负离子地毯的功能性及负离子素的配比优化yd6901
焦真 山东省纺织科研院，山东青岛 266032
王霞 张洪强 日照东升地毯有限公司，山东日照 276800
收稿日期：2005-10-12
原载：染整技术2006/3；11-14
【摘要】采用共混法将负离子素超微粉体镶嵌于纤维之中，制成丙纶BCF丝，然后经织造、采用负离子浆进行背涂，生产负离子健康地毯。采用正交试验优化负离子素的配比为 负离子素的粒度至少应在单纤直径的1/3以下；添加量为母粒的30%以上；纺丝油剂应比通常用量提高1.5%左右，使用负离子健康地毯，可净化室内空气、抑菌防臭、提高组织供氧、改善新陈代谢、增强人体免疫力。
【关键词】负离子素 地毯 远红外 BCF丝
【中图分类号】TS190.111文献标识码：A 文章编号：1005-9350（2006）03-0011-04
近年来，随着居室装饰装璜的现代化，室内的空气质量往往处于被忽视的位置。室内空气污染已经成为全世界各国共同关注的问题，环境专家已把室内空气污染列入对人健康危害最大的5种因素之一。美国专家研究表明，室内空气的污染程度要比室外空气严重2-5倍，在特殊情况下可达到100倍。装空调的封闭室内空气负离子浓度仅为0-25个/cm3。而世界卫生组织对清新空气的负离子标准浓度规定为：1000-1500个/cm3。
有资料介绍：郊外田野的空气负离子浓度为5000-50000个/cm3；当空气负离子浓度达到50000-100000个/cm3时，可以杀菌、减少疾病传播；当空气负离子浓度为100000-500000个/cm3时，人体具有自然痊愈能力。所以，开发负离子室内纺织品已成为各国关注的重要研究方向。
1 负离子材料的筛选
复合型负离子健康地毯，是采用共混法将负离子素超微粉体镶嵌于定形丝内，并采用负离子浆进行背涂。利用负离子素的自极性产生永久的自发电极，通过压电效应、热电效应、物理吸附、化学吸附等协同作用，达到激活增效，提高负离子发生量的效果。因此，所加入的负离子素既不能影响纤维的各种机械物埋性能，又要能达到较高的功能性指标，所以，对于负离子素的筛选至关重要。
能够释放空气负离子的功能性材料主要有电气石(tourmaline)、蛋白石、海底沉积物、海藻炭4大类。其中，电气石是一种天然存在的三方晶系、柱状结晶的硅酸盐类矿物晶体，能够持久带电(具有电能)，与铀(具有放射能)、磁铁(具有磁能)并称为世界三大能量矿石。通常是以镁铁锂电气石为例，其化学分子式为:Na(Mg,Fe,Li,Al)3Al6[Si6O8][B03]3(OH，F)4.宝石学中又称"碧玺"。电气石的晶体结构决定了它具有沿C轴两个结晶端天然的正负极性。这种与生俱来的永久性电极是产生负离子的基础。
复合型负离子素是将铁镁锂电气石进行超细粉碎，再与稀土复合氧化物、纳米半导体材料等进行机械化学复合而成的高效产生空气负离子的复合材料。选用此种负离子素作为纺织品添加剂比单纯电气石产生空气负离子能力提高2倍以上。
2 负离子地毯的功能性作用原理简述
负离子健康地毯是采用共混法将复合型负离子素镶嵌于纤维之中，制成丙纶BCF丝，然后经织造、后整理加工而成。
由于复合型负离子素产生负离子的过程是在其具有永久自极性的基础上，借助于能量的变化促使周围空气电离，不间断的产生空气负离子的过程。所以，人们在与负离子健康地毯接触的过程中，纤维周围的温度、压力、湿度发生了变化，激发了织物中负离子素的热电和压电效应，引起负离子素晶体之间的电势差，使得周围空气发生永久电离:
H2O→OH-+H+。H+以比OH-快1.8倍的速度，迅速移向永久电极的负极，吸收一个电子变为氢气逸散到空气中:2H++2e→H2↑;而脱离出的OH-附着于邻近的水和氧分子，转化为空气负离子(H3O2)-。这种变化只要空气湿度不为零就会不间断地进行着，形成负离子地毯永久发射空气负离子(H3O2)-的功能，且不会产生有毒物质引发其他副作用。
复合型负离子素同时具有远红外发射功能。这是由于纤维中负离子素单元体的正、负电荷无对称中心，当它们做热运动时，相应的偶极矩发生变化，即热运动使极性分子激发到更高的能级，当它们向下跃迁时把多余的能量以电磁波的方式放出。其辐射远红外线的波长范围为4-14µm，而人体吸收远红外线最佳波长为9.6µm，恰在此范围内。所以，在负离子健康地毯上赤足行走时，也具有促进人体微循环功能。
地毯纤维中的负离子素持续释放的(H3O2)-负离子能够中和空气中的氧自由基及氧化性气体(腐败异味)，并中和、包覆带有正电荷的甲醛、H2S、二甲胺、氨等有害气体，直到无电荷后沉降；同时，负离子素的每个晶体颗粒周围都可形成具0.06mA微电流的104-107V/m强电场，细菌、有机物在电场电流作用下被分解，从而，失去增生与繁殖的条件。所以负离子健康地毯的除臭、祛除异味和抗菌抑菌作用是由于负离子包覆沉降、负离子中和、电场电流分解及某些化学反应的综合结果。
3 负离子素的配比优化
3·1 正交试验与实验结果
依据地毯的特点，设计BCF丝的纤维线密度为122tex(1100旦)。为满足地毯平整、丰满的外观效果、蓬松而有弹性的触感和高效的负离子发生量等功能性的要求，需在保证纤维线密度、断裂强力等机械物理指标基础上，同时达到预想的功能性指标。影响以上指标的主要因素有3个：负离子索的细度、添加量和纺丝油剂的用量。为方便应用，把负离子素的细度A(用对纤维直径的质量分数表示)、添加量B(用对母粒的质量分数表示)与油剂用量C(用对常规丝油剂用量的质量分数表示)作为正交试验的3个因子，每个因子设计3个水平，采用L9(34)正交表(表1)。采用表l的设计方案纺丝后，每方案随机取3个纱样，用仪器测试纤维线密度偏差率、线密度变异系数、断裂强度、断裂强度变异系数，得到负离子素的粒度、添加量和油剂对纤维机械物理指标的影响结果。正交设计和试验结果见表2。
表l 因子水平表
|
水平 |
A细度% |
B添加量% |
C油剂用量% |
|
1 |
50 |
50 |
+1 |
|
2 |
30 |
30 |
+1.5 |
|
3 |
10 |
10 |
+2 |
表2纤维物理，洼能正交试验表
|
编号 |
A |
B |
C |
线密度偏差率% |
线密度变异系数cv% |
断裂强度cN/dtex |
断裂强度变异系数cv% |
|
1 |
1 |
1 |
1 |
3.16 |
4.53 |
1.42 |
9.23 |
|
2 |
2 |
2 |
2 |
1.94 |
3.03 |
1.62 |
6.26 |
|
3 |
3 |
3 |
3 |
0.88 |
2.07 |
1.92 |
1.78 |
|
4 |
1 |
2 |
3 |
3.21 |
4.43 |
1.71 |
3.10 |
|
5 |
2 |
3 |
1 |
2.59 |
4.27 |
1.65 |
4.26 |
|
6 |
3 |
1 |
2 |
1.73 |
3.02 |
1.58 |
3.22 |
|
7 |
1 |
3 |
2 |
1.94 |
3.35 |
1.56 |
3.10 |
|
8 |
2 |
1 |
3 |
1.44 |
2.11 |
1.71 |
3.12 |
|
9 |
3 |
2 |
1 |
1.05 |
2.04 |
1.80 |
3.08 |
根据表2的数据通过极差分析，得出纤维中负离子素的最优配方，见表3。其中:k1k2k3分别为1，2，3水平的试验结果平均值，R为极差。极差的大小反映出A、B、C三因素对纤维物理指标的影响程度，极差越大，影响越显著。
从表2和表3可以看出：三因素对纤维的机械物理指标都有显著影响。负离子素的粒度对纤维线密度和强力指标影响最大，而油剂的用量过大则直接影响纤维的强力指标，综合考虑到价格性能比和功能性指标的要求，选择A3B2C2为最住方案，即：负离子素的粒度为纤维直径的1/10，添加量为母粒质量的30%，纺丝油剂比常规纺丝提高1.5%。这时，纤维的主要机械物理指标与国家标准BCF丝的优等品标准指标对照见表4。
表3 影响因素分析表
|
指标 |
因素 |
k1 |
k2 |
k3 |
R |
影响程度 |
优化配方 |
|
纤维偏差率% |
A |
3.62 |
1.98 |
0.99 |
2.63 |
ABC |
A3B3C3 |
|
B |
3.36 |
2.77 |
1.76 |
1.57 |
|||
|
C |
2.18 |
1.73 |
1.06 |
1.12 |
|||
|
纤维偏差CV值% |
A |
4.50 |
3.02 |
2.04 |
2.46 |
ABC |
A3B3C3 |
|
B |
4.45 |
4.28 |
3.18 |
1.27 |
|||
|
C |
3.59 |
1.95 |
1.94 |
1.65 |
|||
|
断裂强度cN/dtex |
A |
1.44 |
1.62 |
1.59 |
0.53 |
ACB |
A2B2C2 |
|
B |
1.64 |
1.71 |
1.69 |
O.13 |
|||
|
C |
1.45 |
1.69 |
1.66 |
0.24 |
|||
|
断裂强度CV值% |
A |
8.55 |
6.29 |
6.89 |
2.26 |
ACB |
A2B2C3 |
|
B |
4.35 |
4.09 |
4.07 |
0.28 |
|||
|
C |
4.17 |
4.01 |
3.95 |
0.64 |
表4物理指标对照表
|
项目 |
线密度偏差率% |
线密度变异系数% |
断裂强度cN/dtex |
断裂强度变异系数% |
|
负离子BCF丝 |
1.05 |
2.04 |
1.80 |
3.08 |
|
FZ/T54001-91指标 |
±3.00 |
≤3.00 |
≥1.60 |
≤8.00 |
3·2 单因素试验和结果
根据正交试验结果，从3个因素中分别取其中2个因素的最佳值为常数，改变另一个因素做单因素实验，试验结果见图1-3。
|
|
|
|
|
图l负离子素细度对纤维物理性能的影响 |
图2负离子素添加量对纤维物理性能的影响 |
图3油剂用量对纤维物理性能的影响 |
从图1可以看出，负离子素的粒度与线密度偏差率及其CV值基本呈正比关系，随着负离子素粒度的减小，纤维的线密度偏差率及其CV值减小。亦即负离子素粒度越小，对纤维线密度的影响越小；负离子素的粒度与断裂强度成反比关系，随着负离子素粒度的减小，断裂强度不断提高；负离子素粒度的大小，对负离子发生量和远红外发射率影响不大。当负离子素的细度达到纤维直径的1/3以下时，线密度偏差率可得到较大改善，但粒度为纤维直径的1/1O之后，纤维线密度不匀率的改善程度减缓，呈常规丝的状态。
图2表明：负离子素的添加量对纤维的线密度和强力指标有所影响，但对负离子发生量和远红外发射率影响较大。添加量在30%-50%之间时，对线密度的偏差率和断裂强度影响也较为明显。
从图3看出：油剂对纤维的功能性指标影响不大，但过多的油剂会导致纤维强度的降低，而油剂不足，则会出现纤维粗糙、纺丝起毛易断等问题，因此，选择适量的油剂可以将断裂强度指标稳定在一定的要求范围内。因子水平2的条件下，无论纤维线密度还是断裂强度指标都在令人满意的范围内。
4 关于负离干纤维及地毯的安全性
为确保纺织纤维的安全性，我们对负离子素进行了放射性安全检测。参照国家对室内A类装修材料的放射性核素限量标准要求，测试放射性比活度，并分别计算内照射指数IRa和外照射指数Iγ对比指标及结果见表5。
表5 放射性安全检测结果
|
项目 |
226CRa/ (Bq/kg) |
232CTh/ (Bq/kg) |
40Ck/ (Bq/kg) |
内照射 指数IRa |
外照射 指数Iγ |
|
标准GB6566/2001 |
370 |
260 |
4200 |
≤1.0 |
≤1.3 |
|
负离子素C |
32.9 |
52.5 |
865 |
≤0.164 |
≤0.496 |
结果表明，纯复合型负离子素产生的这种微量元素的放射性，远远低于IRaI≤1.0和Iγ≤1.3的室内A类装修材料的放射性核素限量标准要求。负离子素在纤维中的含量更少，微量元素放射性更是微乎其微。这些微量的放射性不但不会影响人体健康，而且可对负离子的发生和远红外线的发射起到协同促进作用，是十分有益的。
5 结论
(1)研制开发负离子健康地毯的意义在于将自然界的空气负离子功能移植到室内，净化空气，抑菌防臭，提高组织供氧，改善新陈代谢，增强人体免疫力，使室内铺地材料达到清新与保健的统一，实现铺地纺织品的"清沽、健康、安全、放心"。此地毯用于地热取暖的室内，更能提高其功能性的效果。
(2)在BCF丝中镶嵌的负离子素的粒度，至少应在单纤维直径的1/3以下；添加量为母粒的30%以上；纺丝油剂应比通常用量提高1.5%左右。
(3)采用复合型负离子素作为纺丝添加剂可以提高功能性效应。制成的地毯纤维经中国纺科院测试中心检测，负离子发生量可达6100个/cm3，远红外发射率可达85.3%
(4)用于制作负离子地毯的长丝及其生产工艺，同样可以生产沙发、坐垫、窗帘等室内、车内其它纺织品，因此具有极广泛的应用领域。
6 参考文献
[1]钟政刚 李强，负离子、电气石和负离子纤维[A]第二届功能性纺织品及纳米技术应用研讨会论文集(C)，2002，5
[2]姚鼎山，环保与健康新材料-托马琳[M]上海，中国纺织大学出版社，2001
[3]李青山 倪士民 王新伟等，负离子功能纤维与纺织品研究[A]第四届功能性纺织品及纳米技术应用研讨会论文集[C]2004，10
[4]焦真 郭长征 王霞等，复合型负离子健康地毯的研制开发技术报告，2005，6
[5]潘维栋，数理统计方法[M]上海，上海教育出版社