纺织品静电现象及抗静电整理剂应用yd17310

刘建平常州纺织服装职业技术学院，江苏常州213164

投稿日期：2013-08-22

作者简介：刘建平(1964-)，男，江苏常州人，副教授，主要从事染整助剂的教学、科研与服务等方面的工作。

原载：染整技术2014/4；9-14

【摘要】介绍了纺织纤维的静电现象及静电常数，指出了物质结构与静电常数的关系，从而设计纺织品抗静电剂的分子结构，并对纺织品抗静电性能进行测试。

【关键词】纺织品；静电现象；抗静电整理剂；应用；测试

【中图分类号】TS 195.28 文献标识码：A 文章编号：1005-9350(2014)04-0009-06

纺织品在生产加工和使用中易因摩擦和感应产生静电，而常规纤维材料的电阻率均在10¹⁰Ώ 以上，所产生的电荷不易逸散。纤维素纤维加工中静电现象尚不明显，蛋白质纤维的静电干扰较严重；毛纤维虽然有较高的平衡回潮率，但其质量比电阻在天然纤维中最高；回潮率普遍较低的合成纤维的电阻率高达10¹⁴ Ώ，电荷积聚现象更加严重。纺织品上产生的静电对其生产及使用都会带来很大的影响，甚至会带来危险。例如，在烘干后，织物含水率降低，不易导出静电，常被吸附在金属机件上，发生紊乱缠绕现象。同一种织物由于所带电荷相同，发生互斥，使落布不易折叠整齐，影响下道加工。操作工的手和带电荷的干布接触时常受到电击，带静电的服装易吸附尘埃而污染，服用衣物带静电后会发生畸态变形。如裙子粘在袜子上，外衣紧贴在内衣上等，并可引起血液值上升，血液中钙含量降低、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达到3 000 V以上、外衣静电电位达到8 000 V以上。较高的静电压可能对人体产生电击，还可能引起电子元件损坏，静电放电可能引起炸药和电火工品的意外爆炸，产生的电磁辐射会对各种电子设备、信息系统造成电磁干扰，所以对纺织品进行抗静电整理很有必要。

所谓静电现象是指不同纤维材料之间或纤维与其他材料之间由于接触和摩擦作用产生电荷积聚的现象。一般来说，任何2个物体表面的相互接触和摩擦都会产生静电。

1 纺织纤维静电

1.1 纤维静电常数

1.1.1 纤维比电阻

(1)体积比电阻ρ_v是指单位长度上所施加的电压，相对于单位截面上所流过的电流I之比，其值是电阻率，单位Q·cm。

ρ_v=	U/L	=R·	S
	I/S		L

(2)表面比电阻Ps，纤维柔软细长，体积或截面积难以测量，而通常纤维导电主要发生在表面，因此，采用表面比电阻Ps 表达。是单位长度上的电压(U／L)与单位宽度上流过的电流(I／H)之比，单位欧姆Ώ。

ρ_s=	U/L	=R·	H
	I/H		L

(3)质量比电阻ρ_m，考虑纤维材料比电阻测量的方便，引入质量比电阻ρ_m 概念，即单位长度上的电压(U／L)与单位线密度纤维上流过的电流[I／(W／L)]之比，单位欧姆·克／厘米² (Ώ·g／cm² )。

ρ_m=	U/L	=R·	W	=γ·ρ
	I/(W/L)		L²

1.1.2 半衰期

半衰期是衡量织物上静电衰减速度大小的物理量，表示织物上的静电荷衰减到原始数值一半所需的时间，单位为秒(S)，一些织物表面比电阻与电荷半衰期的关系如表1。

表1 一些织物表面比电阻与电荷半衰期的关系

1.1.3 静电压U

纺织品相互摩擦或与其他物品摩擦以后，摩擦起电或泄电达到平衡时的电压值，单位为伏特(V)。

1.1.4 介电常数ε

介电常数又叫介质常数、介电系数或电容率，是表示绝缘能力特性的一个系数，以字母ε表示，单位为法／米。

1.1与相对介电常数εr (relative dielectric constant)

定义为 ε／ε₀，其中，ε₀为真空介电常数，是无量纲量。在化工中一般使用相对介电常数来表征电介质或绝缘材料电性能。一般化工文献中，往往使用“介电常数”代替“相对介电常数”。相对介电常数εr，

可以用如下方式测量：首先在其2块极板之间为空气时测试电容器的电容C₀，然后，用同样的电容极板间距但在极板问加入电介质后测得电容C，则相对介电常数可以用下式计算：

Εr=	C
	C₀

1.2 纺织纤维的静电电位序列

2物体表面的电荷特性取决于电子流和摩擦电序列，常用纺织纤维的电序列如表2所示。

表2 常用纺织纤维的电序列

当2种纤维织物相互摩擦后分开时，介电常数sr，大的取正电荷，小的取负电荷，即在电序列中靠左边的纤维带正电，而靠右边的纤维带等量负电。如棉与涤纶摩擦，棉一般带正电，涤纶带负电。而棉与蚕丝摩擦时，则棉带负电，蚕丝带正电。

1.3 高分子化合物中基团对静电的作用

研究表明，高分子化合物化学结构中，极性基团对静电性能的影响最为显著，例如PE(聚乙烯)、PP(聚丙烯)、PS(聚苯乙烯)等不具极性基团或只具有少量极性基团的高聚物，要比具有极性基团的高聚物(聚酰胺、纤维素衍生物、酚醛树脂等)更易产生

静电。各种基团对抗静电作用的贡献列于表3中。

表3 各种基团对抗静电作用的贡献

涤纶是当前应用最广泛的1种合成纤维，具有强度高、弹性好、刚性大等优越的物理机械性能及耐酸、耐腐蚀性的化学性能，但涤纶分子间由共价键结合，既不能电离，也不能传递电子，容易产生和积聚电荷，再加上涤纶纤维中极性基团很少，疏水性大。因此，电荷散逸困难，很容易引起电荷积聚。经测试，在相同条件下，纤维产生静电的次序是涤纶>维纶>锦纶>腈纶>蚕丝>羊毛>粘胶>棉。

1.4 影响纤维带电量的因素

影响纤维带电量的因素很多，但主要取决于纤维的吸湿性和空气的相对湿度及摩擦条件。纤维的亲水性越好，吸湿越多，带电量越低。因为纤维表面及微毛细管中容易形成表面水膜或纤维中的水脉，有利

于电子或离子的泄逸。天然纤维如棉、毛、丝、麻等吸湿性较高，电阻较低，静电现象并不严重，而合成纤维由于吸湿性较低、结晶度较高等易产生静电。

空气的相对湿度越低，纤维的吸湿率越低，即使是亲水性纤维，也由于回潮率低而易产生静电。因为即使是亲水性纤维，在绝对干燥的情况下也是绝缘体。

纤维表面越粗糙，摩擦系数越大，接触点越多，越容易产生静电。2物体表面的相对摩擦速度越快，则点接触的几率越大，电荷密度越大，电位差也越高。摩擦时，纤维间的压力越大，则摩擦面积越大，带电量也越大。温度对纤维材料的静电量也有影响，温度升高，电阻下降，带电量减少。

1.5 消除纤维静电现象的主要措施

(1)适当提高空气的相对湿度； (2)使用抗静电剂； (3)采用不同纤维混纺； (4)增加纤维导电性或采用导电纤维； (5)加工机械的接地与尖端放电。

2 抗静电整理剂及其应用

赋予纺织品抗静电性能的方法有很多，使用抗静电剂是其中一种比较简单的方法。所谓抗静电剂(antistatic agent)是指能降低高分子材料表面或体积电阻率的物质。

2.1 抗静电剂的作用机理

2.1.1 降低纤维间摩擦系数

抗静电剂赋予材料表面一定的润滑性，降低其摩擦系数，抑制或减少静电荷的产生。

2.1.2 提高纤维的吸湿性

用具有亲水性的非离子表面活性剂或高分子物质进行整理。水具有相当高的导电性，所以只要吸收少量的水，就能明显地改善聚合物材料的导电性。因此，抗静电整理的作用主要是吸收空气中的水，形成导电通道，使静电荷迅速泄漏，降低表面电阻率，减少静电现象。表面活性剂的抗静电作用是由于能在纤维表面形成吸附层，在吸附层中，表面活性剂的疏水端与疏水性纤维相吸引，而极性端则指向外侧，使纤维表面亲水性加强，因而容易因空气相对湿度的提高而在纤维表面形成水的吸附层，使纤维表面比电阻降低。但这类整理剂会因空气中湿度的降低而影响其抗静电性能。

2.1.3 使纤维表面离子化

用离子型表面活性剂或离子型高分子物质进行整理。这类整理剂因纤维表层含水发生电离，具有导电性，从而能降低其静电积聚。这种整理剂也具有吸水性，因此，抗静电能力与其吸湿能力及空气中的相对湿度有关。

2.2 抗静电整理剂的分类

2.2.1 非耐久性抗静电整理剂

非耐久性抗静电整理剂对纤维的亲和力小，不耐洗涤，常用于合成纤维的纺丝油剂以及不常洗涤织物的非耐久性抗静电整理。这一类整理剂主要是表面活性剂。

2.2.1.1 阴离子型表面活性剂

阴离子型表面活性剂中烷基磺酸钠、烷基苯磺酸钠、烷基硫酸酯、烷基苯酚聚氧乙烯醚硫酸酯和烷基磷酸酯都有抗静电作用，而以烷基磷酸酯和烷基苯酚聚氧乙烯醚硫酸酯的效果最好。在合纤纺丝油剂中常使用烷基磷酸酯，在浓度低时就有很好的抗静电作用。国产的抗静电剂P即为磷酸酯的二乙醇胺盐：

由于阴离子表面活性剂在纤维表面定向吸附，它的亲油性基团朝向纤维表面，而亲水性基团朝向空气，后者能与水缔合，从而改善表面电导率，迅速泄漏电荷，达到抗静电效果。

2.2.1.2 阳离子性表面活性剂

一般是季铵盐类，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、平滑性和抗静电性，因此既是抗静电剂，又是柔软剂，并且具有一定的耐洗性。阳离子表面活性剂带有正电荷，而大多数纤维表面带有负电荷，由于相反电荷中和，抗静电效果比阴离子型和非离子型好。此外，还能在纤维表面形成憎水性油膜，降低纤维的摩擦系数，显示出柔软平滑效果。以季铵盐为例，由亲水基团和疏水基团组成，疏水基结构与阴离子表面活性剂相似，与亲水基的连接方式也很类似，即除亲水基直接连在疏水链上外，往往还通过酯、醚、酰胺等形式连接。但溶于水时，其亲水基呈正电荷(其亲水基团主要为碱性氮原子，也有磷、硫、碘等)。由于其极强的吸附能力，容易在基体表面形成亲油性膜及产生阳电性，故广泛用作纺织品的柔软剂、抗静电剂等(前者是由于亲油性膜的形成而使纺织品有憎水作用，以及能显著降低纤维表面的静摩擦系数，从而使纤维具有良好的平滑性，而后者则是阳电性作用的表现)。对于通常带有负电荷的纺织品来讲，其吸附能力比阴离子和非离子强。正是这种特殊性质决定了阳离子表面活性剂在抗静电领域的特殊价值。

2.2.1.3 两性表面活性剂

两性表面活性剂是一类优良的抗静电剂。其中，氨基酸型、甜菜碱型、咪唑啉型都可作为抗静电剂。每一类型中的阴离子部分可以是羧酸，也可以是硫酸基或磺酸基。其中，氨基酸型及咪唑啉型在pH低于其等电点时呈阳荷性，高于等电点时为阴荷性。而甜菜碱型在pH低于等电点时呈阳荷性，高于等电点时则成“内盐”而不表现阴离子性。如阴离子为磺酸盐或硫酸盐时，因季铵碱的碱强度与阴离子的酸强度相当，其“内盐”呈中性，在任何pH下都处于电离状态。

氨基酸型甜菜碱型咪唑啉型

与阳离子表面活性剂一样，两性表面活性剂上的取代基，如烷基的碳原子数、阴离子基团及其碳原子数都会影响抗静电性能。例如咪唑啉型中，带磺酸基的效果较好。同样，两性表面话性剂的抗静电性能也与相对湿度有关，相对湿度高，抗静电性好。阴、阳、两性抗静电剂都是在材料表面形成吸附层，经摩擦也会被破坏，耐磨性能较差。

2.2.1.4 非离子型表面活性剂

这一类整理剂具有亲水性基团如-0H、-CONH，和聚醚基等，包括多元醇类和聚氧乙烯醚类。非离子表面活性剂的抗静电性能比离子型表面活性剂差。抗静电作用是由于吸附在纤维表面形成吸附层，使纤维与摩擦物体的表面距离增加，减少了纤维表面的摩擦，使起电量降低；另外，非离子表面活性剂中的羟基或氧乙烯基能与水形成氢键，增加了纤维表面的吸湿能力，因含水量的提高而降低纤维表面电阻，从而使静电易于泄漏。同样，非离子抗静电剂的效果与相对湿度关系很大，湿度大时，效果增加。非离子型抗静电剂的耐洗性和耐磨性比离子型抗静电剂更差，常与离子型表面活性剂拼用，兼有润湿、乳化、柔软和抗静电作用。

2.2.1.5 有机氟表面活性剂、氟硅表面活性剂

有机氟表面活性剂是具有氟代烃基团的表面活性剂，抗静电性能比烃类化合物好得多，但价格昂贵。氟硅表面活性剂是最近研究的新抗静电剂，具有表面张力低、耐热、耐化学品、憎油、润滑性好等特点。非耐久性抗静电整理剂加工的一般工艺流程为：浸轧抗静电整理剂(一浸一轧或二浸二轧，5～20 g/L)→烘干(100～130℃)。

2.2.2 耐久性抗静电整理剂

此类整理剂在织物上具有较好的耐久性，能耐20次以上洗涤。

2.2.2.1 高分子质量非离子型抗静电整理剂

聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚氧乙烯的嵌段共聚物：这一类整理剂是染整加工中经常采用的抗静电剂，具有与涤纶相似的化学结构：

进入聚酯的微软化纤维表面时，与聚酯大分子产生共结晶作用而固着在涤纶上，以获得耐久性。整理剂分子中的聚氧乙烯基团使涤纶具有一定的亲水性能而具有抗静电作用。整理工艺流程为：浸轧整理剂→烘干→高温处理(180～190℃ ，30 S)。高温处理的目的是促进共结晶作用，并可与热定型同时进行。

聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚氧乙烯的嵌段共聚物：这一类整理剂亦具有与涤纶相似的酯基，同属疏水基结合，其羧酸基定向排列，赋予织物表面亲水性而具有导电性。

其整理工艺为：浸轧整理剂→烘干→焙烘。

2.2.2.2 交联成膜的抗静电整理剂

这一类整理剂通过交联成膜作用在纤维表面形成不溶性的聚合物导电层，如含聚氧乙烯基团的多羟多胺类化合物。国产抗静电剂XFZ-03就是由多乙烯多胺与聚乙二醇反应而得，其结构如下：

其中，羟基和氨基能与多官能团交联剂反应，生成线性或三维空间网状结构的不溶性高聚物薄膜，以提高耐洗性能。所用的交联剂可以是在酸性条件下反应的2D树脂或六羟甲基三聚氰胺树脂，也可以是在碱性条件下反应的三甲氧基丙酰三嗪，抗静电性由聚醚的亲水性产生。

测定纤维和纺织品静电性能的方法有很多，主要按表征静电性能的参数来分类，主要有带电量、比电阻、静电电压及半衰期、电荷面密度等，具体见GB/T 12703-1991《纺织品静电测试方法》，其中比较常用的是比电阻和半衰期。

3 织物比电阻的测定

纺织品的导电性能常用比电阻来表示，比电阻是间接考核纺织品静电效果的一种方法，与静电衰减速度有直接关系。导电性能好的材料，比电阻低，则静电衰减速率快，即使带静电量大，静电效应也不显著；反之，即使带静电量不大，但若比电阻高，静电衰减速率慢，也会产生静电干扰。所以，比电阻是决定静电衰减速率的主要因素。常用比电阻来表征材料的抗静电性能。

织物比电阻率常用表面比电阻(ρ_s)和体积比电阻(ρ_v)表示，可采用通用的仪器进行测量。固体板材、薄膜、织物及其他绝缘材料的电阻率可按GB 1410-78，用同轴三电极系统来测定。测量系统见.图1

图1 同轴三电极系统

下电极接地，电源接在环形电极上，流过试样的电流经下电极接地。流过试样环形表面的电流I，经测量电极和放大器进入测量仪表。若测量电极与下

电极问的电压为U，则：

其中：D为环形电极的内径，5.4 cm；d为上电极外径，5.0 cm。代人上式，则ρ_s =81.64Rs。另外，还可测量在一定尺寸和形状下织物的体积比电阻ρ_v，如材料的面积为S，厚度(即两电极之间的距离)为h，则体积比电阻为 ρ_v=S／h=R_v。用图1的系统测定时，上电极面积为：S=πd²/4=19.635 cm²。在上电极与环形电极之间加上直流电压，测量两电极间通过的电流，可按下式计算ρ_v。

ρ_v=	S	×	U	=	19.635	R_v
	h		I		h

因此，可以根据电阻率的大小来判断织物的抗静电效果。一般电阻率ρ_v <10 ⁹Ώ·cm，抗静电效果良好；P < 10¹⁰Ώ·cm，抗静电效果一般；而ρ_v =10¹⁰^～12Ώ·cm，抗静电效果差；ρ_v>10¹³ Ώ·cm，为易产生静电的物质。

4 半衰期的测定

半衰期法的测定原理是使被测试样在高压静电场中带电至稳定后，断开高压电源，使其通过接地金属台自然衰减，测定电压衰减为初始值1／2所需的时间(t_l_／2)，测量参照GB／T 12703-91，测量仪器为电晕放电式静电测试仪，如图2。

-样品；2-转动平台；3-针电极；4-感应电极；

5-电机；6-高压直流电源；7-放大器；8-示波器

图2 电晕放电式静电测试仪

测试方法：试样先在给定的测试温湿度条件下平衡24 h。测量时，试样夹在圆盘上，以角速度ω旋转。根据需要加上0.1～10 kV的高压，使电晕针(直径约20µm的钨丝)产生高压直流电，使试样带电。圆盘的另外一端装着测量探头，当试样转到测量探头时，试样上所带电荷即通过测量探头经放大器进入示波器或记录仪，显示出一组脉冲电压波形，从图形就可求得t_1/2。

5 抗静电整理剂应用试验

用高分子化合物制成的大多数合成纤维，由于在分子结构上缺少亲水性基团，几乎都是疏水性和不导电的。在加工和使用过程中，由于摩擦而产生严重的静电现象，因此，在合成纤维的生产和加工过程中，最常用的是后加工法，即采用抗静电剂对纤维进行表面抗静电处理，因此也叫表面处理法。

抗静电剂FK-311是一种阳离子型高聚物，以此抗静电剂和市售普通抗静电剂A进行对比试验，考察其抗静电性能、应用条件、吸湿性等。

5.1 整理工艺

涤纶织物浸轧工作液(抗静电剂30 g／L，一浸一轧，带液率50％～60％)→烘干(105℃，3min)→焙烘(180℃，2min)→放置1 h后测试抗静电性能。

5.2 测试方法

抗静电性：按FZ／T 01042-1996测试，测试仪器为YG342D型感应式静电测试仪(山东纺织研究所)，温度20℃；相对湿度30％、40％。耐洗性：按GB／T 3921.3-1997测试。

回潮率=(m₁／m₀-1)×100％，其中：m₀为试样的绝对干重；m₁为试样在一定温湿度条件下平衡24 h后的质量。

5.3 结果及讨论

5.3.1 FK-311用量

表4数据表明，经抗静电剂FK-311处理后的织物与原布相比，静电压与半衰期均明显降低，具有很好的抗静电性能；经过10次及20次水洗后，仍能保持良好的抗静电性，说明具有很好的耐洗性能。抗静电剂FK-311为阳离子型高聚物，能被疏水性纤维定向吸附，其亲水基处于纤维表层，形成吸湿性和离子性的薄膜，有利于静电荷的迅速逸散，达到抗静电效果。

表4 采取不同用量FK一31 1的织物抗静电性能及耐洗性能

注：相对湿度40％，HLn表示洗涤n次。

5.3.2 湿度

由表5可见，当相对湿度为40％时，2种抗静电剂的抗静电性都很好；而当相对湿度下降为30％时，经抗静电剂A整理的织物，抗静电性已基本丧失，而经抗静电剂FK-311整理的织物仍保持了一定的抗静电性。由此可见，抗静电剂FK-311具有较宽

的相对湿度适用范围，首先源于其具有较强的吸湿、保湿能力；其次，它能在纤维表面形成离子性的薄膜，加速电荷的逸散，增加织物的导电能力。

表5 不同湿度下织物抗静电性的变化

5.3.3 回潮率

由表6可见，经整理后的织物与原布相比，回潮率有明显提高，表明其吸湿能力大大提高，增加了织物的导电能力。而对比2种抗静电剂，经抗静电剂FK-311整理的织物回潮率更大，尤其在较低的相对湿度(30％)下仍能保持较大的回潮率，为织物保持抗静电性提供了可能。相比之下，经抗静电剂A整理的织物在相对湿度下降之后，回潮率显著降低。

表6 经2种抗静电剂整理后织物的回潮率

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