抗静电纺织品
| 发布时间：2020/07/06 |
静电无时无刻不存在于我们的周围，人们最熟悉的可能就是干燥天气时穿着化纤衣物所感受到的电击以及诸如吸尘、沾粘等不适。物体摩擦带电后能吸引轻小的灰尘，这就造成了容易脏污，使用不久原本鲜艳漂亮的用具、衣物也就黯然失色了。在人们生活的各行各业中，静电问题都相当严重，如在化纤纺织工业中，由于化纤丝和金属部件发生摩擦而起电，带电的化纤丝相互排斥而松散，产生乱纱，给生产带来麻烦。印刷车间，纸张由于跟机器和油墨摩擦而带电，常常吸在铅板或印刷机的滚筒上，影响连续印刷。在煤矿中、橡胶生产中、石油加工运输中，静电产生的微弱火花可能会引起燃烧爆炸，危害着人类的生命和财产安全。还有象航空、电子、交通、通讯等行业，静电带来的不良影响和危害也无处不在。可见静电的存在确实会给人们日常生和生产带来诸多不便和危害。
从医学上来说，它的危害更不可小看。根据试验证明静电对人体的危害有如下几点：
1.静电会吸附空气中的灰尘、花粉等脏东西，刺激皮肤，改变皮肤的酸碱值（pH值），进而引发过敏、骚痒等皮肤疾病。
2.静电会影响人的新陈代谢平衡，从而影响人体的自律神经平衡，造成头晕及性情急躁等不良现象。
3.静电会消耗体内的热能，加速体力的流失。
4.引起人体钙质的流失，会让人容易性情急躁及产生疲倦感。
5.造成体内血糖的增加，加剧人体热能的消耗。
6.还可造成维他命C的严重流失，让人容易产生精神紧张及忧郁等症状。
这些危害虽然有一些悚然听闻，但我们还是应当引起足够的重视。尤其对于纺织品来说，因为服装等纺织品与人们的日常生活息息相关。所以研究和开发抗静电纺织品显得尤为迫切和重要，其实各行各业也都在为尽量减少静电的危害做着努力。
各种纺织制品在相互接触和摩擦中，都有静电现象产生，但不同纤维表现出不同的静电现象，棉、羊毛等天然纤维在加工和服用中几乎不会感到有带电现象，而涤纶、腈纶等合成纤维在服用中表现出较强带电现象。但近些年来合成纤维由于其某些优于天然纤维的特性（如高产、高强、耐磨、高弹、价底等）而不断发展并且其使用范围也迅速扩展，合成纤维已应用到了人们生活的各个方面，因而静电问题也就越来越突显出来，为解决这种矛盾，改善合成纤维在生产和服用中的不利因素，使其向着人们需求的环保生态、健康舒适的方向发展，人们经过不断的研究与实践，开发了用各种改善和消除织物上静电的方法，因而各种抗静电织物的也就应运而生了。
第一节 静电的产生及防止静电的方法
一、静电的产生
静电是一种不流动的电荷。几乎任何两个物体的表面相互接触摩擦和分离都会有静电现象发生。产生静电的原因比较复杂，一般来说要从物质材料的内部特性和外界条件的影响来分析。
1、分子是保持物质性质的最小微粒，分子是由原子构成的，而原子又是由带正电的原子核和核外带负电的电子组成。通常原子核带的正电与电子带的负电数量相等，内外电量相互抵消，原子呈中性。但不同物质的原子的外层电子脱离物质表面所需要的功各有区别，因此两种不同物质紧密接触时，在接触表面发生电子转移，逸出功小的物质容易失去电子而带正电，逸出功大的物质表面则增加电子从而带负电，所以不同物质电子逸出功的不同是产生静电的基础。
2、静电的积聚与物质的导电性能有关。以电阻率来表示时，电阻率越小的物质，导电性能良好，静电不易积聚。当材料的电阻率小于 106Ω·cm时，因其本身具有良好的导电性能，静电很快泄漏。材料电阻率大于 1016Ω·cm或小于 109Ω·cm者也不易产生静电。而电阻率为 1012Ω·cm的材料最易产生静电。
3、两种不同物质在紧密接触、摩擦而又迅速分离时，电子从一个物质转移到另一个物质，因此摩擦、剥离、撞击都会导致静电火花。
4、带电物体能使附近与它不接触的另一导体表面出现极性相反的电荷，称为感应起电。
纤维与纤维或纤维与其他固体摩擦，都会产生静电。但不同的纤维织物表现出不同的带电现象，这主要是由于各种纤维的表面电阻有大小不同，产生静电荷以后的静电排放产生差异而造成的。由于纺织材料通常是电的绝缘材料，比电阻很高，对吸湿性较差的涤纶、腈纶等合成纤维，在一般大气条件下，质量比电阻高达1013Ω·g/cm2以上。因此在织物加工和服装穿着过程中，尤其在比较干燥的环境中，由于各种摩擦而产生静电，使纤维带电。以下列出了几种纤维的表面电阻及其半衰期，如表1。
表1 各种纤维的表面电阻与半衰期
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纤维制品 |
经向表面电阻/Ω |
半衰期/s |
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棉 |
1.2×109 |
2.5×10-2 |
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羊毛 |
5×1011 |
3×100 |
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真丝 |
4×1014 |
6×102 |
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涤纶 |
>1015 |
2.6×103 |
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腈纶 |
1×1014 |
6×102 |
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锦纶 |
1×1015 |
1.2×103 |
二、防止静电的方法
静电带给人们太多的不便和危害，因而尽量去防止静电的产生是我们应努力研究和解决的课题。防止静电的方法有多方面，但其作用原理无非是以下两点：①防止静电的产生；②导去产生的电荷。下表列出了防止静电的一些方法：
表2 静电防止的方法
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作用原理
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防静电作用 |
防止静电的方法 |
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防止静电的产生 |
不同电荷的利用 |
将带不同电荷的物体一起应用 |
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降低摩擦 |
应用润滑油剂 |
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纤维间隙中物质的介电性能 |
提高纤维间隙中物质的介电性能 |
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导去已产生的电荷 |
表面电导、表面电阻 |
纤维表面形成导电性膜层（防静电油剂、防静电树脂）增加环境的相对湿度，降低纤维的介电性能 |
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体积电导 |
提高导电性 |
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空气中放电 |
利用电晕放电方法 利用放电性物质或放射线 |
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接地 |
用导电性物质，将其接地以泄露电荷 |
从20世纪50年代后期，国外就已经开始纺织品防静电技术的研究了。从纺织角度来说抗静电的方法主要有两方面。一方面是减少摩擦或减低摩擦程度，以控制电荷的产生；另一方面，是减低纤维的电阻率，提高纤维的导电性能，以加快电荷的泄露。在加工和使用中避免摩擦是不可能的，因而要获得良好的抗静电效果，提高材质的导电性能才是应该采取和研究的有效方式。
水具有相当高的导电能力，所以只要吸收少量的水，就能明显提高聚合物材料的导电性。水也能为电荷提供转移介质，促进离子向相反的电极移动。天然纤维和合成纤维都为电的绝缘体，但是天然纤维如棉、羊毛和蚕丝等都为亲水性纤维，因为它们都是由能和水形成大量氢键的聚合物组成。它们能够从周围的环境中吸收一定的水分，从而降低纺织品的电阻率、加快电荷移散，因而静电积累的少。而涤纶、腈纶等合成纤维为疏水性纤维，其吸湿性很差，很难通过水的加入而减少静电的存在。
基于以上原因，早期的合成纤维抗静电整理是以提高织物的吸水性为目的的。用表面活性剂对纤维或织物进行亲水性处理，提高纤维的吸湿性，从而降低纺织品的电阻率，加快电荷的移散。或者是对成纤高聚物共混、共聚合、接枝改性添加亲水性基团。疏水性的合成纤维采用亲水性的物质处理后，提高了纤维表面吸湿性，表面的比电阻大大降低，从而达到防静电效果。但这些整理后的纤维及织物仍存在着这样那样的不足，尤其是在低湿度环境中它的抗静电效果不明显。随着科学技术的不断发展，新的抗静电方法不断问世，其中导电纤维的产生与发展为纺织品拥有永久的和高效的抗静电性能提供了科学合理的途径。
总的来说纺织品的防静电加工方法通常有：①织物用抗静电整理剂整理；②以提高织物吸湿性为目的的纤维接枝改性、亲水性纤维的混纺和交织；③混纺或嵌织导电纤维。
第二节 抗静电纺织品
抗静电纺织品从其纤维的生产方式上大体分为表面整理剂整理型、纤维化学改性型、应用导电纤维型三种。
一、表面整理剂整理型抗静电纺织品
表面整理剂整理型抗静电纺织品从其耐久性上又有非耐久性抗静电整理和耐久性抗静电整理之分。前者操作简单，经济有效，但不耐水洗。后者较耐水洗。但两者存在的最大问题为此类纺织品的抗静电效果与周围环境湿度有密切关系，当环境湿度不同时，其抗静电效果差异很大，甚至没有什么抗静电效果。此外，对抗静电剂还需满足以下要求：
① 不影响织物的原有风格及再沾污等问题。
②对其它树脂具有良好的相容性，不影响树脂整理的效果。
③用量少，效果好，与其它助剂拼用时不互相影响。
④不降低染色织物的各项牢度。
⑤无泡沫或低泡性。
⑥对加工机械不产生腐蚀。
⑦无臭味，对人体皮肤无刺激，无伤害。
1、非耐久性抗静电整理剂整理的纺织品
传统的或早期的抗静电织物，仅仅是对纤维或织物的表面进行抗静电整理。所用的表面抗静电剂，主要是表面活性剂，它在纤维表面形成一层薄膜，一方面可以降低纤维的摩擦系数，使静电产生减少；另一方面可以增强纤维表面的吸湿性，降低纤维的表面电阻，使已经产生的静电易于逸散，缩短电荷的半衰期，从而达到抗静电作用，然而这种方法的抗静电作用，只有当空气中的相对湿度足够大时，纤维表面附着的表面活性剂才能充分发挥作用；并且，这种方法的抗静电作用难以持久，随着时间的延续、洗涤次数的增加，附着在纤维表面的抗静电油剂逐渐消失，随之失去了抗静电性能。这种抗静电织物完全不能适应于对抗静电性能要求很高的石油、煤炭、电子、通讯、医疗等行业的要求。
阴离子中的烷基磺酸盐、烷基酚聚氧乙烯醚硫酸酯盐和磷酸酯类都有较好的抗静电效果。脂肪族的季铵盐衍生物是目前应用最广泛的阳离子抗静电剂，该类抗静电剂的活性离子带有正电荷，对纤维的吸附能力较强，具有优良的柔软性、平滑性、抗静电性，既是抗静电剂又是柔软剂，并且有一定的耐洗性。但是容易使染料变色，降低织物耐晒牢度。非离子中的脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪酸聚乙二醇酯、聚醚等抗静电剂抗静电性能较好，毒性小，对皮肤刺激小，是合纤油剂的重要组分。
如以阳离子型抗静电剂SN为例，说明其使用方法及整理工艺。抗静电剂SN是一种阳离子型表面活性剂，学名为十八烷基二甲基羟乙基季铵硝酸盐，国外同类商品名为“卡特纳克”SN，其外观为红棕色粘稠物。易溶于水，5%水溶液PH=6～8，一般用量为10g/L。经浸轧烘干即达抗静电目的。处理后织物具有滑爽感，并能提高织物的耐曲磨性。抗静电剂SN主要用在合成纤维纺丝时的静电消除和塑料制品膜的静电消除等。抗静电剂TM也是阳离子型表面活性剂，学名为甲基三羟乙基甲基季铵硫酸盐。外观为淡黄色粘稠物，易溶于水。具有优良的消除静电效果。用法基本与抗静电剂SN相同。抗静电剂TM用于涤纶、锦纶、腈纶纺织品的抗静电整理：
整理液组成为:
抗静电剂TM 0.2%～0.5%（o.w.f.）。
工艺流程及条件为：
浸渍工作液（60℃，20min）→甩干→烘干→热定形。
非耐久性抗静电剂的整理效果虽然耐久性差，但整理剂挥发性低，毒性小，而且织物不易泛黄，腐蚀性较小，纤维纺丝和纺织用油剂多用非耐久性抗静电剂。地毯等装饰物应用的抗静电剂主要为非耐久性阳离子型抗静电剂。
下面列出了涤纶、腈纶织物经非耐久性抗静电剂处理前后在不同湿度下的表面电阻值。
表3 不同湿度下的表面电阻值
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湿度/% |
25 |
45 |
65 |
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涤纶未处理 涤纶抗静电处理 |
>1013 1011～1012 |
>1013 1010～1011 |
>1013 109～1010 |
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腈纶未处理 腈纶抗静电处理 |
>1013 1010～1011 |
>1013 109～1010 |
>1013 108～109 |
由上表可看出，涤纶、腈纶织物经抗静剂处理后，表面电阻值都有下降，因而有抗静电效果，但在不同湿度下其表面电阻值不同，当湿度较大时，抗静电效果较好；当湿度较小时，抗静电效果并不明显。这种抗静电纺织品随着洗涤次数的增加，纤维表面的抗静电油剂逐渐消失，抗静电性能也就消失了。
2、耐久性抗静电整理剂整理的纺织品
耐久性抗静电整理剂是含有离子性和吸湿性基团的高分子化合物或聚合物通过交联作用在纤维表面形成不溶性聚合物的导电层。整理剂的吸湿性越高，导电能力越强，耐洗性降低，所以应该保持整理剂有适当的吸湿性，降低在水中的溶胀和溶解能力。
耐久性抗静电整理剂也分为阳离子型、阴离子型和非离子型化合物，在生产中应用较广泛的是非离子型和阳离子型整理剂。聚环氧乙烷与聚对苯二甲酸乙二醇酯的嵌段共聚物是聚酯纤维织物应用较广泛的抗静电和易去污整理剂。聚合物分子结构中含有聚氧乙烯醚键，可在聚酯纤维表面形成连续性的亲水薄膜，富有吸湿性，减少静电现象，聚合物分子含有可以结晶的聚酯链段，它和聚酯纤维的基本化学结构相同，因此对聚脂纤维有较好的相溶性，通过高温培烘整理剂可以和聚酯纤维产生共溶共结晶作用，使整理织物有较高的耐久性。含有聚氧乙烯基团的多羟基多胺类化合物是在涤纶、锦纶、醋酯纤维等合成纤维织物上最早应用的非离子型抗静电整理剂。
耐久性抗静电整理剂在分子结构中都含有吸湿性聚氧乙烯基团和反应性基团如羟基和氨基。它的抗静电性是由聚醚的亲水性产生，耐洗性则是因为它的相对高分子质量与反应性基团。可用做腈纶和涤纶等合成纤维的抗静电剂。如国产抗静电剂XFZ-03，是由多乙烯多胺与聚乙二醇反应而得，用于涤/腈中长织物的抗静电整理；中国纺织科学院的抗静电剂FK-221型属非离子型，主要适用于涤纶织物的永久性抗静电整理；北京洁而爽高科技有限公司的SE-1型非离子抗静电剂，处理织物后可使织物表面电阻由原来1013Ω数量级降至108Ω数量级，它可用于合成纤维及其混纺织物的耐久性抗静电整理。
整理工艺为：
①涤纶织物浸轧法
浓度40～60g/L，轧余率70%→干燥(100～110℃)→热定型 (180～190℃，30S)。
②仿真丝织物浸轧法
浓度100g/L，浸轧→烘干(95～100℃)→焙烘 (155～160℃，2～3min)。
由这种耐久性抗静电整理剂整理后的纺织品，其抗静电性是相对耐久的。但是与非耐久的抗静电整理剂相似，在环境湿度较低时，
其抗静电效果并不明显。
二、纤维改性型抗静电纺织品
所谓纤维改性型抗静电纺织品即是通过化学整理剂对纤维分子进行共混、共聚合和接枝改性整理，改变原分子结构，达到抗静电效果。由这种纤维加工而成的纺织品具有耐久的抗静电性能。
共混、共聚合和接枝改性型抗静电纺织品的共同特点为在成纤高聚物中添加亲水性单体或聚合物，提高吸湿性，从而获得抗静电性能。在PA、PAN、PET等基体中添加聚亚烷基二醇类聚合物进行共混纺丝的研究始于60年代。PET与聚氧乙烯醚的嵌段共聚物PET共混纺丝，可显著提高PET的抗静电性能。硫酸铜混入腈纶纺丝液中，纺丝凝固成形后在经含硫还原剂处理，可提高纤维导电性能的耐久性。除普通成纤高聚物与亲水性聚合物共混的典型共混纺丝方式外，还有聚合过程中加入亲水性聚合物、形成微多相分散体系的共混方式。例如，将聚乙二醇加入到己内酰胺反应混合物中，聚乙二醇以原纤状分散于PA6中。同时聚乙二醇也有少量端羟基与己内酰胺开环后生成的氨基乙酸中的羟基反应，提高了抗静电性能的耐久性。
下表列出当聚乙二醇的加入量不同时其纤维及洗后纤维的静电半衰期。
表4 聚乙二醇的加入量和纤维半衰期
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聚乙二醇的加入量 |
PA6纤维的静电半衰期/s |
经20次皂洗后纤维的静电半衰期/s |
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0% |
73600 |
73600 |
|
2% |
16 |
36.3 |
|
5% |
5.2 |
18.3 |
由上表看出这种共混方式的纤维有明显的抗静电效果，并且经多次水洗后，抗静电效果依然明显。但研究发现，当聚乙二醇加入量超过6%时，效果渐不明显，且影响聚合物体系的流变性，纺丝困难。
用共聚合的方式将亲水性极性单体聚合到疏水性合成纤维的主链上，例如在PET大分子中嵌入聚乙二醇，也可提高纤维的吸湿性和抗静电性能。PP中嵌入4.5%～5%的高分子季铵盐，可使PP纤维的平衡回潮率提高到5.9%～7.1%，电阻率下降6个数量级，达到纤维素纤维的水平。
采用化学引发、热引发、高能射线和紫外线辐照引发的接枝改性方法，将亲水性单体接枝于纤维表面，可有效地改善合成纤维的吸湿性，且亲水性单体的用量远少于其他方法，耐久性好。例如，PE纤维以二氯甲烷为膨胀剂、表面接枝丙烯酸后可提高吸湿性能、抗静电性能和染色性能。聚酯纤维通常采用乙烯基吡啶、丙烯酸、丙烯酸钠、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸钠、甲基丙烯酸羟乙基酯等单体或聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、聚乙二醇二丙烯酸酯等活性低聚物进行接枝改性，形成抗静电纤维。接枝率通常在10%以下。
通过此种方法得到的抗静电织物，仍是以提高织物纤维的亲水性来加速电荷的泄漏，虽然它的耐久性很好，但是在相对湿度低于40%的干燥环境中抗静电性能仍受损失。
三、应用导电纤维型抗静电纺织品
为了使织物具有耐久的和适应各种环境的抗静电性能，不再以依靠水来达到传导电荷的方式防止静电。人们通过长时间的研究与实践，寻找到很多方式。其中最行之有效的方法是直接使用导电纤维。
导电纤维尚未形成公认的定义，通常把电阻率小于107 Ω·cm的纤维定义为导电纤维。通过这种纤维加工制得的纺织品不再受环境湿度的限制，并且可通过控制织物中加入导电纤维的用量，来决定其导电性能的差异，以适应或满足对导电性不同要求的用途。
用于纺织品的导电纤维应具有以下几个基本条件：
①适当的细度、长度、强度和柔曲性，能与其他普通纤维良好抱合，易于混纺或交织。
②具有良好的耐摩擦、耐屈曲、耐氧化及耐腐蚀能力，能耐受纺织加工和使用中的物理机械作用。
③不影响织物的手感和外观。
④导电性能优良，且耐久性好。
导电纤维通过电子传导和电晕放电来消除静电，其电阻率一般小于107Ω·cm，甚至小于10Ω·cm，因而它的电荷半衰期很短，显示出极优良的抗静电性。这种纤维在空气相对湿度极低的条件下，也能发挥很好的抗静电作用。而且抗静电作用是永久的。它是特种防静电功能服装的优选纺织材料。
导电纤维现有品种类型主要有：金属纤维（包括不锈钢纤维、铜纤维、铝纤维等）、碳纤维和有机导电纤维。有机导电纤维又包括普通纺织纤维镀金属；普通纺织纤维镀碳；碳黑、石墨、金属或金属氧化物等导电性物质与普通高聚物共混或复合纺丝制成的导电纤维；导电高分子直接纺丝制成的有机导电纤维。这些导电纤维从其结构可分为导电成分均一型、导电成分被覆型、导电成分复合型三类。
1、金属导电纤维
金属导电纤维出现在六十年代，，最早由美国Bekaert公司推出商品化不锈钢纤维“bekinox”。金属纤维主要有不锈钢纤维、铜纤维、铝纤维等。
制备金属纤维的方法有很多种，如成束拉丝、单根拉丝、刨削、剪切、熔纺、熔融挤出和拉伸铸造法等，把不锈钢做成直径4～16µm的纤维材料（长丝或短纤），然后混入常规纺织材料。也可以金属纤维复丝和普通纺织纱线并合加捻或包缠制成复合纱线。最常用的金属纤维复丝品种规格有12µm（单纤直径）/91股、25µm /91股、8µm /812股。
典型金属纤维截面如表5。
表5 典型金属纤维截面示意图
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生产工艺 |
纤维截面（示意图） |
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普通拉丝
成束拉丝
刨削
剪切
熔纺
熔融挤出
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