抗静电整理

抗静电整理

10.1 引言

静电能引起许多纺织材料在加工中的问题，尤其是那些疏水合成纤维。在大多数干态纺织品加工过程中，纤维和织物在不同的表面快速移动，会通过摩擦力产生静电荷。这些电荷会引起纤维和纱线相互排斥，导致浮起。织物和非织造也受电荷的影响，产生材料操作的问题。消费者很在意衣服的贴身，以及在低湿条件下，走在地毯上产生的轻微电击。静电放电会损坏电脑和其他电子设备。许多纺织品的安全要求包括抗静电限制在一个定义的相对湿度内（从65%到25%）。

许多纺织纤维不能导电，它们被分类为绝缘材料，在干态时表现出绝缘性。无论两个表面什么时候接触，电子都能从一个表面移动到另一个表面。当两个表面分开时，导电材料允许电子立即移动至平衡。另一方面，绝缘材料在某段时间能够保留电荷的不同。不需要通过摩擦来产生不同的额电荷，但是摩擦往往会大大增加电荷的数量。摩擦起电就是通过摩擦力的作用来产生电荷。纤维可以根据摩擦带电序列排序，在这个序列中，每类纤维与其下一类纤维摩擦时，都会产生电荷。表10.1中列出了典型的序列。

表10.1 纺织纤维摩擦带电序列

纤维类型

失去电子带正电玻璃

羊毛

尼龙6

尼龙66

人造纤维

棉

醋酸

大麻纤维

丝绸

聚酯纤维

丙烯酸，变性聚丙烯腈

聚乙烯，聚丙烯

得到电子带负电聚四氟乙烯

如果涤纶和羊毛接触再分开，那么涤纶带负电，羊毛带正电。然而，涤纶和聚乙烯纤维接触再分开，那么涤纶带正电，聚乙烯带负电。在这个序列中，距离越远的纤维，接触后带的电量就越多。当两种纤维电荷不同，达到在空气中放电

的可能（～3×106V m-1）时，电荷释放电火花，伴随着光和声音。腈纶羊毛与棉T恤接触时会听见劈啪声，走过地毯去碰金属门的把手时能看见火花，这些都是放电现象。由摩擦引起的纤维电荷受到自然界中机械接触、摩擦带电序列中纤维的排列、环境中的湿度、以及纤维表面存在还是缺少水分的影响。电荷和放电行为在静电纺纱过程和静电植绒，如植绒印花中至关重要。

所有的合成纤维从纺丝头出来以后要经过油剂短暂的处理。纺丝油剂含有润滑油和其他的祖份，包括抗静电剂。没有这些整理，现代纤维加工中的高速运行就不可能实现。在纺纱、针织、机织与非织造的化学加工过程也需要抗静电剂。已经达到它们的目的，所以在织物准备过程中机会去掉这些加工过程。非耐久性抗静电也应用到技术纤维中，而且不能够水洗。例如纤维过滤器、输送导带、运输带、安全带。

尽管在印染整理后，抗静电整理更普遍运用于疏水纤维，但是棉织物、人造丝和羊毛基于某些特定需要也会进行抗静电整理。抗静电整理的纺织品包括机房的地毯、室内装潢织物、汽车的充气安全带、输送导带、过滤用织物、航空袋、降落伞、手术用织物、以及用于可燃性气体、液体和固体工作环境中的防护服。

10.2 抗静电整理机理

抗静电整理的主要机理是增加纤维表面的导电性以及通过润滑减少摩擦力。表面电阻率定义为物质的材料特性，它的值等于电压梯度与电流密度之比。电阻率影响纤维的电流量。增加导电性会产生一个低的电荷累积和更快速的逸散，而增加的平滑性会降低最初的电荷累积。

抗静电整理剂就是增加纤维表面导电性从而在纤维表面形成一个中间过度层。这一层非常吸湿。增加的水份含量导致更高的导电性。对于增加的导电性来说，表面的移动离子非常重要。在实际应用中，吸湿的抗静电整理的有效性很大程度上取决于周围空气的湿度；低的湿度会导致低的导电性和静电中更大的问题。

大多数非聚合物抗静电整理也是表面活性剂，能够在纤维的表面以特殊的方式排列。分子中的疏水结构作为润滑剂减少电荷累积。与阳离子柔软剂类似，阳离子抗静电表面活性剂与疏水基团排成一排，离开纤维表面。来自阴离子和非离

子表面活性剂的主要抗静电效果通过移动离子以及围绕在亲水部分的分子的水化层增加导电性，因为这些材料的表面取向把水化层置于空气界面。

10.3 抗静电整理化学

10.3.1 非耐久性整理

抗静电整理包括耐久性和非耐久性两种效果。非耐久性抗静电剂更适于纱线和纤维的加工整理，因为易于去除这个原因。其它纺丝整理和纤维润滑的重要要求是耐热性和油溶性。大部分吸湿材料的基团包括表面活性剂、有机盐、乙二醇、聚乙二醇、聚电解质、脂肪烷基链第四代季铵盐、聚氧化乙烯化合物以及烷基有机磷酸酯盐。非耐久性抗静电剂的一般要求是低挥发、低可燃性、不变黄、不腐蚀。也希望有低的起泡性。

磷酸酯形成非耐久性抗静电剂的最大基团。烷基通常来源于脂肪酸。乙氧基脂肪醇也可以形成酯。这些磷酸酯的耐久性随着分子大小而增加。第四代季铵化合物是第二大非耐久性基团。用途最广的是二牛油基二甲基氯化铵和双氢化牛油基二甲基氯化铵。这些是洗涤和干洗应用消费者柔软剂中最常见的组分。像许多其它的阳离子材料，阳离子抗静电剂对纺织纤维有亲和力，而且可以用于浸渍加工。最后一组非耐久性抗静电剂的基团是由乙氧基脂肪酯，醇和烷基胺这样的非离子化合物组成。阳离子和非离子抗静电剂混合得到合成抗静电剂性能。非离子抗静电剂提供不断增加的吸湿，阳离子抗静电剂提供带相反电荷离子的移动。10.3.2 耐久性抗静电剂

从一种单一的整理应用中获得能够耐反复洗涤的抗静电性能是很困难的。主要的原理是形成含有亲水基团的交联聚合结构网。聚胺和聚乙二醇反应能够得到这样的结构。这些聚合物优先应用到织物上，或者浸压之后在纤维表面原位形成。有许多交联方法，图10.4列出了基于聚环氧化合物的一种方法。最终化合物的亲水量是不同的，根据个人要求而定。更大的亲水部分，越吸湿，获得的抗静电效果越大。然而，吸湿水平越高，聚合物表面柔软膜就越容易在洗涤过程中因为摩擦而去除。更高的交联度将减少吸湿和溶胀，但是抗静电效果下降。除此以外，交联亲水聚合物的困难还包括释放污物和污物再沉积的干扰。因为难以实现预期性能的平衡，耐久性抗静电整理剂的使用受到限制。其它在文献中描述的耐久性抗静电剂包括多羟多胺类化合物或者聚烷乙烯和聚丙烯的共聚物。

10.4 导电纤维

一些导电纤维的制作方法：在挤压之前，分散碳粒子或者其他聚合物熔体中的抗静电剂；在纤维表面寄存碳或金属涂层；共聚亲水单体；用不锈钢，铝或者其它金属制造纤维。优秀的静电耐用控制是通过在纺丝、针织、机织过程中将这些纤维制成织物来获得的，这些导电纤维的外观通常是黑色的或是金属的，而且在大多数纺织品中可见，尽管使用率较低（0.2%-2%）。这些缺点限制了导电纤维在工业织物、专业服装以及地毯上的应用。

10.5 抗静电整理评价

所有抗静电整理的实验评价都应该在温度和相对湿度都受到严格控制的环境中进行。相对湿度带抗静电效果有很大的影响，因为纤维的电阻率取决于水分含量。相对湿度越高，水分含量越高，电阻率越低。抗静电测试方法分为3大类，测试附着时间、电阻率或者电压和电荷作为半衰期时间。

抗静电整理评价最简单的方法可能是灰烬测试。将待评价的一块织物在塑料或橡胶上快速摩擦，然后将织物置于留有烟灰的烟灰缸上方。转移到织物上的灰烬数量就是织物上的电荷量。因为很难定量测试，所以这种测试方法主要是定性地区别经过抗静电处理的织物与未经整理的织物。

在与电荷累积相同的原理上，更多的定量测试收录在AATCC测试方法115中：‘织物的静电吸附：金属试验又称为吸附试验。’将重复摩擦从而带电的织物放置在接地的金属盘旁，剩余的电荷会将织物吸附到金属盘上。测试织物离开金属盘需要的时间。吸附时间越短，抗静电性能越好。然而，织物与金属的吸附时间与织物和人体的吸附时间没有直接关系。

AATCC试验方法76：用织物的电阻来测量织物表面的电阻。用电压下将穿透环形电极系统来测试织物电阻率（单位是Ω/m2）。1011Ω/m2的电阻率或者更低的电阻率表明织物有微不足道的静电产生倾向。全国防火协会已经把1011Ω/m2的电阻率定义为用于内有可燃麻醉气体的手术室纺织用品。表10.2列出了相对湿度为65%，经过整理的织物与其对应的表面电阻率的实际使用情况。

表10.2 表面电阻和抗静电纺织品整理的实际应用

表面电阻范围（Ω）a 评价

1×106-1×108 很好

1×108-1×109 好

1×109-1×1010 满意

1×1010-5×1010 有限制

>5×1010 不足

表面电阻率不难测得，它是由环形电极决定的，但是因为不同的原因受到限制。例如，它是在静电测试的基础上，但是关于纺织品重要的带电和放电现象无据可依。因此，将它与电荷逸散试验结合时非常好的。

静态电压计测试电荷逸散。织物样本垂直固定，带上直流电或与玻璃棒摩擦。静态电压计产生最大的电荷与电荷衰减。电荷下降到一半所需要的时间，记录下最大值（电场强度半衰期）。表10.3显示半衰期越短，抗静电性能越好。

表10.3 电场强度半衰期时间和抗静电纺织品整理的实际应用

电场强度半衰期（s）a 评价

0-0.3很好

0.3-1好

1-2满意

2-3足够

>3 不足AATCC试验方法134是地毯产生电荷测试地毯的静电产生倾向。测试一个穿着标准氯丁橡胶鞋垫或皮革鞋垫的人走过地毯产生的人体电压。30-60S之后记录下最大值。电压越低，抗静电性能越好。

10.6 抗静电整理问题解析及特征

大多数抗静电整理性能取决于纤维的种类，有时也取决于织物种类。尽管羊毛是亲水纤维，羊毛织物通过羊毛鳞片间的摩擦会产生大量电荷。

当抗静电整理应用到织物上时，最佳的性能就是应用在制服中，建议在整理的配方中加入润湿剂。加上轧-喷-滚工序更好。阳离子抗静电剂适用于浸渍工序。喷雾和泡沫工序使得加上低的附加值（几乎占纤维重量百分之一或百分之几）。

附加值相同，但是轧车工序产生的效果不如泡沫工序。这很可能是由泡沫工序使得纤维表面抗静电整理剂的浓度过高导致的。另一方面，轧车整理的耐久性更强。

抗静电整理潜在的负面效果包括穿着舒适（不吸附，以及由亲水性引起的令人满意的皮肤接触），去污性能，随干污增加污渍，暴晒后黄变，受损的由分散染料印染的纺织品摩擦牢度。反复洗涤，甚至是在40℃中，抗静电整理的永久效果是受到限制的，因为洗涤过程中的机械力大大降低了抗静电性能。所以，抗静电整理的洗涤和耐磨损是至关重要的。

基于交联聚胺和聚乙二醇的永久性抗静电剂需要碱性催化剂。因此，需要酸性催化的一个浴结合整理事很难的，但不是不可能的。例如，酸性催化整理是免烫和耐久压烫整理，耐亲水有机硅柔软整理和弹性整理，还有氟碳基防护和一些阻燃整理。一个双浴工序，首先是免烫整理，其次是表面抗静电整理能产生很好的整理效果。