圖6-7所示。靜電接地系統(tǒng)主要由接地極、接地線和接地體組成。接地體是直接與大地接觸的金屬導(dǎo)體或?qū)w組。用來(lái)連接被接地物體的點(diǎn)，稱為接地極。接地極和接地體之間的導(dǎo)線稱為接地線。在靜電接地系統(tǒng)中涉及到接地電阻、靜電接地電阻和靜電泄漏電阻等概念。明確這些概念的含義，并將各種阻值控制在合適的范圍內(nèi)，對(duì)于取得良好的接地效果是十分重要的。圖6-7靜電接地系統(tǒng)

(1)接地電阻。

接地電阻是指作為接地體的金屬導(dǎo)體本身的電阻加上接地體與大地之間的電阻。但因金屬導(dǎo)體本身的電阻甚小，所以接地電阻主要指接地體與大地之間的電阻。該電阻也就是泄漏電流從接地體向周圍大地流散時(shí)，土壤所呈現(xiàn)的電阻，也叫流散電阻，其值等于接地體的電位U與通過(guò)接地體流入大地中的電流強(qiáng)度Ie之比，即(6-8)通過(guò)接地體流入大地的電流以地中作半球形擴(kuò)散。以圖6-8為例，設(shè)埋入地下的金屬半球在均勻土壤所注入的電流從這個(gè)半球形電極開始沿徑向流動(dòng)。由于距離半球形電極越遠(yuǎn)，與電流垂直的半球形殼層面積越大，所以電阻也越小，雖然實(shí)際接地體的形狀未必是半球形，但從足夠遠(yuǎn)的地方觀察，都可以近似地視作一半球狀電極。理論和實(shí)驗(yàn)都表明，在距單根接地體(長(zhǎng)2.5m)20m以外處，該處流散電阻已趨于零，因而該處的電位降為零。這個(gè)電位為零的地方即是靜電接地中的“地”。圖6-8接地體的電流分布

(2)靜電接地電阻。靜電接地電阻是指靜電接地系統(tǒng)的總電阻，它包含被接地物體與該物體上接地極之間的接觸電阻(RJ)，這個(gè)接觸電阻是指被接地物體與接地極之間的接觸電阻，與被接地物體本身的電阻是完全不同的。靜電接地電阻為接觸電阻(RJ)、連接接地極與接地體間的導(dǎo)線的電阻(Rc)，以及接地體與土壤之間的流散電阻(即接地電阻Re)三部分之和:

Rs=RJ+Rc+Re

(6-9)

由式(6-9)可以看出，一般情況下靜電接地電阻Rs并不等于接地電阻Re，僅當(dāng)對(duì)金屬物實(shí)施直接接地時(shí)，因RJ和Rc都很小，可忽略不計(jì)，才有Rs=Re。對(duì)以金屬導(dǎo)體以外的靜電導(dǎo)體或亞導(dǎo)體進(jìn)行間接接地時(shí)RJ不能忽略，所以Rs要比Re大得多。

靜電接地電阻Rs是指整個(gè)接地通道(包括向大地流散)的電阻，而不含有被接地體本身的電阻。

(3)靜電泄漏電阻(RD)。

靜電泄漏電阻是指被接地物體本身的電阻(Rm)(即由被接地物體本身的電阻率和物體尺寸所決定的電阻)與靜電接地電阻(Rs)兩者之和，即

RD=Rm+Rs

(6-10)

靜電泄漏電阻在數(shù)值上應(yīng)等于帶電物體(被接地物體)的最高靜電位(即與大地之間的電位差Um)與向大地泄放電流(ID)之比值。即(6-11)很顯然，只有靜電泄漏電阻才是判斷帶電體上電荷能否順暢泄漏的主要依據(jù)，是評(píng)價(jià)靜電接地良好程度的標(biāo)準(zhǔn)。而且，在一般情況下，RD不等于Rs，僅當(dāng)對(duì)金屬物體直接接地，因金屬物體的Rm很小可忽略不計(jì)時(shí)，兩者才近似相等。而對(duì)于間接接地的靜電導(dǎo)體或亞導(dǎo)體，其自身電阻Rm往往是相當(dāng)大的，故RD要比Rs大得多。

2.各種電阻的取值范圍及其確定依據(jù)

靜電接地中各種電阻的取值范圍，應(yīng)區(qū)分直接接地和間接接地兩種情況分別加以確定。

(1)直接接地。由以上討論可知，靜電接地的目的是通過(guò)接地系統(tǒng)使帶電體的靜電荷加以泄漏，以保證帶電體對(duì)大地的電位在任何情況下不超過(guò)危險(xiǎn)界限。設(shè)易燃易爆場(chǎng)所或敏感場(chǎng)所的危險(xiǎn)電位為Uk，直接接地的靜電接地系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)向大地泄漏的靜電量亦即泄漏電流為ID，則要達(dá)到通過(guò)靜電接地防止發(fā)生燃爆災(zāi)害，就須

Um≤Uk

或RD≤Uk/ID

(6-12)由于一般情況下，物體的起電過(guò)程總是伴隨著靜電的流散(若不發(fā)生放電，流散的主要方式就是泄漏)。而且當(dāng)起電與流散達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，即起電電流Ig與泄漏電流ID相等時(shí)，帶電體上的靜電位達(dá)到最大值(飽和值)，故在式(6-12)中可用Ig代替ID來(lái)估算RD，即(6-13)根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)長(zhǎng)期運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，在有易燃易爆氣體混合物存在的場(chǎng)所，危險(xiǎn)電位為300V，而在火藥和電火工品行業(yè)，危險(xiǎn)電位取100V。在目前的工業(yè)水平下，實(shí)際生產(chǎn)中靜電起電范圍為10-11～10-4A，因此在式(6-13)中，取Uk=100V，Ig=10-4A。在任何情況下帶電電位都不會(huì)超過(guò)危險(xiǎn)電位的靜電泄漏電阻RD為

對(duì)于金屬材料的直接接地，因有RD≈Rs≈Re，所以有

Re≤106Ω

(6-15)(6-14)又因?yàn)镽e主要取決于土壤的電阻率，而后者又隨溫度、濕度條件等因素而變化，根據(jù)我國(guó)的具體情況，這種變化幅度可達(dá)103Ω量級(jí)，并從而使Re的變化幅度也達(dá)103Ω量級(jí)。為使在任何情況下都能保證式(6-12)和式(6-13)成立，則要求

Re≤103Ω

(6-16)

對(duì)于單獨(dú)設(shè)置的接地體，必須要對(duì)接地電阻值定期檢測(cè)。為方便和使阻值穩(wěn)定，宜再小一個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)應(yīng)場(chǎng)合要求危險(xiǎn)電位Uk≤10V，所以RD≤105Ω，這就要求接地電阻為

Re≤102Ω

(6-17)還應(yīng)指出的是，以單純防靜電為目的的接地電阻值要比防雷電和工頻電氣接地的電阻值大得多。因此，當(dāng)防靜電、防雷電和工頻電氣三個(gè)接地系統(tǒng)共用一個(gè)接地體時(shí)，接地電阻值應(yīng)按其中的最小值選取，一般為4～10Ω以下。同時(shí)應(yīng)當(dāng)注意，靜電接地系統(tǒng)除與另外兩個(gè)系統(tǒng)可以共用接地體外，其他部分則不能有任何電氣連接。這是因?yàn)槔纂娏魇且环N幅值很大的沖擊性電流，接地系統(tǒng)不僅呈現(xiàn)出沖擊電阻的性質(zhì)，而且所附加的接地裝置具有的電抗會(huì)使靜電接地系統(tǒng)甚至人員和設(shè)備受到危害。同樣，對(duì)于大功率或高電壓的工頻電氣接地系統(tǒng)也存在類似的情況。

(2)間接接地。當(dāng)對(duì)靜電導(dǎo)體或亞導(dǎo)體實(shí)行間接接地時(shí)，靜電泄漏電阻中必須計(jì)及被接地物體本身的部分電阻Rm。理論和實(shí)踐可以證明，在大多數(shù)情況下，被接地物體上電位最高點(diǎn)至物體接地極之間的電阻(即Rm)一般不大于103Ω。再考慮到與被接地物體緊密貼合的外部金屬物體的靜電接地電阻值Rs仍應(yīng)滿足Rs＜103Ω，所以按式(6-10)，間接接地時(shí)靜電泄漏電阻

RD≤103+106≈106Ω

(6-18)綜上所述，對(duì)于同一靜電接地系統(tǒng)，靜電泄漏電阻、靜電接地電阻、接地電阻是三個(gè)含義各不相同的概念。其中，RD是評(píng)價(jià)靜電接地系統(tǒng)工作狀態(tài)是否良好的重要參數(shù)，而Re則是構(gòu)成RD的最主要的部分，通過(guò)調(diào)節(jié)Re可有效改變RD，使其滿足規(guī)定的取值范圍。還應(yīng)指出在特殊情況下，RD可增大到107～109Ω，這是為了在特殊危險(xiǎn)場(chǎng)所限制靜電泄漏電流(ID)。因?yàn)檫^(guò)大的泄漏電流所產(chǎn)生的熱效應(yīng)有可能成為危險(xiǎn)的點(diǎn)火源，同時(shí)靜電泄漏電流過(guò)大時(shí)還會(huì)對(duì)某些電子設(shè)備的工作造成干擾、威脅。

3．使用接地方法消除靜電時(shí)應(yīng)注意的問題

(1)明確接地對(duì)象。接地的目的是為帶電體上的電荷提供一條泄漏通道，所以僅當(dāng)帶電體是比較容易導(dǎo)電的靜電導(dǎo)體時(shí)才有效。凡電阻率在108～1010Ω·cm以下或表面比電阻在109～1011Ω/m2以下的物體可視為靜電導(dǎo)體，采用接地辦法均有消電效果。只要物體的電阻率不符合上述標(biāo)準(zhǔn)，就不能斷定為靜電導(dǎo)體，在這種情況下將物體接地，要么效果甚微，要么毫無(wú)意義。

根據(jù)這一原則，紡織加工中的金屬機(jī)械或金屬零部件都可以而且應(yīng)該接地；至于用塑料、玻璃、橡膠等材料制作的機(jī)件一般屬靜電非導(dǎo)體，應(yīng)使用其它方法消電。對(duì)作為靜電導(dǎo)體的金屬機(jī)件接地時(shí)，應(yīng)考慮到纖維、紗條等被加工對(duì)象的具體情況。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)材料的體積比電阻大于1013Ω·cm時(shí)，金屬加工機(jī)械接地反而會(huì)提高材料上的帶電量。例如在梳棉機(jī)上加工含蠟纖維時(shí)，將機(jī)器接地后纖維上的靜電壓反而升高。這是因?yàn)闄C(jī)器未接地時(shí)，它與纖維帶有異號(hào)電荷，在接觸過(guò)程中尚有一定的中和作用；而機(jī)器接地后電中和作用不復(fù)存在，纖維上的電荷又極難通過(guò)接地導(dǎo)走，所以纖維總帶電量反而會(huì)增加。

(2)采用正確的接地方法。

首先，應(yīng)適當(dāng)控制接地電阻值。紡織加工中將機(jī)器接地時(shí)，接地電阻值應(yīng)低于106Ω；而在標(biāo)準(zhǔn)條件下(20℃、RH50%)可低于103Ω。當(dāng)然，這只是單純考慮靜電向大地泄漏的接地電阻值；如果同時(shí)考慮到防止電氣設(shè)備的漏電或雷擊的危險(xiǎn)，則接地電阻值必須至少在10Ω以下

其次，接地導(dǎo)線應(yīng)使用機(jī)械強(qiáng)度高、耐腐蝕的材料。由于靜電泄漏電流一般在μA數(shù)量級(jí)，所以用于這種目的的接地線使用電流容量小的細(xì)導(dǎo)線就行了。但為了在長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)保持接地的可靠性，導(dǎo)線尺寸最小值就在Φ2.6～3.2mm之間。接地導(dǎo)線最好采用絕緣被覆線，以提高接地線的耐腐蝕性，但這種導(dǎo)線在長(zhǎng)期使用后應(yīng)定期檢查其導(dǎo)通情況。靜電接地裝置的連接一般應(yīng)采用焊接。在焊接十分困難或需要拆卸處可采用螺栓連接，但應(yīng)有防松裝置。

最后需要說(shuō)明的是，靜電接地裝置雖可以同其它接地裝置共用，但各設(shè)備應(yīng)有自己的接地線同接地體或接地干線相連。(3)減小靜電電擊。對(duì)于防止靜電電擊而言，接地只能消除部分危險(xiǎn)，如圖6-9(a)所示，金屬機(jī)器原來(lái)不帶電，但與地絕緣，當(dāng)帶電的操作者走近時(shí)，由于靜電感應(yīng)將出現(xiàn)兩個(gè)潛在的放電危險(xiǎn)：人與機(jī)器近端的放電和機(jī)器遠(yuǎn)端對(duì)地的放電。

如機(jī)器具有良好的接地，則成為圖6-9(b)所示的情況，此時(shí)機(jī)器遠(yuǎn)端對(duì)地的放電危險(xiǎn)被消除，而人與機(jī)器近端間的放電依然存在。

圖6-9接地只能消除部分放電危險(xiǎn)6.3.3增濕

1．濕度對(duì)各種靜電參數(shù)的影響

如前所述，為減弱材料的靜電效應(yīng)應(yīng)降低其比電阻，而比電阻隨材料的含水量一方面取決于材料本身的吸濕能力，另一方面則在頗大程度上與環(huán)境相對(duì)濕度有關(guān)。事實(shí)上，大多數(shù)紡織材料都能從大氣中吸收一定量的水分，吸收數(shù)量是大氣相對(duì)溫度的某一函數(shù)，雖然這函數(shù)相對(duì)復(fù)雜，但可能想見，相對(duì)濕度越高，則水汽分子作熱運(yùn)動(dòng)撞擊到材料表面的幾率越大，越容易被吸收或附著在表面形成一層水膜，所以在紡織行業(yè)常采用提高空氣濕度的方法消除靜電。各種紡織材料的靜電性能(比電阻、面電荷密度、最大靜電壓值和靜電半衰期)隨相對(duì)濕度變化的情況列于表6-11、6-12、6-13和圖6-10中。

表6-11不同相對(duì)濕度下各種纖維的表面比電阻

表6-12不同相對(duì)濕度下各種纖維的面電荷密度(單位：C/m2)

表6-13不同相對(duì)濕度下各種纖維的最大靜電壓(單位：kV)

圖6-10各種纖維靜電半衰期隨相對(duì)濕度變化的情況從以上數(shù)據(jù)可看出，絕大多數(shù)紡織材料的靜電效應(yīng)指標(biāo)隨相對(duì)濕度提高而有明顯下降，但下降幅度彼此有較大的差異。

在紡織加工中利用增濕法消除靜電取得明顯效果。如在梳棉機(jī)上加工錦綸纖維時(shí)，當(dāng)相對(duì)濕度低于48%時(shí)，棉網(wǎng)下垂并向斬刀吸附；提高到55%時(shí)仍有障礙；直至提高到70%左右，靜電障礙基本消除，生產(chǎn)趨于正常穩(wěn)定。再如紡織加工中廣泛使用的維綸纖維，在所有合纖中其吸濕性能最強(qiáng)(在20℃、RH65%的條件下，回潮率為4.5%)，但即使如此，加工過(guò)程中靜電效應(yīng)仍較強(qiáng)，在清花、梳棉、并粗等工序出現(xiàn)一系列生產(chǎn)障礙。但如提高相對(duì)濕度直到其回潮率達(dá)到7%，則可基本上消除靜電障礙，各道工序能正常進(jìn)行。濕度對(duì)纖維制品的靜電效應(yīng)有很大影響。例如合纖類織物在冬季低濕條件下靜電問題比較嚴(yán)重，而在夏季高濕條件下就有明顯減輕?；谶@一點(diǎn)，在化工、石油、軍工等工業(yè)部門，也常采用提高車間濕度的方法，防止操作人員衣裝的靜電引燃、引爆。

2．增濕法的局限性

(1)增濕費(fèi)用比較昂貴。紡織廠中需要的相對(duì)濕度越高，其所要求的空調(diào)設(shè)備的規(guī)模也越大。如在美國(guó)，有些紡織廠空調(diào)設(shè)備的費(fèi)用可達(dá)工廠建筑費(fèi)用的兩倍。所以，把相對(duì)濕度提得很高是不經(jīng)濟(jì)的。同時(shí)高濕度會(huì)增加機(jī)器銹蝕的機(jī)會(huì)，并危害操作人員的身體健康。

為解決這個(gè)問題，可考慮用局部增濕法，即利用某種裝置只在帶電體上造成高濕度，使其表面形成一層水膜。高濕度消電器就是這種裝置。如圖6-11所示，壓縮空氣從左方管道送入，先經(jīng)過(guò)一個(gè)浸在恒溫水浴(高于室溫，約30℃)中的螺旋管2，預(yù)熱至一定溫度后再進(jìn)入蒸發(fā)器3使空氣在水中鼓泡，然后帶著飽和水汽出來(lái)，再經(jīng)過(guò)螺旋管4過(guò)熱，最后經(jīng)消電器的噴頭5向帶電織物噴射，即刻上面凝聚成一層水霧，大大降低了織物的表面比電阻。圖6-11高濕度消電器原理示意圖

(2)增濕法對(duì)于憎水性紡織材料的消電效果極差。由增濕法的消電機(jī)理可知，影響材料靜電效應(yīng)的主要因素不是空氣中的水分，而是材料的回潮率，亦即吸濕性能。各種紡織材料的回潮率如表6-14所示。大多數(shù)合成纖維吸濕能力很差，稱憎水性纖維。對(duì)于這些纖維，即使相對(duì)濕度很高，其比電阻的下降也是有限的。例如，為使某些合纖的比電阻降低到109Ω(可紡上限)，需使空氣的相對(duì)濕度提高到88%～90%以上；而對(duì)個(gè)別憎水性極強(qiáng)的合纖，無(wú)論相對(duì)濕度多么高都不能使它們的比電阻降到可紡上限。在這種情況下，增濕對(duì)于消除靜電基本上是無(wú)效的。表6-14各種紡織材料的回潮率

6.3.4電離空氣法

這種方法是利用某些人為的手段在空氣中局部造成大量離子(一般為正、負(fù)離子對(duì))，其中與帶電體極性相反的離子向帶電體趨近并與之發(fā)生電中和作用，以此達(dá)到消除靜電的目的。目前使用的絕大多數(shù)消電器，都是基于這種電中和原理，所以又叫電中和器。

能夠使空氣發(fā)生電離作用的方式有多種，但目前在消除靜電方面得到實(shí)際應(yīng)用的只有兩種，一種是利用高壓電場(chǎng)使空氣電離，另一種是利用放射性同位素的輻射使空氣電離。相應(yīng)的消電器也就有高壓消電器和放射性同位素消電器兩大類。其中，高壓消電器在紡織行業(yè)應(yīng)用比較廣泛。

1．無(wú)源式(自感應(yīng)式)消電器

1)原理

在帶電織物上方安裝一個(gè)接地針剌，如圖6-12所示，就成了最簡(jiǎn)單的無(wú)源式消電器。帶電體經(jīng)過(guò)針尖下端時(shí)就在針尖上感應(yīng)出密度很大的異號(hào)電荷，因而在針尖附近形成強(qiáng)電場(chǎng)引起電暈放電，電暈區(qū)中與帶電織物極性相反的離子趨向織物表面發(fā)生電中和作用而消電。因此，無(wú)源式消電器又叫自感應(yīng)式消電器。

從作用原理看出，這種消電器只對(duì)電荷密度較大的帶電體才具有消電能力，而且不可能將帶電體上的電荷全部消除，總要保留一定數(shù)值的殘余電荷(或電壓)，所以常用于靜電效應(yīng)很強(qiáng)但對(duì)消電要求又不高的場(chǎng)合。在紡織加工中，可考慮使用這種消電器解決帶電體對(duì)擋車工的電擊問題。圖6-12自感應(yīng)式消電器

2)性能指標(biāo)及影響因素

自感應(yīng)式消電器的性能指標(biāo)仍可用起暈電壓uk和有效放電電流Ic表示。但此時(shí)起暈電壓不是由外界電源供給的，而是由帶電體自身感應(yīng)產(chǎn)生的，所以起暈電壓的意義是指尚能使消電器的針尖發(fā)生電暈放電的最低電壓，故又稱截止電壓。顯然此值也就是帶電體經(jīng)消電后所殘留的最大電壓。對(duì)于自感應(yīng)式消電器來(lái)說(shuō)，截止電壓越低，消電效果越好。這種消電器的截止電壓可以從數(shù)百伏至數(shù)千伏不等。至于自感應(yīng)式消電器的有效放電電流一般應(yīng)達(dá)到10～30μA/m。

影響以上兩指標(biāo)的因素較多，但可以歸納為帶電體的靜電壓極性、電壓的高低、消電器與帶電體間的安裝距離等幾個(gè)方面。這些因素的相關(guān)關(guān)系詳見圖6-13和圖6-14。

圖6-13帶電體的極性及電壓值對(duì)消電性能的影響圖6-14消電器安裝距離對(duì)消電性能的影響

3)種類

(1)裸露金屬針式。這種消電器對(duì)手工操作場(chǎng)合是不適宜的，因在人體觸及時(shí)有發(fā)生剌傷的危險(xiǎn)，若采用機(jī)械防護(hù)裝置又影響消電效果，故在紡織行業(yè)已不常用。

(2)刷形消電器。使用導(dǎo)電性纖維(如不銹鋼纖維或碳纖維)或混紡交織的導(dǎo)電布制作成刷形，如圖6-15所示。纖維細(xì)度從10μm～50μm不等。目前這類消電器在合纖制造、紡織、印染等部門都有一定的應(yīng)用。其消電效果比較穩(wěn)定。

(3)鋸齒形消電器。將導(dǎo)電橡膠制作成鋸齒狀作為放電針的消電器，結(jié)構(gòu)如圖6-16所示。所用導(dǎo)電橡膠的比電阻在105Ω·cm以下，厚度約為0.6mm。這種消電器在紡織行業(yè)也有應(yīng)用，如利用它消除簾子布經(jīng)壓延機(jī)后的靜電，平均可使靜電壓從40kV減小到3kV。圖6-15刷形消電器外形圖6-16鋸齒形消電器外形刷形和鋸齒形消電器的共同特點(diǎn)是不存在銳利尖端，因而不需防護(hù)裝置，是一種有發(fā)展前途的消電器。總的來(lái)說(shuō)，自感應(yīng)式消電器由于不需高壓電源，因此具有節(jié)約能源、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、安全等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是消電效果較差，表現(xiàn)在殘留電壓存在以及某些情形下形成的織物反帶電，即織物經(jīng)消電器作用后，原來(lái)所帶電荷雖被全部中和，但卻又會(huì)帶上與放電針電暈極性相同的電荷。當(dāng)織物自身帶電密度很大時(shí)，就有可能發(fā)生反帶電。

2.直流電源式消電器

1)結(jié)構(gòu)與原理

如圖6-17所示，將直流高壓電源接于針刺(放電棒)上，即構(gòu)成直流電源式消電器。此時(shí)放電棒針尖與帶電織物間形成直流電暈放電，大量與帶電體極性相反的離子趨向帶電體并發(fā)生電中和作用。由于這種電暈放電是由外加直流高壓造成的，故電離程度強(qiáng)；同時(shí)直流電暈區(qū)基本不含帶相反符號(hào)的離子，復(fù)合作用不顯著，所以消電能力強(qiáng)，其安裝距離可增大到150～600mm。圖6-17直流電源式消電器圖6-18是這種消電器的電原理圖。它包括正電暈放電器FD1和負(fù)電暈放電器FD2；從升壓變壓器SB輸出電壓為數(shù)千至數(shù)萬(wàn)伏。電容器C1、C2配合整流器Z1、Z2起倍壓整流作用；電阻R1、R2是防護(hù)用限流電阻。圖6-18直流電源式消電器電原理圖

2)注意事項(xiàng)

使用前應(yīng)先測(cè)量帶電體的極性，務(wù)必使消電器電暈放電的極性與之相反。這是因?yàn)檎姇炈a(chǎn)生的大量正離子只能中和帶電體上的負(fù)電荷，反之亦然。

消電器的輸出直流高壓值應(yīng)根據(jù)情況進(jìn)行調(diào)整。按皮克(Pick)的推導(dǎo)，針尖電暈放電電流可由下式計(jì)算

Ic=Gu(u－uk)

(6-19)

式中u為放電針與接地電極間的電壓(kV)，即消電器輸出高壓；uk為放電針起暈電壓(kV)；G是常數(shù)，在通常環(huán)境條件下，若極間距離取2.2cm、針尖曲率半徑為5×10-3cm，則G=4.1×10-13A/V2。若把式(6-19)做成曲線，則如圖6-19所示?？筛鶕?jù)所需要的放電電流大小，由圖線確定消電器的輸出高壓數(shù)值。

直流高壓消電器的高壓電源與放電針間采用直接耦合方式，故短路電流較大，不宜在有燃爆混合物存在的場(chǎng)所使用。圖6-19消電器輸出電壓與放電電流的關(guān)系曲線

3.工頻電源式消電器

這種消電器一般采用工頻電(220V，50Hz)作為電離源，因而使用、維護(hù)都較直流式方便，且其消電效果與帶電體的極性無(wú)關(guān)，因而是目前紡織行業(yè)使用最廣泛的消電器。1)原理與結(jié)構(gòu)

如圖6-20所示，這種消電器利用變壓器將市電由220V升高到數(shù)千伏甚至數(shù)萬(wàn)伏，然后經(jīng)高壓電纜送到消電器的放電針，以形成針尖附近的電暈放電。圖6-20工頻電源式消電器的結(jié)構(gòu)工頻電源式消電器與直流電源相比，在消電機(jī)理方面有所不同。直流裝置在放電針尖附近形成與帶電體極性相反的電暈，直接利用中和作用消電。但交流式的放電針，其電暈極性卻發(fā)生著周期性的變化，所以在帶電體周圍產(chǎn)生著數(shù)量相等的正負(fù)離子(指復(fù)合過(guò)程達(dá)到平衡后)，從而形成一個(gè)氣體導(dǎo)電層，帶電體上的電荷除發(fā)生中和作用外主要是通過(guò)導(dǎo)電層被傳送出去的。

2)防護(hù)

交流電源式消電器的高壓電源設(shè)備，由于輸出電壓較高，所以防護(hù)裝置很重要。為防止工作人員偶然觸及放電針而發(fā)生電擊事故，要求變壓器次級(jí)短路電流應(yīng)不大于5mA。一般采用在次級(jí)串聯(lián)限流電阻的方法(圖6-20中的Rx是限流電阻)，如當(dāng)次級(jí)輸出電壓為10kV時(shí)，限流電阻應(yīng)在2MΩ以上，并且須耐高壓。也可在變壓器初級(jí)串接限流電阻，此時(shí)對(duì)電阻就沒有什么特殊要求，阻值約為數(shù)千歐即可。

3)消電效果

交流電源式消電器目前已有多種市售成品，使用時(shí)放電針與帶電織物相距數(shù)百厘米即有消電作用，但一般不應(yīng)超過(guò)250mm，正常工作時(shí)可取25mm～35mm。這種消電器的使用效果較好，如在印染后整理的軋光工序使用交流消電器，可使織物上靜電壓由上萬(wàn)伏降至幾十伏甚至零。

4.放射性同位素消電器

1)工作原理和結(jié)構(gòu)

放射性同位素在衰變過(guò)程中所發(fā)出的射線具有電離空氣的本領(lǐng)，其中以α射線的電離能力最強(qiáng)。由于電離作用產(chǎn)生的正負(fù)離子又會(huì)互相復(fù)合為中性分子，直到產(chǎn)生和復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)就在射線的作用范圍內(nèi)維持著一定濃度的正負(fù)離子云。當(dāng)接地的放射性同位素消電器靠近表面積累有靜電荷的織物時(shí)(設(shè)帶有正電荷，如圖6-21所示)，消電器附近的負(fù)離子就會(huì)向織物表面趨近并發(fā)生電中和作用。由于部分負(fù)離子消耗于中和作用，故消電器附近的正離子相對(duì)增多，形成對(duì)地的電位差，并向任何接地表面遷移，在大多數(shù)情況下則是通過(guò)接地通路而泄漏。圖6-21放射性消電器的工作原理放射性同位素消電器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，如圖6-22所示，除放射源外，主要還包括為防止射線危害而附加的防護(hù)部件，如屏蔽框和防護(hù)網(wǎng)。圖6-22放射性消電器的構(gòu)造

2)性能指標(biāo)

放射性消電器的消電能力用飽和電離電流Is表示，它是指消電器所產(chǎn)生的正負(fù)離子在足夠強(qiáng)的電場(chǎng)下全部被電場(chǎng)所分開，而不發(fā)生復(fù)合作用時(shí)所形成的離子電流。但在通常情況下，帶電體所產(chǎn)生的電場(chǎng)不是太強(qiáng)，因而部分離子在運(yùn)動(dòng)途中將發(fā)生中和而導(dǎo)致電離電流的下降。消電器的飽和電離電流值可按下式計(jì)算式中：A是放射源的放射性活度(單位mci)；Eα是發(fā)射的α粒子能(單位eV)；q是離子所帶電量，為1.6×10-19C；W是產(chǎn)生一對(duì)離子所消耗的能量，對(duì)于空氣介質(zhì)約為32.5eV。

必須指出，按式(6-21)計(jì)算的是理論值，由于各種消耗，實(shí)際值要小得多。例如某些條狀放射性消電器實(shí)際提供的電離電流值只有理論值的10%，這個(gè)比率稱為消電器的效率。

3)使用效果

在使用放射性消電器時(shí)，首先根據(jù)帶電體的情況選擇消電器強(qiáng)度(即放射源的活性度)。為此，首先測(cè)量出條子或織物的幅寬L(單位m)、移動(dòng)速度v(單位m/s)及面電荷密度σ(單位C/m2)，然后按下式計(jì)算所需消電器的強(qiáng)度：

A=9.4×106σLv(mci)

(6-20)

如測(cè)量的只是織物表面的電場(chǎng)強(qiáng)度E(V/m)，則可按

A=8.3×10－5ELv(mci)

(6-21)

計(jì)算。例如，對(duì)于幅寬為1m、運(yùn)動(dòng)速度為1m/s、表面場(chǎng)強(qiáng)為104V/m的帶電織物，為消除其靜電，應(yīng)選用大于83mci、1m長(zhǎng)的消電器。

放射性消電器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不要求外接電源，使用方便，但主要問題是對(duì)放射源的防護(hù)比較復(fù)雜，再加上公眾對(duì)放射性損害的懼怕心理，因而目前在紡織工業(yè)中尚未普遍使用。此外這種消電器的離子電流小，消電效果不如高壓消電器。最后需要指出，各種消電器的使用效果，除與自身性能有關(guān)外，還與使用時(shí)的安裝方法是否得當(dāng)有很大關(guān)系。6.3.5應(yīng)用導(dǎo)電性材料消除靜電

1．在紡織加工中應(yīng)用導(dǎo)電性材料消電

在紡織加工中，與各種紡織材料接觸、摩擦的機(jī)械部件除金屬外，還有相當(dāng)大一部分是橡膠、塑料、玻璃之類的高絕緣材料，如各種紡紗機(jī)上的橡膠皮輥、皮圈及玻璃導(dǎo)紗器，整經(jīng)機(jī)上的玻璃定幅筘，疊布機(jī)上的導(dǎo)布板等。如果這些絕緣性能很高、易于積聚靜電的零部件中摻入適量的炭黑、金屬粉末或離子性雜質(zhì)等導(dǎo)電物質(zhì)，從而賦予它們一定的導(dǎo)電性能，就可以把積聚的靜電荷較快地泄漏掉，達(dá)到防止靜電障礙的目的。由于這種方法主要是從物理方面提高絕緣體的導(dǎo)電性，所以在很大程度上可以不受環(huán)境濕度的影響，并且時(shí)效作用(即導(dǎo)電性能隨時(shí)間衰減的現(xiàn)象)也不顯著。例如針對(duì)細(xì)紗機(jī)皮輥、皮圈的纏附現(xiàn)象，僅就靜電因素考慮，為解決這問題，一方面應(yīng)設(shè)法降低纖維的比電阻，另一方面則可利用導(dǎo)電性物質(zhì)改善皮輥的導(dǎo)電性能。為此，首先應(yīng)降低皮輥包覆物——膠管的電阻率，使膠管電阻率小于1010Ω·cm，可以適當(dāng)選擇導(dǎo)電橡膠作為膠管材料。其次，應(yīng)降低皮輥表面電阻值，如在皮輥的表面涂料中摻入一定量的炭黑。通常使用的乙炔炭黑含碳量達(dá)99.5%以上，體積比電阻僅為0.135Ω·cm，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性，可明顯改善皮輥表面的導(dǎo)電性能。實(shí)踐表明，利用導(dǎo)電材料可有效地減輕紡織加工中皮輥的纏繞障礙。

2．應(yīng)用導(dǎo)電纖維消除纖維制品使用中的靜電障礙和危害導(dǎo)電纖維是指全部或部分使用金屬或炭等導(dǎo)電性物質(zhì)制作的表觀電阻在109Ω·cm以下、直徑在100μm以下的單纖維。在織物或其它纖維制品中用混紡或交織的方法混入少量導(dǎo)電纖維，即可獲得良好的防靜電性能。

導(dǎo)電纖維是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的纖維新品種。最初是采用直徑約為8μm的不銹鋼制成的。到了20世紀(jì)70年代出現(xiàn)了各種導(dǎo)電性合成纖維，它們大都是在合纖材料中混入導(dǎo)電性材料，或在纖維表面噴涂、電鍍導(dǎo)電性物質(zhì)而制成的，這種纖維不但具有良好的導(dǎo)電性，而且具有相當(dāng)好的柔軟性和紡織加工性，因而得到迅速發(fā)展。

1)導(dǎo)電纖維的消電機(jī)理

在合纖織物中嵌入導(dǎo)電纖維進(jìn)行消電基于電荷的泄漏與中和兩種機(jī)理。當(dāng)接地時(shí)，織物上的電荷可經(jīng)導(dǎo)電纖維向大地泄放；不接時(shí)則借助于電暈放電而消電，具體過(guò)程如圖6-23所示。當(dāng)織物帶電時(shí)，導(dǎo)電纖維由于感應(yīng)也帶電。但因纖維極細(xì)，故其上將有密度很大的電荷分布，并在周圍建立起強(qiáng)電場(chǎng)而發(fā)生電暈放電。電暈區(qū)與帶電織物異號(hào)的離子向織物趨近并發(fā)生電中和作用而消電。圖6-23導(dǎo)電纖維發(fā)生電暈放電的原理

2)導(dǎo)電纖維的性能指標(biāo)

導(dǎo)電纖維的消電性能以其自身的電阻率、起暈電壓和放電電流表示，主要用電阻率來(lái)表示，也可用混入導(dǎo)電纖維后織物的帶電密度、電壓等參數(shù)表示。如海島型導(dǎo)電纖維的電阻率為5×107Ω/cm，起暈電壓4kV，放電電流僅為0.1μA。

導(dǎo)電纖維的電阻率應(yīng)控制在一個(gè)比較恰當(dāng)?shù)姆秶话阏J(rèn)為在104～109Ω/cm為宜。如高于109Ω/cm，則由于導(dǎo)電性能較差而使織物防靜電性能大幅度下降；但若低于104Ω/cm，容易在防靜電織物中由于迅速的放電作用而產(chǎn)生火花放電，導(dǎo)致電擊或發(fā)熱燒毀。導(dǎo)電織物的消電性能指標(biāo)可用混入合纖織物中的導(dǎo)電纖維多少即混用率表示。如不銹鋼的混用率一般為1%～5%；復(fù)合導(dǎo)電纖維的混用率為0.5%～3%。當(dāng)然，還要考慮到基體纖維的種類、防靜電織物的用途及大氣條件等。如對(duì)于金屬纖維來(lái)說(shuō)，若用來(lái)制作襪子和襯衣，混用率為0.2%～0.5%。

3)應(yīng)用及開發(fā)前景

利用導(dǎo)電纖維和普通纖維交織的方法制作的防靜電織物，在消靜電方面具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)織物的防靜電性能基本不受或很少受環(huán)境濕度的影響。實(shí)驗(yàn)表明，即使在相對(duì)濕度低于30%的情況下仍有較好的防靜電性能。

(2)織物的防靜電效果具有較好的耐洗滌性。實(shí)驗(yàn)表明導(dǎo)電纖維織物經(jīng)200次洗滌后，其電阻率僅由3.5×106Ω/cm上升到6.3×107Ω/cm。

(3)織物中導(dǎo)電纖維的混用量很低即可獲得良好的防靜電性能。

(4)導(dǎo)電纖維(特別是復(fù)合纖維)的物理性能、細(xì)度、卷曲狀態(tài)都與合纖相似，因此便于混合加工，且不影響織物的手感與外觀。

上述優(yōu)點(diǎn)使導(dǎo)電纖維在最近幾十年內(nèi)得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，特別在防靜電工作服、地毯及工業(yè)用布方面發(fā)揮了重要的作用。6.3.6改變摩擦材料或摩擦條件消除靜電

前面曾說(shuō)明了摩擦材料和摩擦條件對(duì)靜電效應(yīng)的影響。適當(dāng)改變摩擦表面和控制摩擦條件將有助于減少靜電的產(chǎn)生量或加速靜電的散失。基于這點(diǎn)可提出以下幾種消電方法。

1．合理選擇摩擦材料的配伍

根據(jù)紡織材料的靜電序列，適當(dāng)選擇參與摩擦的兩種材料，使它們?cè)谛蛄兄邢嗑噍^近，從而可減小摩擦的起電量。如在紡滌纖維時(shí)，用鋼制導(dǎo)紗器代替玻璃導(dǎo)紗器，可減小纖維帶電量。這是因?yàn)樵陟o電序列中，滌綸與玻璃相距較遠(yuǎn)而與鋼相距較近。上述原則對(duì)于減小織物服用中的靜電效應(yīng)也有很大的意義，可通過(guò)適當(dāng)選擇衣裝配伍來(lái)防止靜電障礙和危害。

2．在工藝流程中合理選擇紡織材料所經(jīng)過(guò)的摩擦表面根據(jù)靜電序列可知，同一材料在與兩種不同的物質(zhì)摩擦?xí)r，可能產(chǎn)生不同極性和數(shù)量的電荷。于是在紡織工藝的設(shè)計(jì)中，可以人為地使紡織材料先后與不同物質(zhì)制成的設(shè)備進(jìn)行摩擦，并且與一種物質(zhì)制成的設(shè)備摩擦?xí)r帶正電，與另一種物質(zhì)制成的設(shè)備摩擦?xí)r帶負(fù)電，以使材料上的靜電荷全部或部分抵消。這種消除靜電的方法又叫正負(fù)相消法。例如，根據(jù)靜電序列知道，玻璃能使所有纖維帶負(fù)電，而鋼則可使大多數(shù)纖維帶正電，所以使紗條先后通過(guò)玻璃及鋼制的導(dǎo)紗器，可將紗條上的靜電荷中和掉一部分。

值得注意的是，采用這種方法所選用的物質(zhì)應(yīng)能適應(yīng)紡織工藝的要求，而且要有一定的導(dǎo)電性，以防設(shè)備或部件本身積累起較多靜電。同時(shí)還要經(jīng)?？紤]是否由于紡織材料變化而改變了帶電的極性，從而使裝置失去了消電作用。

3．不同材料的混紡、交織

基于和上面類似的原理，可以適當(dāng)選擇兩種紡織材料，將其按一定比例混合后，使與其它物質(zhì)摩擦?xí)r兩組分剛好帶異號(hào)電荷，這樣由于中和作用而減小了混合材料的整體靜電效應(yīng)。

例如，錦綸和滌綸纖維與鍍鉻金屬表面摩擦?xí)r分別帶正電和負(fù)電；當(dāng)錦/滌的混紡比例為40/60時(shí)，該混紡物與鍍鉻金屬表面摩擦?xí)r靜電荷接近于零；而當(dāng)混紡比75/25時(shí)，這種混紡物與棉摩擦也可抵消靜電荷。錦綸與腈綸混紡也可得到類似的效果，如錦/腈之比為20/80時(shí)與鍍鉻表面摩擦，或其比例為70/30時(shí)與棉摩擦，均可起到抵消靜電的作用。實(shí)驗(yàn)還表明，在地毯紗的原料中，如用分別處于靜電序列正、負(fù)端的尼龍與聚丙烯纖維進(jìn)行混紡，則這種混紡地毯對(duì)于皮革和合成鞋底的接觸摩擦不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的靜電問題。

上面論述的方法雖然不需特殊的花費(fèi)，但仍很少應(yīng)用。這是因?yàn)榛旒彶牧系膸щ姴粌H取決于組分比，還與摩擦表面的性質(zhì)有關(guān)；同時(shí)，組分比還要受到紡織加工條件及其用途的限制。這些都使這種方法的應(yīng)用復(fù)雜化了。

4．合理調(diào)整車速

在6.2.3節(jié)中已說(shuō)明了摩擦速度對(duì)靜電效應(yīng)的影響。實(shí)驗(yàn)指出，對(duì)于易帶電的合纖，當(dāng)整經(jīng)速度低于30m/min時(shí)，生產(chǎn)正常；而當(dāng)速度增至80～100m/min時(shí)，由于靜電作用就不能開車。當(dāng)毛條的輸出速度從35m/min增至54m/min時(shí)，靜電壓可由12.5kV升至49kV，即上升4倍多。因此，合理調(diào)整車速以減弱靜電效應(yīng)，也是一項(xiàng)應(yīng)考慮的消電措施。

6.4消除紡織靜電的化學(xué)方法

6.4.1防靜電劑

防靜電劑是一種化學(xué)物質(zhì)，具有較強(qiáng)的吸濕性和較好的導(dǎo)電性，在合纖及其制品中加入或在其表面涂敷防靜電劑后，可降低材料的體電阻率或表面電阻率，從而使其成為靜電的亞導(dǎo)體或?qū)w，加速靜電的泄漏。采用防靜電劑是目前消除紡織靜電障礙和危害的最經(jīng)濟(jì)和最實(shí)用的方法，已在紡織行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。6.4.2消電機(jī)理

紡織工業(yè)中應(yīng)用的防靜電劑，絕大多數(shù)是表面活性劑，其主要原料為油脂，故又稱為油劑。防靜電劑是通過(guò)減少靜電的發(fā)生、加快靜電的逸散或通過(guò)上述兩者相結(jié)合的方式而起到消電作用的。

第一種機(jī)理，即減少靜電荷的發(fā)生量，是由于紡織材料界面上涂敷的防靜電油劑使材料之間不能充分、直接地接觸、摩擦，從而減少了電荷的轉(zhuǎn)移，即油劑起到了某種潤(rùn)滑表面的作用。第二種機(jī)理，即加快材料表面靜電的流散速度，這是大多數(shù)防靜電劑發(fā)揮作用的主要方式。表面活性劑的分子由兩個(gè)基團(tuán)組成，一個(gè)是電子分布比較均勻?qū)ΨQ而無(wú)極性的基團(tuán)R，另一個(gè)是有極性的基團(tuán)X，如圖6-24所示。這兩種基團(tuán)對(duì)于作為極性物質(zhì)的水來(lái)說(shuō)，其性質(zhì)是不同的：基團(tuán)R極難與水分子結(jié)合，稱為疏水基；基團(tuán)X則易與水分子結(jié)合，稱為親水基。當(dāng)用表面活性劑涂敷于合纖表面時(shí)，由于油劑的極性親水基團(tuán)與合纖極性基團(tuán)的相互作用，而使油劑分子在纖維界面上形成如圖6-25所示的定向排列；其疏水基朝向纖維，而親水基朝向空氣，從而在纖維面上形成連續(xù)的親水層，有利于吸收水分而使纖維的電阻值下降。圖6-24防靜電劑的分子結(jié)構(gòu)圖6-25防靜電劑分子的定向排布防靜電劑起作用的另一種方式是離子化。離子性的防靜電劑本身具有良好的導(dǎo)電性，這種油劑分子在表層水分作用下發(fā)生電離，顯著提高了纖維表面的導(dǎo)電性。此外，離子性油劑還可通過(guò)中和表層電荷的方式消除靜電。

另有一類防靜電劑，如聚氨樹脂、640等，具有特殊的消電機(jī)理。這類油劑使纖維摩擦?xí)r的帶電極性恰與油劑的電極性相反，由中和作用而消電。例如，640油劑在與一般材料摩擦?xí)r都呈現(xiàn)正電性，所以用它處理靜電序列中靠近負(fù)端的滌綸等就有良好的消電作用，而用來(lái)處理靠近正端的真絲則無(wú)效果。6.4.3防靜電劑的分類與性能

1.按使用方法分類

按使用方法，可將防靜電劑分為外部用防靜電劑和內(nèi)添加型防靜電劑兩種。

1)外部用防靜電劑

外部用防靜電劑又分為非耐久性和耐久性兩類。

(1）非耐久性。將防靜電劑配制成一定濃度(一般用水、醇或其它有機(jī)溶劑作為溶劑的分散劑)，然后采用噴霧、涂敷或浸漬等方法，使之附著在固體材料或制品表面。此法可使物體獲得一定的防靜電性能，但卻受到洗滌、摩擦等的影響，防靜電劑分子層易脫落，耐久性甚差。這種方法主要用于化纖、塑料在生產(chǎn)加工過(guò)程中防止靜電干擾，一旦加工過(guò)程結(jié)束，防靜電性能就基本消失了。

(2)耐久性。此類防靜電劑是高分子電解質(zhì)和高分子表面活性劑。它們可用通常方法涂敷在塑料、化纖的表面，通過(guò)電性相反離子吸附作用而在材料表面形成吸附層。也可用單體或高聚物形式涂敷在材料表面再經(jīng)熱處理使之聚合而形成附著層，具有較強(qiáng)的附著力，耐久性較好。

2)內(nèi)添加型防靜電劑

內(nèi)添加型防靜電劑的生成有兩種方法。

(1)共聚法，即在生產(chǎn)合成樹脂的聚合階段就將防靜電劑單體引入，使其與形成基體聚合物的單體發(fā)生聚合反應(yīng)，得到具有防靜電性的聚合物。

(2)共混法，是在聚合物(樹脂)加工成制品的過(guò)程中，把防靜電劑摻入樹脂中，使制品獲得耐久的防靜電性能。如化纖在紡絲前將防靜電劑加入基體聚合物的熔體原液中，然后共同從噴絲孔被擠出，制成耐久型的防靜電纖維；再如把防靜電劑添加到熔融態(tài)的塑料制品中，經(jīng)過(guò)注塑、吹塑或擠出工藝，得到防靜電塑料制品。

2.按親水基電離后的極性劃分

按親水基電離后的極性，可將防靜電劑分為陰離子型、陽(yáng)離子型、兩性型和非離子型4種。

1)陰離子型

若防靜電劑的親水基團(tuán)在水中能電離，且電離后親水基帶負(fù)電，即成為一個(gè)陰離子，同時(shí)離解出一個(gè)金屬陽(yáng)離子呈游離態(tài)，但不具備表面活性。因陰離子型防靜電劑在水溶液中呈現(xiàn)表面活性的陰離子，故此得名。

2)陽(yáng)離子型

若防靜電劑的親水基團(tuán)在水中能電離，且電離后帶正電，即成為一個(gè)具有表面活性的陽(yáng)離子，同時(shí)離解出一個(gè)金屬陰離子呈游離態(tài)，但不具備表面活性。

3)兩性型

若防靜電劑分子的親水基團(tuán)在堿性溶液中電離時(shí)，親水基帶負(fù)電，即成為具有表面活性的陰離子，同時(shí)離解出不具活性的呈游離態(tài)的陽(yáng)離子；親水基團(tuán)在酸性溶液中電離時(shí)的情況正相反，在中性溶液中則不電離。

4)非離子型

有一類防靜電劑，其分子中的弱親水基為羥基、醚基或酯基，它們?cè)谒胁话l(fā)生電離，叫非離子型防靜電劑。由于離子型防靜電劑可直接利用本身的離子導(dǎo)電泄漏電荷，所以防靜電性能優(yōu)良；而非離子型防靜電劑效果與之相比就較為遜色。但非離子型防靜電劑熱穩(wěn)定性良好，不易引起塑料老化，故主要作為塑料的內(nèi)部防靜電劑。這類防靜電劑絕大部分不適用于石油產(chǎn)品，其種類主要有多元醇酯、脂肪酸、醇、烷基酚的環(huán)氧乙烷聚合物以及胺類衍生物。

6.5導(dǎo)電性填充材料的應(yīng)用

使分散的金屬粉末、碳黑或其它導(dǎo)電性材料與高分子材料相混合，形成導(dǎo)電的高分子混合料，進(jìn)而制成電阻率較低的各種防靜電制品，這是摻雜的另一種方式——物理?yè)诫s。導(dǎo)電高分子混合料及其制品的防靜電性能主要取決于導(dǎo)電性填充材料，如其骨架構(gòu)造、分散性、表面狀態(tài)、添加濃度，以及基體聚合物材料的種類。結(jié)構(gòu)和填充方法等。這種方法的突出優(yōu)點(diǎn)是可更加有效地降低聚合物材料的電阻率且可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)加以調(diào)節(jié)，即使在相對(duì)濕度很低的情況下仍能保持良好的防靜電性能，因?yàn)槠湫孤╈o電的機(jī)理主要是依靠電子傳導(dǎo)，基本與吸濕無(wú)關(guān)，耐久性能好。由這種方式制成的防靜電制品主要有橡膠制品和塑料制品，廣泛應(yīng)用在通信、石油、化工、火工品等行業(yè)的靜電防護(hù)中。6.5.1導(dǎo)電性填充材料

1.金屬

金屬導(dǎo)電性填充材料從形態(tài)上又可分為金屬薄片和金屬粉末。前者主要有片狀鎳；后者有金粉、銀粉、銅粉、鐵粉等。由于銅、鋁、鐵等粉體易氧化而在表面形成氧化膜，從而使高分子混合物中的電阻率顯著升高，故實(shí)用價(jià)值不大。利用金粉或銀粉可獲得電阻率很低的高分子混合料及其制品。例如，含金粉的高分子混合料的ρV約為1×10-6～5×10-6Ω·m；當(dāng)銀粉在聚合物中的體積含量為50%～55%時(shí)，混合料的ρV約為1×10-7～1×10-6Ω·m。金和銀價(jià)格昂貴，儲(chǔ)量較少，因而應(yīng)用范圍有限。

還必須指出，導(dǎo)電高分子混合料及其制品的導(dǎo)電性能，并不取決于甚至并不主要取決于填充料本身的導(dǎo)電性，而主要取決于填充料在聚合物中是否容易形成有利于導(dǎo)電的鏈?zhǔn)浇M織的能力。例如，雖然金屬的電阻率遠(yuǎn)低于碳黑和石墨的電阻率，具有較強(qiáng)的導(dǎo)電性，但一般高分散的金屬粉末在混合料中難以形成有利于導(dǎo)電的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)；相反，碳黑在聚合物中卻具有較強(qiáng)的形成聚集體的能力。因此，在混合料中通常金屬的含量要高達(dá)40%～50%時(shí)才會(huì)使材料的電阻率開始降低；而乙炔碳黑的含量只要達(dá)到20%～30%，材料的電阻率就迅速下降。采用金屬粉末作為導(dǎo)電填料時(shí)，其顆粒的大小、狀態(tài)及形狀都會(huì)對(duì)所制造的混合料的導(dǎo)電性能發(fā)生影響。細(xì)分散的金屬微粒在聚合物混合體中很難形成鏈?zhǔn)浇M織，若改用金屬小薄片，在混合料中就會(huì)在某種程度上形成局部導(dǎo)電骨架，從而顯著增加材料的導(dǎo)電性。

2.碳黑類

典型的碳黑由接近純碳而處于葡萄狀組織的膠狀實(shí)體組成，這種葡萄狀的團(tuán)粒組織通常稱為聚集體，每個(gè)聚集體內(nèi)有數(shù)十個(gè)至數(shù)萬(wàn)個(gè)碳黑顆粒締結(jié)在一起。這種聚集體組織或鏈?zhǔn)浇M織的存在正是碳黑呈現(xiàn)高導(dǎo)電性的原因，而碳黑本身電阻率的大小(10-1～10-3Ω·m數(shù)量級(jí))對(duì)混合料的導(dǎo)電性能沒有決定性的影響，而只有間接意義。碳黑形成聚集體的能力主要取決于碳黑膨松性或稱結(jié)構(gòu)性，這種性質(zhì)可用吸收鄰苯二甲酸二丁酯的量來(lái)量度，這個(gè)量稱為吸收值。吸收值越高，即結(jié)構(gòu)化能力越高，每個(gè)聚集體所包含的碳黑顆粒數(shù)目越多。例如，高結(jié)構(gòu)碳黑的每個(gè)聚集體由10～400個(gè)顆粒締合而成；低結(jié)構(gòu)碳黑一般只有30～100個(gè)顆粒締合而成。通常以槽法碳黑的結(jié)構(gòu)程度作為標(biāo)準(zhǔn)，熱裂法碳黑的結(jié)構(gòu)程度最低，乙炔碳黑的結(jié)構(gòu)程度最高。由于碳黑以鏈狀聚集體的形式存在，在導(dǎo)電高分子混合料中具有很強(qiáng)的成網(wǎng)能力，因此與金屬填充料相比，碳黑不僅能在較低的摻入比率賦于聚合物制品的良好的防靜電性能，而且對(duì)其它的物理機(jī)械性能的影響也相對(duì)較小，更加之碳黑價(jià)格低廉，所以是目前應(yīng)用最為廣泛的導(dǎo)電填充料。

3.其它

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外又在開發(fā)新型導(dǎo)電填充材料方面取得了新的進(jìn)展，比較有代表性的有金屬氧化物晶須和納米導(dǎo)電材料。

(1)金屬氧化物晶須。所謂晶須，是指最小長(zhǎng)度與最大截面直徑之比大于10的單晶體材料。金屬氧化物晶須(或稱陶瓷晶須)一般采用直接氧化法生長(zhǎng)，該類晶須中有代表性的一種是氧化鋅(ZnOw)晶須，由三維呈輻射的針狀單晶組成，針長(zhǎng)可達(dá)20～100μm，不僅具有高強(qiáng)、高模量的機(jī)械性能，而且由于它是N型半導(dǎo)體材料，所以還具有良好的導(dǎo)電性能。體積電阻率僅為幾個(gè)歐姆米。晶須由于其特殊的結(jié)構(gòu)作為導(dǎo)電性填充料時(shí)在導(dǎo)電高分子混合料中具有很強(qiáng)的成網(wǎng)能力，所以在較低的摻入比率下滿足防靜電的需要，而且基本不改變材料的力學(xué)性能和顏色。

(2)納米導(dǎo)電材料。

某些納米氧化物粉體，如納米級(jí)氧化錫、氧化鋅等，基于小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和量子效應(yīng)，而且具有與常規(guī)材料不同的性質(zhì)，如良好的導(dǎo)電性、耐熱性亦超過(guò)熱塑性塑料的加工溫度、透明性、高強(qiáng)度、高韌性等優(yōu)異的力學(xué)性能，所有這些都是傳統(tǒng)的導(dǎo)電材料無(wú)法比擬的。因此，用納米氧化物粉體與普通樹脂復(fù)合，有可能研制出兼具防靜電性能和力學(xué)性能且顏色可調(diào)控的防靜電塑料制品，但須解決納米粉體摻入聚合物時(shí)較復(fù)雜的納米添加技術(shù)。6.5.2導(dǎo)電填充材料的防靜電機(jī)理

在聚合物材料中摻入導(dǎo)電性填充料為何會(huì)賦予混合料(或復(fù)合體系)一定的防靜電性能，也就是為何會(huì)提高混合料的電導(dǎo)？研究表明，混合料中的主要導(dǎo)電過(guò)程可歸納為兩種：一是利用鏈?zhǔn)浇M織中的導(dǎo)電顆粒的直接接觸，而使電荷載流子轉(zhuǎn)移；二是通過(guò)導(dǎo)電性顆粒間隙和聚合物夾層的隧道效應(yīng)轉(zhuǎn)移電荷載流子。我們以碳黑為例加以簡(jiǎn)單說(shuō)明。

1.導(dǎo)電性顆粒的直接接觸導(dǎo)電機(jī)理(又叫網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電)

未摻入聚合物之前的碳黑，由于其特殊的性能，碳黑顆粒會(huì)以聚集體或鏈?zhǔn)浇M織存在。當(dāng)將碳黑摻入聚合物進(jìn)行攪拌時(shí)，碳黑的聚集體組織雖會(huì)遭到一定程度的破壞，分裂成若干個(gè)較小的聚集體，但攪拌結(jié)束后，特別是在高溫下加工時(shí)，又借助于布朗運(yùn)動(dòng)，可使混合料中各聚集體組織保持接觸狀態(tài)。同時(shí)導(dǎo)電性填料摻入量較高時(shí)，使碳黑顆粒分開的聚合物粘膜會(huì)變得很薄，以致被局部擊穿而使碳黑顆粒達(dá)到真正的接觸，如圖6-26所示。在混合料中形成這種鏈?zhǔn)浇M織后，載流子就可能沿其流動(dòng)，使混合料表現(xiàn)一定的導(dǎo)電性。圖6-26碳黑分散在聚合物中形成鏈?zhǔn)浇M織的示意圖

2.隧道效應(yīng)傳導(dǎo)電荷

實(shí)驗(yàn)表明，即使混合料中碳黑含量很低，不足以形成接觸的網(wǎng)狀組織，混合料仍具有一定的電導(dǎo)率。之所以如此，就是依靠了隧道效應(yīng)傳導(dǎo)電荷。在混合料中任何兩個(gè)靠近的