（纺织工程专业论文）纳米抗静电毛针织服装的研究与开发.pdf

摘要 为了拓宽新兴纳米技术在纺织领域的应用和研发出更多满足人们需求的功能 性纺织品，本课题针对纳米无机材料在毛针织服装抗静电整理的应用进行了系统 的研究。通过检索大量的国内外相关文献和对其它相关学科的交叉研究，最终确 定纳米锑掺杂二氧化锡( a t o ) 为对毛针织物进行抗静电整理的首选材料。此纳米无 机纳米材料除了具有优良的抗静电性能外，还具有色浅、透明以及良好的耐气候 性，克服了传统抗静电材料对纺织品色彩产生的不利影响和对环境温湿度的依赖 性。 本文从纳米a t o 的制备到配制成抗静电剂实现对毛针织物的纳米抗静电整理 进行了一系列的研究。结合纳米材料学和化学的知识，采用微乳液法对纳米a i o 的制备工艺进行了研究。在纳米抗静电整理剂的制备过程中，首先从理论上对纳米 粉粉体的分散稳定原理与途径进行研究，确定出纳米a t o 粉的基本分散方法。其 次分析了分散剂的种类、分散剂用量、p h 值、搅拌时间和超声波作用时间等因素 对纳米a t o 抗静电整理剂分散效果的影响，最终以体积沉降率为评价指标利用正 交实验确定了一套能够指导实际应用的纳米a t o 粉的最佳分散工艺。并对最佳分 散工艺条件下制得的纳米抗静电整理剂进行t e m 电镜测试，结果表明利用该分散 工艺可以制得稳定的纳米抗静电整理剂，且大多粒子粒度均在6 0 n m 一8 0 n m 这个范 围。 由于毛针织服装是由天然纤维织制的服装，所以要对其进行功能整理，只能采 用后整理的方式使其具有某种功能性。本研究采用后整理法中的浸轧法将抗静电整 理剂处理到毛针织物上。本文首先通过大量实验结果分析了分散剂用量、抗静电整 理剂的浓度、烘干温度、粘合剂浓度等因素对毛针织物抗静电效果的影响规律，然 后利用正交实验确定出最优的抗静电整理工艺。测试结果表明用该工艺处理的毛针 织物，织物的静电压可降到7 0 0 v 以下，半衰期最好可达到3 秒左右，表面比电阻 系数从未处理的1 0 1 2 q 的数量级降低到1 0 9 1 0 1 0 a 的数量级，水洗5 0 次后仍具有良 好的抗静电效果。 最后对整理前后的毛针织物进行了服用性能的测试，包括顶破强力、悬垂性和 透气性等。试验结果表明，经此纳米技术整理的毛针织物其强度和悬垂性无明显变 化，透气性稍差，但变化很小，并不影响织物的风格。总体上来说，经过纳米抗静 电整理的服装基本上保持了原有的风格和服用性能。 关键词：纳米、 锑掺杂二氧化锡( a t o ) 、抗静电、毛针织服装 r e s e a r c h d e v e l o p m e n t o f a n t i s t a t i cw o o lk n i t t i n g g a r m e n tw i t hn a n o m e t e rm a t e r i a l a b s t r a c t s y s t e m i cs t u d yo na p p l i c a t i o no fa n t i s t a t i cf i n i s h i n go fw o o lk n i t t i n gg a r m e n tw i t h i n o r g a n i cn a n o m e t e rm a t e r i a li sm a d ei nt h i sp a p e ri no r d e rt oe n l a r g ea p p l i c a t i o no f n a n o m e t e rm a t e r i a li nt e x t i l ef i e l da n dd e v e l o pm o r ef u n c t i o n a lt e x t i l e st om e e tp e o p l e s n e e d s b a s e do nm a s s i v er e v i e wo fd o m e s t i ca n df o r e i g nc o r r e l a t i o n sl i t e r a t u r ea n d c l o s s - s t u d yo nc o r r e l a t i v es u b j e e t s n a n o m e t e rm a t e r i a lo fa n t i m o n yd o p e dt i no x i d ei s s e l e c t e da sp r e f e r r e dm a t e r i a lo fa n t i s t a t i cf i n i s h i n go fw o o lk n i t t i n gg a r m e n t t h i s i n o r g a n i cn a n o m e t e rm a t e r i a lh a sl i g h i - e o l o r , t r a n s p a r e n c ya n db e t t e rc l i m a t e - r e s i s t a n t p r o p e r t i e sb e s i d e se x c e l l e n ta n t i - s t a t i cp e r f o r m a n c e a n di t c a nd e f e a td i s a d v a n t a g e s w h i c hi n c l u d eb a di n f l u e n c eo nt e x t i l e s c o l o ra n ds t r o n gd e p e n d e n c eo ne n v i r o n m e n t a l h u m i d i t yo ft r a d i t i o n a la n t i s t a t i cm a t e r i a l s as e r i e ss t u d i e sa r ec a r r i e do u tf r o mp r e p a r a t i o no fn a n o m e t e rm a t e r i a la t oa n d a n t i s t a t i cf i n i s h i n ga g e n tt oa n t i s t a t i cf m i s h i n gp r o c e s so fw o o lk n i t t i n gg a r m e n t b a s e d o nk n o w l e d g ec o m b i n a t i o no fn a n o m e t e rm a t e r i a ls c i e n c ea n dc h e m i s t r y , p r e p a r a t i o no f a t ow i t hm i c r o e m u l s i o ni ss t u d i e d f i r s t l yd i s p e r s i o nm e t h o di sd e t e r m i n e db yv i r t u eo f d i s p e r s i n ga n ds t e a d yt h e o r ya n da p p r o a c ho nn a n o m e t e rm a t e r i a la t o s e c o n d l y i n f l u e n c e so fm a i nf a c t o r so nd i s p e r s i b i l i t yo fn a n o m e t e rm a t e r i a la t oa r ea n a l y z e d t h e s em a i nf a c t o r si n c l u d ev a r i e t ya n dd o s a g eo fd i s p e r s a n t ，v a l u eo fp ha n dt i m eo f s t i r r i n ga n du l t r a s o n i ca c t i o ne t c t a k i n gv o l u m es e d i m e n t a t i o nr o t ea se v a l u a t i n gi n d e x ， o p t i m a ld i s p e r s i n gp r o c e s si sf o u n do u tw i t ho r t h o g o n a le x p e r i m e n t s i tc a nb eo b t a i n e d t h a ta t op a r t i c l e sc a ne x i s ts t e a d i l yi nt h ef i n i s h i n ga g e n ta n dd i a m e t e r so fm o s ta t o p a r t i c l e sv a r yf r o m6 0 n mt o8 0 n mb yt e m o b s e r v a t i o n s w o o lk n i t t i n gg a r m e n t sc a nb eo n l ye n d o w e dw i t hf u n c t i o n a l i t yb yp o s t - t r e a t m e n t b e x ：a u s et h e ya r em a d eo fn a t u r a lf i b e r s a n t i s t a t i cf i n i s h i n ga g e n ti sa p p l i e dt ow o o l k n i t t i n gf a b r i c sb yp a df i n i s h i n gi nt h i ss t u d y f i r s t l yi n f l u e n c i n gr u l e so fm a i nf a c t o r so n a n t i s t a t i ce f f e c to fk n i t t i n gf a b r i c sa r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r t h e s em a i nf a c t o r si n c l u d e d o s a g e o f d i s p e r s a n t ，c o n c e n t r a t i o n o ff i n i s h i n g a g e n t , d r y i n gt e m p e r a t u r ea n d c o n c e n t r a t i o no fb o n d i n ga g e n te t c o p t i m a la n t i s t a t i cf i n i s h i n gp r o c e s si sf o u n do u tw i t h o r t h o g o n a le x p e r i m e n t s s t a t i ch a l fp e r i o do fw o o lk n i t t i n gf a b r i c st r e a t e db yt h e a n t i s t a t i cf i n i s h i n ga g e n ti sr e d u c e dt o3s e c o n d s e l e c t r o s t a t i cv o l t a g eo fw o o lk n i t t i n g f a b r i c st r e a t e db yt h ea n t i s t a t i cf i n i s h i n ga g e n ti sr e d u c e dt o7 0 0v o l t s t h es u r f a c e r e s i s t a n c eo fw o o lk n i t t i n gf a b r i c st r e a t e db yt h en o v e lf i n i s h i n ga g e n tc o u l db ed e c r e a s e d f r o mo r d e ro f1 0 ”qt o1 0 9 q e x c e l l e n ta n t i s t a t i ce f f e c t so fw o o lk n i t t i n gg a r m e n t sa r c h e l da f t e rb e i n gw a s h e d5 0t i m e s i nt h ee n d ，w e a r i n gc h a r a c t e r i s t i c so fw o o lk n i t t i n gf a b r i c si n c l u d i n gb u r s t i n g s t r e n g t h ，d r a p a b i l i t ya n da i rp e r m e a b i l i t ya r ct e s t e d t e s t i n gr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e r ea r e n oo b v i o u sd i f f e r e n c e sb e t w e e no r i g i n a lf a b r i c sa n df i n i s h e df a b r i c s a i rp e r m e a b i l i t yo f f i n i s h e df a b r i ci sl e s sw e a k e n e d o nt h ew h o l e ，t h es t y l ea n dw e a r i n gc h a r a c t e r i s t i c so f a n t i s t a t i ck n i t t i n gf a b r i ca r er e m a i n e d l i uy a n ( t e x t i l ee n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rm e n gj i a g u a n g k e y w o r d s ：n a n o m e t e r , a n t i m o n yd o p e d t i no x i d e ( a t o ) ，a n t i s t a t i c , w o o lk n i t t i n g g a r m e n t 西安工程大学学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工程大学有关知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间学位论文工作的知识产权归属西安工程大学。本人保证毕业离校后，使用学位论 文工作成果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工程大学。学院 有权保留送交的学位论文的复印件，允许学位论文被查阅或借阅；学校可以公布学 位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 菊弦 栖少p”多弓 壶孓矗 昏 0 签： ：者名期 作签文师论老位导 学指日 西安工程大学学位论文独创性声明 禀承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人 在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢的地方外，学位论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，不包 括本人已申请学位或他人已申请学位或其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了感谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担相关责任。 学位论文作者签名： 日期： 动秽 枷7 弓o 1 绪论 1 绪论 1 1 抗静电服装研究的历史与现状 人类对静电现象的观察有着悠久的历史。公元前6 0 0 年左右，古希腊哲学家塔 勒斯( t h a l e s l 已发现丝绸、法兰绒等纺织品摩擦琥珀之后有吸引轻小物体的性质。 1 7 5 6 年罗伯特塞默首先发现了不同纤维之间摩擦带电的现象。1 8 世纪，诸多科学 家从研究静电现象开始，陆续发现了电磁感应、化学电流和电流的力学、热学应用。 此后1 5 0 年间，人们逐渐广泛应用电能，但未重视静电的作用与危害。直到2 0 世 纪中期，随着工业生产的高速发展，合成纤维、塑料、橡胶等电绝缘性高分子材料 的迅速推广，以及轻质油品、电火工品、固态电子器件等静电敏感性材料的生产和 使用，使静电造成的事故日益增多，由此引起了各国研究机构和学术组织的重视1 1 1 。 1 9 5 3 年在伦敦召开了第一届静电学国际会议，我国自2 0 世纪6 0 年代起开始静电安 全技术研究。2 0 0 多年来人们对纺织材料间的静电现象主要归纳为以下几类1 2 1 ： ( 1 ) 服装与服装、服装与人体之间相吸附的现象( 如裤子吸腿) 。 ( 2 ) 服装带电后的吸尘和易沾污现象( 北方地区由于空气相对湿度较低，不仅毛 涤混纺服装，就连纯毛服装也有沾土吸尘现象，使消费者很反感) 。 ( 3 ) 纺织材料运动中，与人体接触时易产生的针刺感、电击现象( 如穿脱一些含 纤衣服，或接触金属材料等产生静电现象；在染整加工中，电击现象很普遍) 。 ( 使用含纤织物引起的意外事故( 如化工行业、煤炭行业，因服装产生静电引 起火灾事故；因汽车司机穿合纤服装与塑料汽油桶摩擦出现火花，引燃汽油) 。 自上一世纪4 0 年代前后相继发明p v c , p a 6 6 , p a 6 ，p a n ，p e t 等合成纤维，并 在6 0 年代前后得到广泛应用，合成纤维在加工和使用中的静电问题促进了纺织材 料抗静电技术的发展。到了新世纪，绿色、健康成为时尚，人们对具有抗静电、抗 菌等功能性服装的追求愈加强烈，研制功能性抗静电服装势在必行。从纺织材料抗 静电加工的技术思路来看，一方面是降低摩擦程度、控制电荷的产生；另一方面是 提高纤维的导电性能，以加快电荷的泄漏。由于在加工和使用中摩擦现象不可避免， 故后者成为实际可行的技术思路。 从纺织工程的角度来看，可以采用抗静电纤维、导电纤维与普通合成纤维的混 纺、交编、交织或嵌织的方法提高纤维集合体的导电能力，克服静电干扰。 从材料科学的角度来看，纺织品抗静电技术的关键在于低阻、长效、普适的新 型导电纤维的研制或利用相关学科的技术如纳米材料技术来研制开发长效的抗静 电整理剂及其应用技术来改善纤维表面的导电能力。 1 绪论 纺织材料抗静电技术的发展主要经历了以下三个发展阶段： ( 1 ) 用表面活性剂对纤维或织物进行亲水化处理，提高纤维的吸湿性，从而降 低纺织品的电阻率、加快电荷逸散。此类方法的抗静电效果难以长久保存，耐洗涤 性能差，且在低湿度环境中不显示抗静电性能； ( 2 ) 对成纤高聚物进行共混、共聚合、接枝改性引人亲水性极性基因，或在纤 维内部添加抗静电剂，制取抗静电纤维【3 1 。抗静电纤维的电阻率1 0 8 1 0 1 0 f l m ，由 抗静电纤维制造纺织品、或混用较高比例到普通合成纤维中，可消除加工和使用中 的静电困扰，但仍以高湿环境作为电荷逸散的必要条件； ( 3 ) 导电纤维的研制和应用研究，包括金属纤维、碳纤维、导电聚合物等导电 物质均一型导电纤维的研究、合成纤维外层涂覆碳黑等导电成分的导电物质包覆型 导电纤维的研究、碳黑或金属化合物与成纤高聚物复合纺丝得到的导电物质复合型 导电纤维的研究。导电纤维的电阻率一般低于1 0 7 q m ，甚至小到1 0 4 一l o - 5 q m 。导 电纤维的应用使纺织品抗静电效果显着、耐久而不受环境湿度的影响，但是其价格 昂贵，大约为普通涤纶的5 0 6 0 倍，另外由于其本身性质的原因，色泽单一，一些 物理机械性能也欠佳，故在休闲服装特别是在浅色薄型织物上很少采用1 4 , 5 1 。 后两种方法虽提高了抗静电性能，但改变了面料的组成，破坏了其它性能，且操作 不方便。用抗静电剂整理，效果良好，操作简单，实用性强，已被广泛采用1 6 ，7 j 。 目前，国内外进行抗静电功能研究的报导比较多，但大部分局限于抗静电助剂 整理的方法。像日本、韩国、意大利都有比较成熟的抗静电面料。国内在这方面也做 了相当多的工作，包括各种抗静电剂的研制、抗静电剂的用量、抗静电工艺与一般后 整理工艺的兼容性等。使用抗静电剂进行处理后，精纺面料未洗时都能有很好的抗静 电效果，最好的半衰期可达n o 8 秒及以下，静电压在8 0 0 v 以下，但是经过洗涤后， 其抗静电效果都大为下降，与未进行抗静电整理的水平相当1 8 1 。 这类抗静电绝大多数采用有机抗静电剂，目前广泛使用的抗静电剂多以季铵盐 类、丙烯酸酯类、嘧唑啉等有机物质为主要成分配制的整理剂1 ”。它通过增强织物吸 湿能力，在织物表面形成连续湿膜，此膜使离子能自由移动，从而增加了导电率，降 低了表面电阻，通过电荷再分布，使电荷密度迅速下降，达到抗静电效果。如果环境 非常干燥，不易形成水膜而起不到加快静电荷逸散的作用，会使抗静电能力大大下降。 因此该类抗静电剂受环境干湿度影响很大。 因此，寻求新的、环保型的抗静电剂成为研发热点。随着纳米材料技术的发展， 为毛纺织面料采用新的抗静电产品带来了新的生机。运用纳米技术，研究开发具有抗 静电、抗菌、抗紫外线、防水、防油等性能的新型功能毛纺织面料，己成为当前热 点之一。 抗静电功能纳米材料精纺面料是在纳米材料的基础上添加功能材料，并借助于纳 2 1 绪论 米材料易分散、兼容性好、易结合的优势，充分发挥出粉体的功能添加特性，使之具 备抗静电功能，充分展现了纳米材料和功能材料各自固有的特性和优势l l o i 。 目前，主要是采用纳米级a t of 锑掺杂的二氧化锡) 颗粒作为抗静电组分在纳米 尺度上实现均匀掺杂，使材料的导电性能获得极大( 3 4 个数量级) 的提高i l “。但这 方面的研究仅停留在试验探索阶段，因此进一步进行抗静电纳米整理剂的基础研 究、高技术研究和应用开发研究具有重要的理论意义和实际意义。 1 2 纳米抗静电毛针织服装研究与开发的意义 纳米科学与技术是2 0 世纪末的创新成果，被公认为2 1 世纪最具发展潜力的高 新技术，纳米材料和纳米结构是其核心，纳米材料是其物质基础和重要组成部分。 纳米材料技术是在纳米尺度( o 1 l o o n m ) 下探索新材料和结构在化学、电学、磁学、 光学、力学、结构和生物等特殊行为，探索其合成、制备、表征和应用的技术。 纳米材料的超微细结构即纳米粒子的颗粒尺寸很小，表面积与体积的比例随之 增大的特点，使其具有明显不同于其它材料和单个分子的独特性质一表面效应、 体积效应、量予尺寸效应和宏观量子隧道效应等，而导致纳米粒子在光学性质、催 化性质、化学反应性、磁性、熔点、蒸气压、相变温度、烧结、超导及塑性形变等 许多方面显示出特殊性能，使纳米材料技术在电子学、光学、化工、陶瓷、纺织、 生物和医药等诸多方面显示出重要价值，引起了世界各国科学工作者的浓厚兴趣。 十多年来，对纳米材料的制备、性能和应用等各方面的研究，都取得了丰硕的成果。 然而其研究工作还远未结束，在制备机理、表征方法以及应用等方面的研究依然有 着十分广阔的未知领域，吸引着更多的科研人员为之努力奋斗。世界各国将纳米技 术列为发展的前沿，目标是实现基本单元在原子和分子级上的控制，由其量子效应、 物质局域性、巨大的表面和界面效应，使物质的很多性能赖以发生质变，从而达到 最终组装可实用的材料、结构、新器件和新系统达到促进本国和世界纳米科技产业 的发展，引导新的“工业革命”1 1 扣埘。 纳米材料学与纺织行业密切相关，应用纳米技术开发功能性纺织品成为目前和 未来纺织品开发的新热点，如防水、防污、透湿的环保服装，开发远红外的保健服， 以及具有防紫外线、抗菌、负离子、吸波、抗静电、光催化等功能性的纺织品。 随着人民生活水平的提高，人们对生活质量尤其是对健康的追求愈加迫切。如 今，健康已经成为时尚，已经成为人们追求的第一财富；“珍惜生命，关爱健康”是 现代人共同的追求和希望【1 7 ，1 8 】。近年来，天然纤维的服装制品倍受人们青睐，特别 是与人体具有很好兼容性的蛋白质纤维，如羊绒、羊毛和大豆纤维等。虽然，毛纤 维具有较高的平衡回潮率，但其质量比电阻在天然纤维中是最高的，电荷积聚现象 显著，易产生静电。毛纺织生产中纺织材料的带电现象常会导致纤维缠绕或堵塞机 3 1 绪论 件、半制品或纱线发毛、断头，织造时纱线摩擦起电，织物折叠不齐等现象，影响 生产的顺利进行；毛制纺织品使用过程中，静电荷的积聚易引起灰尘附着，服装纠 缠肢体产生不适感。 静电对人体的危害性，目前已被人们普遍重视。有研究表明：静电促使人体血 液的p h 值上升，血中含钙量降低，尿中钙含量增加，血糖升高，维生素c 含量下 降。穿着普通服装在绝缘地面行走时使人体静电电位可达到3 0 0 0 v 以上、外衣静电 电位可达到8 0 0 0 v 以上。较高的静电压可对人体产生电击，并引起电子组件损坏。 有人把人体带电与电击感的关系归列于表1 - 1 。当静电放电产生的电磁辐射超过一 定限值时，它会使人体体温或局部组织的温度急剧升高，破坏热平衡而有害于人体 健康1 1 9 1 。电磁辐射对机体的主要作用，是引起神经衰弱症候群和反映在心血管系统 的植物神经功能失调。主要症状为：头痛、头晕、失眠多梦、疲倦无力、周身不适、 记忆力减退、口干舌燥、发热多汗；部分人员则发生嗜睡、麻木、胸闷、心悸；女 性人员有月经周期紊乱现象发生。体检发现，部分人员血压下降或升高、皮肤感觉 低下、心动过缓或过速、心电图出现窦性心律不齐，脱发等症状。微波还可引起眼 睛损伤，导致白内障，致癌等。 表1 - 1人体带电与电击感的关系 人体带电电位k v电击感程度 无感觉 手指外侧稍有感觉，产生微弱放电声音 手指外侧痛感，内侧轻微痛感 手指外侧针刺状痛，内侧痛感范围较广 手心到前腕电击感，看到火花 指痛剧烈 手指全部痛感 手指到前腕电击感强烈 因此，在功能性纺织品已经成为当今世界纺织品市场主流的今天，利用纳米材 料技术研制抗静电整理剂、开发抗静电毛针织服装产品，提高产品的附加值，扩大 纳米材料在纺织行业的应用领域，具有重要的理论意义和实际意义，同时具有重大 的经济效益和社会效益。 1 3 服装面料的静电效应 1 3 1 服装面料静电效应的分类 服装面料在服用过程中发生着两个相反的静电过程，即产生和流散。因此，实 4 l 2 3 4 5 6 7 8 1 绪论 际的静电荷水平应是这两个相反过程达到动态平衡的结果，由面料上的实际静电荷 水平( 电荷的净积累量) 所引起的一系列物理效应，就称为该面料的静电效应。这些 物理效应中主要有力学效应、放电效应和静电感应效应i 刎。 a 力学效应因带电体周围的电场具有力的作用，所以表现出带电体( o h 服装 面料1 会吸引或排斥附近轻小物体的现象称为静电的力学效应。m a x w e l l 应力公式指 出，带电体每单位面积所具有的静电作用力可根据公式1 - 1 计算， f ，e e 一 ( 1 1 1 2 2 。 式中，是带电体每单位面积具有的作用力( 单位：n m 2 ) ；盯为面电荷密度( 单位： c m e ) 、e 为带电体表面附近场强，( 单位：v m ) ，s 是周围介质的电容率。 按上式计算，在通常的带电密度下静电力的数值并不大，一般为每平方厘米数 百毫克，所以静电的力学效应仅表现为吸附或排斥诸如纤维、尘埃、毛发等轻小物 体，对重物则不显示力学效应。 b ，放电效应当带电体( 如服装面料) 所产生的电场，其电场强度超过周围绝缘 介质的击穿场强时，介质被高度电离而变成导体，并伴有发光和声响，这就是静电 放电现象。放电现象实际上是静电场的能量以光、热和声的形式释放出来，常见的 放电现象是在空气中发生的。 靠近空气的介质表面上积累静电荷时，便产生电场。根据推算，在1 个大气压 下，在空气中介质( 如服装面料) 表面电荷密度值的数量级在1 0 - 5 c m 2 左右时，就开 始发生静电放电。 当导体发生静电放电时，其储藏的能量一般可全部释放，因而可按公式1 2 计 算， 形t 丢c 【，2 ( 1 - 2 ) 估算放电能量。但当绝缘体放电时，只能释放部份能量，其计算比较复杂。 c 静电感应效应是指带电体( 如人体) 附近存在被绝缘的导体时，在该导体表 面会出现感应电荷的现象。如公式l - 3 所示，导体表面感应电荷为 q s 。l n e d s ( 1 3 ) 式中，s 为受静电感应的物体的表面积，e 为该表面处场强。 导体表面上感应电荷有正负两种，且整个导体上的正负电荷处于平衡状态，但 由于表面处正负电荷以完全分离的形式存在，所以和表面带有静电的物体是完全等 价的，也会发生如上所述的力学效应和放电效应从而引发静电危害。 5 1 绪论 1 3 2 服装面料静电效应的评价指标 为便于判断服装面料的静电效应强弱以便制定相应的消电措施，以及为比较各 种消电措施的效果，必须要有表征面料静电效应强弱的定量指标。 在决定面料静电效应的两个相反过程中，究竟哪一个是主要因素。考虑到纺织 材料的电阻率多半都很高，则可认为，主要是静电荷泄漏的快慢、而不是静电荷产 生的多少决定着材料的静电效应。这是因为，静电通过绝缘体泄漏时遵守公式1 - 4 q ( t ) 。q o e 。一- q o e 。7 ” ( 1 - 4 ) 的规律。由于纺织材料的电阻率p 都很大，所以放电时间常数f 很大，即材料上静 电的泄漏很缓慢。例如，纯涤纶面料甚至可达数小时之长。所以，即使产生静电的 过程停止较长一段时间后，材料上仍可保留有足以引起危害的带电量。这一观点已 为实践所证实。同时从实用的角度看，静电的衰减特性更容易测量些，因此，可采 用测量服装面料的半衰期t l ，2 作为衡量其静电效应的指标。但半衰期又与材料的电 阻率成正比，因而也可用电阻率p 作为衡量材料静电效应强弱的指标。 需要指出，服装面料是疏松、非致密的材料。通常所测量出的被称为电阻率的 量实际上并不真正表示材料的电阻特性，因为其中包含着空隙即空气的作用，在这 种意义上，该量只能从表观上对不同面料的电阻特性进行相对比较，所以应称之为 比电阻。又考虑到，面料作为绝缘材料，其导电方式不同于导体，正如前面谈到的， 在面料试样上加上直流电压时，发现一部份电荷是通过试样内部流动的，另一部份 则是通过试样表面流动的，因而相应的有体积电阻和表面电阻，前者是反映试样内 部对电流阻碍作用的量。后者是反映试样表面对电流阻碍作用的量。体积电阻和表 面电阻不仅与材料本身的特性有关，而且还与所用试样的尺寸( 即电极的尺寸) 有关。 为了本质地表征材料的导电性能，应把体、表电阻换算成体、表比电阻。推算表明： 边长为1 锄的立方体面料试样，其两个相对面之间测得的电阻就是该面料的体积比 电阻。以p 。表示，单位是q 锄。而边长为l c m 的正方形面料试样，其两条相对边 之间所测得的电阻就是该面料的表面比电阻，以p 。表之，单位是q 。此外，还用到 质量比电阻，它是指面料的体积比电阻p ，与该面料的质量密度的乘积，以p 。表示， 单位为q 咖1 2 。同种面料的体积比电阻p ，即与表面比电阻p 。是相关的，但其间具 体关系比较复刹2 1 1 。 综上所述，可以用体积比电阻p 。衡量面料的静电效应；又考虑到面料的表面比 电阻p 。与p ，相关且其测量不仅简单、复现性也较好，所以通常用表面比电阻p 。作 为衡量面料静电效应的指标。 w i l s o n 和v a l k o 通过研究，分别得出纺织材料表面比电阻与其静电效应之间的 关系，如表1 2 所示。 6 1 绪论 表1 - 2 纺织材料的表面比电阻与其及静电效应之间的关系 表面比电阻的对数值( 1 9 p i ) 静电效应 w i l s o n 的试验结果v a l k o 的试验结果 上述关系已被应用到实际中，如美国国家防火协会标准中，有关床单及其他医 用纺织品的防静电规范，都是以表面比电阻的高低为标准的。凡有麻醉品存在的场 所，织物的p 。都要求低于1 0 n q 。实践表明，服装在穿用时，当其降到1 0 1 0 1 0 1 1 时，则不会发生明显的缠附，抱合等障碍。 需要指出，用比电阻一项指标衡量材料的静电效应是不完备的。特别是对于表 面有涂层或镀层的织物及混纺有导电材料的织物等复合材料，仅用比电阻值判断其 静电性能常会得出错误的结果。这是因为决定材料静电效应的直接物理量应是材料 上的电荷及与此相关的场强、电流，电势等，但这些参数的测量一般比较复杂且复 现性也较差。为了对面料的静电性能做出全面正确的评价，除比电阻外，还应附加 半期、带电量( 或电荷密度) 及表面静电位等指标。 1 3 3 影响面料静电效应的主要因素 a 比电阻的影响 由材料上的饱和电量0 0 = l o t = i o e p ，与静电半衰期h 2 - - o 6 9 t - - 0 6 9 e p ，的影响因素可以看出，动态平衡后材料所带静电电荷的多少以及静电衰减 的难易快慢程度，直接受到p ，和e 乘积的影响【勿。因此，材料的比电阻是织物抗静 电设计中必须要考虑的个重要因素。材料的比电阻除了和材料本身的种类有着非 常密切的关系之外，还受到回潮率的影响，而材料的吸湿性能主要取决于材料的自 身结构，取决于纤维表面和内部的亲水基团的多少及排列情况。因此，只要设法降 低材料的比电阻，就能加快静电荷的泄漏，降低其危害。采用导电纤维嵌织和交织 的方法，其最终的目的是降低材料的表面电阻，加快电荷的泄漏和中和。 b 摩擦材料的影响不同材料摩擦，可以产生不同的结果。根据静电摩擦序列， 按照柯恩l 纠( c 0 r h ) 法则，总是序列中前端( 介电常数较大者) 带正电，后端的( 介电常 数较小者1 带负电。带电量可按公式1 - 5 计算： q 七( 毛屯)，( 1 5 ) 式中：q 为带电量；七为比例系数；。、：分别是参与摩擦的两种材料的介电常数。 7 1 绪论 根据公式，材料的选择应考虑材料在静电序列中的位置，达到降低静电的目的 1 2 4 1 。 c 摩擦条件的影响摩擦条件对静电效应的影响可归纳为摩擦次数、摩擦速度 和摩擦力等三方面的影响。在实际和设计时，应给予考虑和关注。总之，设法降低 或削弱摩擦条件，一定程度上可以达到抗静电的目的。 d 环境条件的影响周围环境的温度和湿度，以及周围的空气中的离子化程度 【2 5 1 ，对静电的产生和泄漏都有显著的影响。在高温、干燥的环境条件下，静电的产 生和积累将更加严重和明显。在我国的北方，尤其是在冬季，静电现象就非常严重。 另外，空气小的离子化程度状态也有影响，如果存在相反极性的电荷，将有利于静 电荷的泄漏，如果存在相同极性的电荷，将不利于静电荷的泄漏，因此，使用场合 和条件在设计时，应针对性加以考虑。 1 4 消除服装静电的方法 根据以上讨论可知，为消除服装静电危害归结为设法减弱面料的静电效应。而 减弱面料的静电效应可以从三方面着手：减少静电的产生；加快静电的泄漏；造成 使静电得以被中和的条件；后两条是基于静电的散失过程提出的。有关这方面的指 导原则已在上面的讨论中给出：例如设法降低面料的比电阻，可使静电荷较快地泄 放：适当选择，调整服装面料的配伍，可减少静电的产生量，而利用某些手段提高 空气的离子化程度，则可加快服装上电荷的中和速度。 根据以上原理提出的消静电方法，大致可分为以下四种方法1 2 6 1 。 1 4 1 表面处理法 采用表面活性剂对纤维或织物进行亲水化处理，提高纤维的吸湿性，从而降低 纺织品的比电阻，加快电荷逸敬。此类方法的抗静电效果难以长久保存、耐洗涤效 果差、且在低湿度条件下不显示抗静电性能。此外，为减少静电荷的产生量，在纺 织材料界面上涂敷的抗静电油剂使材料之间不能充分、直接的摩擦、接触，从而减 少了电荷的转移。另一种机理为表面活性剂分子疏水端吸附于纤维表面，亲水性基 团指向空间，形成极性界面，吸附空气中的水分子，降低纤维或织物的表面比电阻， 加速电荷逸散，这是大多数抗静电剂发挥作用的主要方式。抗静电剂起作用的另 外种方式是离子化，离子化的抗静电剂本身具有良好的导电性，这种油剂分子在 表层水分子的作用下发生电离，显著提高了纤维表面的导电性，同时，可通过中和 表层电荷的方式消除带电。抗静电整理剂根据其化学结构分为阳离子型、阴离子型 和非离子型：按使用目的可以分为耐久性和非耐久性。 1 4 2 化学改性方法 对成纤高聚物进行共混、共聚合、接枝改性引入亲水性极性基团，或在纤维内 8 1 绪论 部添加抗静电剂，制取抗静电纤维。其共同特点是提高纤维的吸湿性能，加快电荷 的散逸。由抗静电纤维制造纺织品、或混用较高比例到普通合成纤维中，可消除加 工和使用中的静电问题，但仍以高湿环境作为电荷散逸的必要条件。 1 4 3 导电纤维的混纺或嵌织 采用会属纤维、碳纤维、导电聚合物等导电均一型导电纤维或者合成纤维外层 涂覆碳黑等导电成分的导电物质包覆型导电纤维、碳黑或金属化合物高聚物通过复 合纺丝得到的导电物质复合型导电纤维。导电纤维的应用使纺织品抗静电效果显 著、耐久而不受环境湿度的影响，并可应用于防静电工作服等特种功能性纺织品。 导电纤维的研究开发及应用目前正成为研究的热点。 1 4 4 静电序列 利用静电序列的不同，进行不同纤维的混纺或交织，达到降低静电的目的，此 种方法，可以有一定作用，但局限性比较强，应用受到限制【捌。 在上述四种方法中，导电纤维的应用和开发是抗静电产品开发的方向，目的， 越来越受到人们的关注和重视。但是，在应用中有许多问题还需要迸步深入的探 讨。如导电纤维嵌织的抗静电机理，含有导电纤维织物的抗静电性能的评价方法等 方面，还有待进一步研究和探讨。 1 5 课题研究的主要内容 本课题主要进行了以下四个方面内容的研究工作： ( 1 ) 纳米抗静电材料的制备技术选择具有良好抗静电性能的纳米a t o 粉作为 制备纳米抗静电整理剂的必备原材料。通过对纳米材料制备方法的研究，最终确定 采用粒径可控、操作简便的微乳液法制备纳米a t o 粉。主要研究纳米a t o 粉体微 乳液制备工艺的选择与确定；工艺参数( p h 值，掺杂浓度，反应时间，反应温度， 煅烧温度等1 的考察与优化。如何优化粉体制备过程中的工艺参数，制备出粒径分布 均匀、具有良好抗静电性能的纳米a 1 o 粉是本课题的技术难点。 ( 2 ) 纳米抗静电材料的分散与稳定技术由于纳米粉体表面能极大极易发生二 次团聚，且比重大，所以为了使团聚的粉体颗粒分散开来，并且稳定地保持该分散 状态，分散剂与分散方法的选用是技术的关键。主要的研究内容：抗静电粉体的分 散涉及分散方法，分散剂种类，p h 值，用量等参数的考察与优化确定；抗静 电分散液的稳定悬浮涉及稳定剂的选择和用量等。 ( 3 ) 毛精纺针织面料的纳米抗静电整理技术如何利用分散均一、功能稳定的 纳米抗静电整理剂对毛精纺面料进行整理，赋予其良好的抗静电性能是本课题研究 的技术难点。利用正交表，以感应静电压、静电半衰期t l 2 和表面比电阻p s 作为服 装静电效应的评价指标进行正交实验，筛选出最优整理工艺。主要的研究内容：选 9 1 绪论 择适宜的整理助剂，确定最优用量；确定抗静电剂与毛针织面料结合实施的途径， 对工艺参数进行全面的筛选，以确定取得最佳结合牢度的工艺参数；提高抗静电效 果的耐洗性和持久性，即保证面料的抗静电性能经过多次洗涤后持久不衰减；保证 纺织品原有的良好特性，整理剂的最优化用量及各种助剂的选择非常重要，既要保 证实验预设的结果，同时又不能影响织物的手感以及各种优良性能。 ( 4 ) 纳米抗静电毛针织服装的性能测试与分析为了检验经纳米抗静电整理剂 整理后的毛针织服装的抗静电性能及纳米抗静电剂对其服用性能的影响，故对整理 前后的毛针织物的抗静电性能和服用性能进行了测试。根据我国纺织品静电性能测 试的现行技术规范对整理后的织物进行静电性能测定，包括感应静电压测定、静电 半衰期测定和表面比电阻的测定。并对整理前与整理后的进行服用性能的测试比 较，包括织物的透气性、顶破强度、光泽性、悬垂性和色牢度等。如何严格按照实 验规程并在相同的适宜温湿度条件下进行测试和比较，保证实验结果的准确性是进 行测试的关键技术问题。 1 0 2 纳米科技与纳米a t o 材料的结构与特性 2 纳米科技与纳米a t o 材料的结构与特性 2 1 纳米科技与纳米材料的发展 人类对客观事物的认识是不断深入的，认识从直接用肉眼看到事物开始，然后 不断深入，逐渐发展分为两个层次：一是宏观领域，二是微观领域。人们对宏观领 域和微观领域研究较早，而对存在于宏观领域和微观领域之间的研究似乎忽略了。 近年来，才开始注意到这个不同于宏观和微观的所谓的介观领域，由于三维尺寸都 很小，出现了许多奇异的崭新的物理性能【2 9 1 。这个领域包括了从微米、亚微米，纳 米到团簇尺寸( 从几个到几百个原子以上尺寸) 的范围。 早在1 9 5 9 年，著名的理论物理学家、诺贝尔奖金获得者费曼曾预言：“毫无疑 问，当我们对细微尺度的事物加以操纵的话，将大大扩充我们可能获得物性的范 围。”在这里，通常界定为l 1 0 0 n m 的范围的纳米体系是细微尺度的事物的主角。 i b m 公司的首席科学家a r m s t r o n g 预言：“我们相信纳米科技将在信息时代的下一 阶段站中心地位，并发挥革命的作用，正如7 0 年代初以来微米科技已经起的作用 那样，”这些预言十分精辟的指出了纳米体系的地位和作用，有预见性的概括了从 现在到下一个世纪材料科技发展的新动向【删。这是纳米材料体系的吸引入之处，随 着对纳米材料体系和各种超结构体系研究的开展和深入，他们的预言正在逐渐成为 现实。 纳米材料和纳米技术是纳米科技领域最富有活力、研究内涵十分丰富的科学分 支。“纳米”是一个尺度的度量，最早把这个术语用到技术上是日本在1 9 7 4 年底， 但是以“纳米”来命名材料是在2 0 世纪8 0 年代