负离子纺织品的检测方法及应用yd12509

莫世清 陈衍夏 施亦东 李征然 肖红艳    四川太学轻纺与食品学院 四川成都 610065

收稿日期：2009-11-18

作者简介：莫世清(1984),男,四川德阳人,在读硕士研究生,主要从事功能纺织品的开发及整理方向的研究

原载：染整技术2010/5；42-47

 

【摘要】:主要介绍了目前国内外负离子纺织品的检测方法和研究进展,在总结课题组阶段性工作的基础上,针对目前纺织品负离子性能测试系统和检测方法提出进一步的研究设想。

【关键词】负离子纺织品;检测

【中图分类号】TS190,92 文献标识码:A 文章编号:1005-9350-(2010)05-0042-06

l  前言

现代环境卫生学的调查研究表明空气负离子对人体健康有利,能够起到镇静、催眠、镇痛、降低血压等作用。空气中负离子的浓度较高时,能抑制多种病菌的繁殖,降低血压和消除疲劳,促进人体的新陈代谢,调节和促进人体的生K发育。因而人们将空气负离子比喻为“蓝色维他命”和“空气长寿素”,其存在会帮助人体回复正常的生理平衡,对人体的生长发育和防治疾病方面具有如下积极作用；

(1)改善肺器官功能9改善呼吸系统绒毛的清洁工作效率;(2)降低血压,增强心肌功能;(3)有很强的氧化还原作用。负氧离子能破坏细菌的细胞膜或细胞原生质活性酶的活性,从而达到抗菌杀菌的目的;(4)使人精神振奋。增加警觉性,增加想象力,提高工作效率;(5)增强兔疫系统功能[1-5]。有研究结果表明,夜晚睡眠时穿着具有负离子发射功能的睡衣会一定程度降低人体直肠温度,提高夜间睡眠效果,并有提高人体免疫力的效果[6]。

随着空气中负离子的保健功效不断地为人们所认识,对负离子纺织品的研究日益受到重视。然而由于负离子纺织品所产生的空气离子所携带的电荷量极其微弱,必须使用专用的一种空气离子测量仪进行测量,这种仪器容易受到如空气湿度的变化、测试区气流的扰动、测试对象(即纺织品)的摆放位置等因素的影响。因此,在进行负离子纺织品的科学研究和相关产品的研发、生产、销售过程中,不但需要有合适的空气离子测量仪,还要有一整套科学的测试方法,才能获得负离子纺织品所产生的空气离子极性、浓度及迁移率等参数,并在此基础上研究其健康保健功能。

2   现有的负离子纺织品的检测方法

迄今为止,国内外针对纺织品的负离子性能测试并没有统一的测试方法和测试标准,包括国家标准、企业标准和地方标准。我国在⒛02年10月份颁布了《空气离子测量仪通用规范》作为国家标准,但只是针对建立、健全空气离子测量仪产品标准体系。鉴于上述因素,现有公开的负离子织物的负离子测试报告含有诸多使人难以信服的成份,更无法同市场上的负离子产品进行横向对比与评价。某些企业言日追求高数据的负离子测试报告,或避开测试环境中的本底负离子浓度而笼统给出一个数据,不与同类普通织物进行对比测试,这些现象对负离子织物的深度开发有不利的影响。

2.1  开放式测量

手搓式测试法:在—定温湿度条件下,以手握住织物做10s搓揉的物理刺激后,通过空气离子浓度仪读数

[7]。这种方法操作简单、方便,但误差大。引起误差的原因有: (1)试验者的影响:在手搓试样的过程中,摩擦的有效面积、摩擦力的大小以及试验人手的干湿状态都对测试结果有直接的影响。通常摩擦面积、摩擦力越大,织物表面产生的静电场就越强,激发产生的负离子浓度就越高。试验人手越干燥,人体的电阻就越大,织物产生的表面电荷越不易散逸,静电场亦越强,负离子浓度相应越高。而这三个影响因素因人而异,在手搓试样的过程中难以控制,故导致测试误差。 (2)环境的影响:因为是开放式测试,周围环境对测试结果影响很大,如各种电器设各、强导电体、空气的流动等,而彐~在测试的过程中,房问大气中的负离子浓度会不断累加,造成每次试验条件不一致,导致测试误差。

非物理刺激测试法:将被测样裁成A4大小,粘在硬纸板上卷成长290mm直径60mm的桶状,置于空气离子浓度仪的测试口内,测通过该纸桶的空气离子浓度,此浓度与室内空气离子浓度的差值即为被测样释放的负离子量[8]。由空气离子的特性可知,空气离子不断产生又不断消失,其浓度是个动态变化过程,在这种开放式的大空气环境F,室内空气负离子浓度的本底值不会是一个定值,直接用相减的方法确定测试样的值是不准确的。若不加任何物理刺激的话,面料释放负离子的效果并不明显,不能完全反映面料发生负离子性能的好坏。

2.2  封闭式测量

负离子测定室[9]:特别造—个独立的小房间,在此房间内进行纺织品的负离子测试。该测定室达到了密闭空问的要求,保证不受环境因素的影响,但没有排除人为影响,且~加工要求高,造价也高。

负离子测试箱[10]:在绝缘的亚克利箱子内,将A娃大小的试样加以小摆动进行测试。缺点是人为操作的摆动不能量化,仍然带来误差,箱体如不密闭,也要受环境的影响。

而要想真T~地确立起国内外通行的检测标准,就是要确立起一系列行之有效的负离子纺织品的检测系统。

3   空气离子测量仪器[11]

空气离子测量仪是测量大气中气体离子的专用仪器,它可以测量空气离了的浓度,分辨离子正负极性,并可依离子迁移率的不同来分辨被测离子的大小。一般采用电容式收集器收集空气离子所携带的电荷,并通过一个微电流计测量这些电荷所形成的电流。测量仪走要包括极化电源、离子收集器、微电流放大器和直流供电电源四部分。根据收集器的结构不同,又可以划分为圆筒式和平行板式两种类型。

图1圆筒式离子收集器结构

圆筒式收集器由两个同心圆筒组成,外部圆筒为极化极,内部圆筒为收集极(见图1)。这种收集器结构简单,常用于一些要求体积较小的测量项目。但存在以下儿个缺点:(1)灵敏度较低,不适合作空气本底测量;(2)收集器前端的绝缘支架附着了离子以后,会形成一个排斥电场,妨碍离子进入收集器,造成测量误差;(3)圆筒型电场为不均匀电场,不适合作离子迁移率测定。

平行板式离子收集器的收集板与极化板为互相平行的两组金属板,这种收集器可采用多组极板结构(见图2)。

图2平行板式离子测量仪结构

在不影响离子迁移率的前提下使极板距离较小,而使收集器截面相对大一些,以增大取样量,提高灵敏度。由于平行板电场属于均匀电场,它不但可以测量离子浓度,而且适合用来测定离子迁移率。

正、负离子随取样气流进入收集器后,在收集板与极化板之间的电场作用下,按不同极性分别向收集板和极化板偏转,把各自所携带的电荷转移到收集板和极化板上。收集板上收集到的电荷通过微电流计落地,形成一股电流;极化板上的电荷通过极化电源(电池组)落地,被复合掉,不影响测量。 一般认为每个空气离子只带一个单位电荷,离子浓度就可以由所测得的电流及取样空气流量进行换算。离子浓度可以由所测得的电流及取样空气流量换算出来,见下式:

N=

1

qVA

式中：:N一单位体积空气中离子数目,个/clllJ;

I一微电流计渎数,A;

q一基本电荷电量,1.610-9库仑;

Ⅴ一取样空气流速,cm3/sec;

A一收集器有效横截面积,cm2。

离子迁移率:

空气离子在华位强度(1V/m)电场作用下的移动速度称为称为离子迁移率,

离子迁移率的计算公式：

K=

d2×VX

L×U

式中：:Κ一收集器离子迁移率极限cm2·S;

d一收集板、极化板之间的距离,cm;

VX一收集器中气流速度,cm/s;

L一收集板长度,cm;

U一极化电压,Vo

目前从国外进口的测试设备主要产自美国和日本,国内生产空气离子测试设各的厂家主要有漳州连腾电子有限公司、石家庄无线电四厂和上海申发检测仪器厂。国内外测试设备的共同特点是采用平行板电容器作为离子采集器,通过抽胚1设备使空气离子经过采集器,捕获空气中的离子,通过检测电流或电压来确定空气中的离子数[12]。

美国A1phaLab公司生产的空气离子测试仪是目前应用较广泛的测试仪器,可以达到最小10个/cm3的测量精准度,而且操作简便。主要存在问题是读数的不稳定性。因为试验操作过程中环境因素和人为囚素的影响,使得在利用该仪器进行测试的时候所得数据不很稳定,降低了测试结果的可信度。

日本Andes公司的Intivro ITC403A型空气离子测试仪配备了笔记本电脑,安装有专用的应用程序,己经在一定程度上使得负离子的测试自动化,并且能够对测量结果进行较为直观的显示。

国内空气离子测试仪器技术领先的是福建省漳州市连腾电子公司的DLY系列空气离子测量仪。其中的DLy-2型空气离子测量仪首创了镀金二级平行收集板收集器,电荷复合时问缩短,收集效率提高,离子浓度检测范围(10~1,999×109)个/cm3。综合考虑各项指标均达到国际先进水平。

冀志江、王彦勋、金宗哲等发明了静态法空气离子测量仪。所谓“静态法”是指测定离子采集器上的电荷,而不是测定电流。静态测试空气离子浓度的方法是采用带电体(初始电量Q0)在空气中自由放电,并通过对带电体剩余电荷(Q)与放电时间(t)的关系(Qt)进行科学分析从而得出带电体周围空气中离子浓度的测量方法。采用此理论的仪器已经研发成功,自动化程度较高,并且在一定程度上克服了平板式离子测量仪本身固有的缺点。

4   影响负离子纺织品检测的因素[13]

(1)测试过程所处的大气环境的稳定性 包括温度、湿度、气流速度、空气中的尘埃、噪音、光照等条件,空气负离子的产生和消失都与环境条件有关。通常洁净空气中的负离子主要是轻负离子,随着空气中烟雾、灰尘的增多,中、重离子含量显著增加,测试对象就变成中、重负离子。同时空气负离子的量还会随着环境温湿度的变化而变化。温度升高使分子热运动加剧,致使碰撞电离几率增加,电离出的电子数增多,从而负离子含量也随之增加;相对湿度变大,水分子含量增加,则电解出的羟基负离子数增加。为避免环境温湿度对负离子测试的影响,最好是选择恒温恒湿实验室。

(2)大气原有的离子含量 主要是指测试过程所处大气环境的质量,不同的环境是含有不同的负离子浓度的。

(3)面料摩擦的条件 如压力、摩擦面积、摩擦时间等。

(4)面料本身的特性 织物本身对产生负离子的影响主要包括纤维的吸湿性、细度、组织等。纤维的吸湿性:负离子的产生过程是电离织物表面的水分子的过程,纤维的吸湿性越好,粘着于织物表面的水分子越多,产生的负离子也就越多。纤维细度:纤维的细度越小,比表面积也就越大,表面吸附水分子的能力越强,负离子产生也就更多。

织物组织:织物单位面积释放的负离子量是一定的,因此织物露地面积越大,产生的负离子数越多。另外,负离子粉末具有压电性,因此采用较为复杂的组织,如“蜂巢”组织等,可以增加织物的摩擦,进而可以产生更多的负离子。

(5)人为的差异 试验表明不同的人用手摩擦同一块面料,不同的人摩擦面料同一所得的结果也可能会有很大的不同。

a）定时问条件下手搓速率对负离F发射量的影响:首先,以不同速率手搓A织物,在30s时记下其负离子发射量,测试10次,然后计算这10个数据的CⅤ值,CⅤ值越小的表明其波动越小,即测试结果越稳定。

由于人的手搓频率受生理能力限制,因人而异,因此我们分别取手搓速率大致为1次/s、2次/s和3次/s,其CV值如表1。

表1手搓速率测试结果的CV值

手搓速率(次/s)

CV值 (%)

负离子浓度(个/cm3)

max

min

1

33

2680

2200

2

12

2700

2120

3

18

2400

2220

表1中结果可知,在2次/s时所测试数据的CⅤ值

最小,表明数据波动小,即测试结果最稳定。

b）手搓速率恒定条件下时问对负离子发射量的影响:

选择以相同速率2次/s手搓A织物,分别在不同时间点记下其负离子发射量,每个时间点测试5次,然后计算每个时问点的5个数据的cV值,CV值越小的表明其波动越小,即测试结果越稳定。

根据一般的手搓实验条件,取10s、⒛s和30s三个时间点进行测试,其CV值计算结果如表2所示。

表2手搓时间测试结果CV值

手搓时间(s)

CⅤ值 (%)

10

21

20

5

30

16

由表2中结果可知,在20s时测得数据CⅤ 值最小,即测试结果最稳定。

C）测试操作人员的影响

不同的测试者对同一样品的测试往往结果也是不同的。

测试方法和标准的不统一使得测试结果的误差很大,而且同一块面料多次测试的结果重现性差,不同试样之间的测试结果也缺乏可比性。

5   负离子纺织品的检测系统

5.1  测试对象及负离子浓度测试仪的选用[1钊

(1)明确测试对象、选择合适的负离了浓度测试仪是建立测试系统的第一步。即首先要了解所测试的空气负离子的特性,如成分、种类、迁移率等,再根据测试环境确定表征空气离子浓度的离子种类,如洁净空气应以测试轻负离子为主,浑浊、被污染的空气要以测试中、重离子为主。然后根据测试对象,选择合适的空气离子浓度测试仪。

空气的主要成分是氧和氮。氮的外层电子有5个,氧的外层电子有6个,氧的外层电子较多,易于逸出或吸收电子成为正、负氧离子,而氮则难与电子结合,除非电离能量很高。纺织品产生负离子的能量主要来源于添加在其中的负离子发生材料,如电气石粉体,为同时满足后序加I及面料其它性能的要求,必须控制负离子添加剂的量,因此负离子纺织品具有的电离能量不高,在低电离能量作用下,参与帘气电离的主要是氧气,产生负氧离子(O2)。

O2

催离素

→O2+  + e       O2  + e = O2—

 

此外,大气中含有大量的水分子,同时纺织材料具有吸湿性,故在面料表面的静电场屮极易发生水分子的电解反应。水分子一旦接触到负离子发生材料释放出的负电子(e),立刻发生还原反应,分解成带有正电的氢离子（H+）)和带有负电的羟基(OH)。氢离子(H+)马上与负电子相结合而被中和,成为氢原子(H)放入空气中,剩下的羟基与周围水分子结合成为羟离子（H3O2),即为负羟离:子。

空气离子按其体积大小可分为轻、中、重离子。由于对纺织品负离子性能的测试都在稳定、洁净的室内环境中进行,空气中的粉尘、烟雾等气溶胶微粒较少,产生的负离子主要是轻空气离子(亦称小离子),其直径约为1~3nm,在电场中运动较怏,平均迁移率为1,0cm2/V.S。理想状况下,轻负离子的生命周期仅有几分钟,而且由高浓度向低浓庋扩散,在运动过程中,它们被带有相反电荷的轻、重离子所中和或与中性致密微粒结合而失去作用。

与空气负离子发生器产生百万个/cm3,甚至高达千万个/cm3,浓度的负离子相比,纺织品产生的负离子浓度在几百到几千个/cm3之间,属于微量。

表3空气离子测试仪的名称及测试范围

国别

公司

仪器名称

测定范围(个/cm3)

离子迁移率

(cm2/V·S)

美国

Alphalab

AIRION

±10~106

大于0.1

AIC1000

±10~106

大于0.l

中国

漳州连腾

DLY-2空气离子测量仪

±10~109

0.15,0.04,0.004

中国

上海电动工具研究所

大气离子浓度测量仪

SD9901

±10~108

大于0.01

中美

合资

北京社威远大

抗湿离子测量仪

ZLI-DLY-3G,5G

±10~109

1.0,0.4,0.15

日本

ECO、HOLISTICINE

EG-124

±10~105

大于1.0

日本

ECO、HOLISTICINE

EG-2000

±0~2×106

 

日本

Inti(株)

ITC-210A

±10~106

小于0.4

由表3各空气离子测试仪给出的离

子迁移率值来看,不同仪器对应的测试对象不尽相同,对离子种类的划分标准也不完全一致。如果以小离子的平均迂移率为1.0cm2/Ⅴ·S,中离子的平均迁移率为0,05cm2/V·S,大离子的平均迁移率为0.005 cm2/Ⅴ·S为标准,DLY-2空气离子测量仪按照离了迁移率划分的三个档位是分别用来测试轻、中、重离子的,即离子迁移率大于0.15 cm2/V·S的为轻离子,迁移率在0.04~0.15cm2/V· S之间的为中离子,迁移率在0004~0.04 cm2/V·S之间的为重离子。以此为基准看其它型号的测试仪,AIRIONCClL NTER和AIC1000都是以测试轻离子为主;SD9901型以测试轻、中离子为主;抗湿离子测量仪其测量迂移率范围属轻离子,在轻离子的基础上又进一步细分为工档;EB-12A型则是针对特小离子的,灰尘多、离子尺寸大时不易测定;ITC-201A型其测量迁移率范围较宽,主要以测试中、重离子为主。

明确了测试对象,进而选取适宜的负离子浓度测试仪,其检测数据才具有说服力。

5.2  测试方法和操作过程

现阶段大多数的负离子纺织品检测都是采用人手工摩擦纺织品产牛负离子,然后在利用负离子测试仪来进行测定。这种测试方法虽然简单,但弊病是显而易见的。由上述的影响负离子浓度的因素我们可以看出,这种方法是肯定存在很大的试验误差,而且,该法不够稳定。可以看出,要减少试验误差,使检测更准确、稳定,以下几点十分关键:

5.2.1  测试环境

测试过程中的大气环境对于整个过程的影响是显而易见的,要使测试准确,恒温、恒湿,气流速率相对稳定。其次,温度,湿度的确定十分关键,必须统一标准。

此外,测试环境中的负离子浓度也是一个不能忽视的部分,因为在测试过程中,房间大气中的负离子浓度是在不断累加变化的。在这样的环境条件下,测定结果的误差很大。因此要想制定测定的标准的话,测试环境的负离子浓度也必须有一个统一的规定。

5.2.2   面料的摩擦条件

这包括了摩擦的压力、时间和面积等,由于该部分是负离子纺织品产生负离子的关键,所以产生误差的几率也就非常大,不同的人摩擦,同一个人摩擦几次都会带来不同的结果,应关注并改进手搓摩擦造成人为差异的方法。以奇冰石为例,负离子产生于奇冰石的热电效应和压电效应,当温度和压力有变化时(即使是微小的变化),即能引起奇冰石晶体之间电热差,以使空气发生电离,被击下的电子附着于邻近的分子并使它转化为空气负离子和氧离子。在测量负离子功能性面料所产生的负离子浓度时,以往是采用手搓的方法来改变面料中奇冰石晶体之间的温度和压力,以产生负离子,然后进行测试。现基于负离子产生的原理,设计研制一种机械装置模仿手搓的动作,产生热电效应和压电效应。机械摩擦是比较稳定和可量化的,这样摩擦过程就会得到规范化。

6   结语

规范负离子测试的外界环境对稳定测试结果有很积极的意义,目前厂家的负离子测试产品和检测手段尚有许多亟待完善的地方,机械装置模仿手搓的多维化有助于消除测试操作者的人为误差,值得进一步研究。使用测试系统与离子测定仪相结合的方法将会促进测试标准的早日形成。

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