（材料学专业论文）含有机导电纤维纺织品抗静电性能与抗静电机理的研究.pdf

孺璺 捅璺 含有机导电纾维纺织晶因毒优受纛持久转抗静电效果和好的性价比焉得到 广泛的应用，导电纤维与基布电学性能完全不同，会引起织物表面电位不均匀分 布，蜀部电位的不均匀分布状况囊接影响织物的抗静电效果，所以瘦捡涮含导电 纤维纺织品的微观电位分布及其变化过程。但是，现有的静电测量仪器仅限于检 测较大区域的平均电位，两不能赢接测量样品豹宅位分布 青况；并萎e i 馒是梭测 纺织品静电特性的大多数仪器也不适合于检测含导电纤维纺织品的抗静电性能。 本文研嗣了适合检测含导电纤维纺织鼎抗静电性能的l ： 物静电电位分布测 量仪，仪器非线性误差小，可靠性高。织物静电电位分布测量仪采用小探头和屏 蔽技术，可对含等电纤维纺织品驰静电电位分布进行自动扫摇测量，并可以实现 对摩擦起电及电荷衰减全过程的检测。填补了国内外没有适台含导电纤维纺织品 静电流鲎仪器的空自。 从电阻率和导电成分以及结构3 个方面设计了1 4 种导电纤维，并利用其中 有代表l 生的导毫纤维，分别控割慕布材料、导电纤维嵌织闷距和电隘率等因素， 从而设计出一系列样品。利用电荷面密度法、e s t 一7 型静电测量仪和静电电位分 布测量仪对样品进行了大量的检测。发现毫荷面密度法等传统方法对含导电纤维 纺织品的抗静电性能检测的灵敏度和一致性差，甚至反映不出各种样品静电性能 的差异。e s t _ 7 型静电钡9 蠹仪对大面积上平均电位的衰减特性检测效果较好，僵 仍反映不出静电分布的细节。静电电位分布测量仪可有效地测量出含导电纤维纺 织品静宅分布的细节，并酋次得到了该类纺织品摩擦电位正弦分布规律和典型的 摩擦起电及其衰减全过程的曲线。并建立了相应的电位分布模型，该模型可以对 静电电位的空间分布情况进行预测。 分析静电电位分布测量仪和e s t 一7 型静电测量仪的测量数据，建立了含导电 纤维纺织品摩擦结束瞬间平均静电压与导电纤维电阻率及其嵌织间距的理论模 型，模型能很好的预测该类纺织品静电性能，为该类抗静电纺织品的设计提供了 理论参考依据。 在大量实验的基础上发现了不问检测仪器方法的差异、静电标准与静电的控 制防护实际诸多不相符合的地方，并提出了改进方案。指出对纺织品静电特性检 测与评价以及执行静电标准应该从大面积平均和局部静电特性两方蕊去把握，其 北京工业大学工学硬士学位论文 中应该包括摩擦结束瞬间平均疑大值、峰值电位、半衰期和测量仪器要从保证不 放电不影响原电场以及穿着的真实状态下测量纺织龉静彀特性。 关键谰导电纤维；挠静电；电位分布；蜂毽电镀；半衰联 h a b s l m o l a bs t r a c t 强x t i l e se m b e 甜i n go 耀强i ee l e c 桎。一c o n 幽c 百v e 蠡b e rg e te x 童e n s i v ea p p l i c a t i o n b e c a u s eo ft h e i r6 n el a s t i n ga n t i s t a t i ce f r e c t ，也ee l e c t r i c i t yp e r f o m l a n c eo ft h e c o n d u c t i v e 硒e ri sc o m p l e t e 矽d i & r e n t 如芏n 也a to f 程1 eb a s ec i o 赴c a nm 敏et h e d i s t r i b u t i o no ff 曲r i cs u r f a c ed o t e n t i a lo fa l e a sd i 恐r e n t f 如r i ca n t i e l e c t r o s t a t i ce i i ! f 龟c t i sc l o s e l yr e l a t e dt o 吐圮l o c a lp o t e n t i a ld i s t l b u t i o nc o n d i t i o 皿s ，s ot h ee h a n g ec o u r s eo f s t a t i cp o t e n t i a la n dt h ed i s t r i b u t i o no fc o n d u c t i v e 舶e rt e x t i i es h o u 王db em e a s u r e d b u te x i s t i n ge l e c 舰o s t a t i cm e a s u r ei n s t r u m e n t sc a no 工1 1 ym e a s u r et h ea v e m g ep o t e n t i a l o fg r e a t e ra r c a ，a n dc a nn o tb ed i r e c tt om e a s w e 也ep o e m 诚d i s t r i b u t i o no fs a 玎1 p l e s ； a n de v e ni ft h em o s ti n s 讥眦e n t sf o rt h ed e t e c t i o no fe l e c t r o s t a t i cp r o p e n yo f t e x t i l e s ，a r ea l s oi m p r o p e rf o r 也em e a s u r eo f 也ea n t i s t a t i cp r o p e r 移o fc o n d u c 矗v e f l b e rt e x t i l e s t h i sp 肄科h a sd e v e l o p e d 也ee l e c t r o 鼓8 圭i c p o t e n t 越d i s 扛i b u t i o nm e a s 确n g i n s t r u m e mt h a ts u i t sd c t e c t i o nc o n d u c t i v ef i b e rt e x t i l ea n t i s t a t i cp r o p e r t y ，a n d i n s 扛u m e n th a sb e e nc a r e 懿垮c a l i b r a t e d b e c 卸s eo ft h el i t t l en o n l i n e a re r r o r ，m e i n s t n l m e n t s r e l i a b i l i t y i s h i g h e l e c t r o s t a t i c p o t e n t i a i d i s t r i b u t i o n m e a s u r i n g i n s t r u m e n ta d o p 协s h i e l d i n gt e c h n o l o g ya n dl 诹l ep r o b et e c h n o l o g y ，c a ns c a n n i n g m e a s u r ec o n d u c t i v e 矗b e rt e x t i l ee l e c 拄o s t a t i cp o t e n t i a ld i s t r i b u t i o na u t o m a t i c 酊jy ，a 1 1 d c a nm o n i t o rm e 、v h o l ec o u r s eo f 也e 矗i c t i o ne l e c t r i 矗c a t i o na n dt h ea t t e n u a t i o no f e l e c 订主cc h a r g e h 1 ei n s t r u m e n th a s 蠡l l e d 协op r e s e n td o m e s 畦ca n di n t e r n 嘶o n 甜b l a n k t h a tm e r ei sn om e a s u r ei n s 仃u m e n t s u i tf o rt h em e a s u f eo ft 1 1 ec o n d u c t i v ef i b e rt e x t i l e e l e c 拄o s t a t i cp o t c 嚣重i a l 。 c o n s i d e r3f a c t o r ss u c ha sr e s i s t i v i t ya n dc o n d u c t i v ec o m p o s i t i o na sw e ua s s t 玑l c 奴蜡e 魏3 = v ed e s i g n e d1 4k = 醯d so f b d u c 矗v e 蠡b 舔c o 珏轻o l 也ef a c t o f ss u c ha s b a s ec l o t h ，s p a i la 1 1 dr e s i s t i v i t yr e s p e c t i v e l y ，a n dd e s i 辨as e r i e so fs 锄p l em a k i n gu s e o ft h e 辩p r e s e n t i v ec o n d u c t i v e 曲e r s h a v em e a s u r e dp i e n t vo fs 黜p l e sb y 也eu s e “ t 1 1 es u r f a c eo fe i e c t r i cc h a 礓ed e l l s i t ym l e ，e s t 一7t y p ee l e c 订o s t a 沁m e a s u r i n g i n s t r u m e n t sa n dt l ee l e c t m s t a t i cp o t e 埘a ld i s t r i b 吡i o nd e t e c t i o no fm e a s u r i n g i n s t n h n e n t d i s c o v e r 也a tt h es e n s i t i v 姆a 1 1 dm ec o h e r e n c eo ft h ed e t e c t i o no ft h e a n t i s t a t i cp r o p e r t yo ft e x t i l e se m b e d d i 王l go r g a n i ce l e c t r o - c o n d u c t i v ef i b er ，m a k m gu s e o f 缸a d i t i o n a lm g 斑o da n d 呈n 晰u m e n t s ，a r eb a d ，a n g 摄a tt h e yc a ne v e nn o td i s t 洫g u i s h t h ed i 船r e n c e so fa m i s t a t i cp r o p e r t yo fv a r i o u sf i b e rt e x t i l e s e s t - 7e l e c t r o s t a t i c m e a s u r i n gi n s 拄黼e b sc a 壬lm e a s u r ea v e r a g ep o t e l l 埴a lo fl a f g ea r e 8w e l l ，b u tc a nn o t t 北京工业大学工学硕士学位论文 r e f l e c t 也ed e t a i l so fe l e c 怕s 切矗cd i s 戚b u t i o n 翻e c 打o s t 撕cp o t _ t i a ld i s 砸b 砸o n m e a 幽gi n s 妞1 n l e n tc a n 芏n e a s u r e 也ed e t a i l s0 fe l e c 缸d s 扭d cd 主s 打i b u t i o ne 蚯c i c n n y o ft e 赋娃e s e m b e d l i i 培o r g a i l i ce l e c t r o c o 玎d 娃c t i v ef i b e r ，h a sg o t l 站np o t e i l d a l d i s 吼 u 怕nl a wo ft e 硪i l e se m b e d d i n gc o n d u c t i v e 曲e r ，a n d 啪i c a lc u r v eo f 心 埘l o l ec o u 鹅eo ft h e 撤c t i o ne l e c t r 蕊c 撕o n 趾dt 重l ea t t e n u a t i o no f 蘸ec _ 畦cc h a r g e f o r t h e 丘r s tt i m e a n dk l v ee s t 嗣【b l i s h e dp o t e n 矗a ld i s m b u t i o nm o d e l ，w l 矗c hc a l lf o r e c a s t n 糙s p a c ed i s 越b u t i c o n d 砸o no f e l e c t r o s 诅t i cp o 妞蠢a 1 a n a l y s ed a t a ，h a v ee s t a b l i s h e dt h e 也e o r e t i c a lm o d e l 也a t 也ea n t i s t a t i ce l e c 伍c i t y p e f f o 湘a n c eo fe m b e d d i n g 嘲硪n gf a b 蠢ci sd o s e 眵蹦a t e dt ot be m b e d 曲塔 m s t a l l c ea i l dm er e s i s t i v 姆o fc o n d u c t i v ef i l a m e n t s b yi n s p e c t i o 玛m em o d e lc a nb e v e r yg o o dt of o r e s e et h i sk i n do ft 【缸l e 戗c d o ne i e c 觚s 扭t i cp e r f b 锄翻c e i t 量l a s o 妊醯d 【l 揩o r e t i c a lr e f c r e 】1 c eb a s i sf o rt h ed e s i 辨o f 也i sk i n do f e l e c 仃o s t a t i ct e x t i l e o n 日1 ef o u n d a t i o no f p l e n t yo f 猷p e 曲e m s ，d i s c o v c r 也ed i s c r e p a n c yo f d i 羝f e i l t t e s 血培i n s 嘶e 玳a n dm da i l d 弼a te l e c t f o s t a t i cs t a n d a r dd on o tc o n f o 撇 e l e c 打o s 协d cp r o t e c t i c 咀r e a l i t y 、e n ，a i l dp mf o r w a r di m p r o v e m e ms c h e m e f o r 俄镒e 越e c 拄| ) s t a 矗c 掣铒斌yd e t e c t 圭o na n 矗珥 p 掰s e m e n t 强df 缸c a 啄n go 哦 c o n d u c t c de l c c 怕s t a _ t i cs t a n d a 工d ，t h e 锄a s s 删惯a g e 缸l d1 0 c a le l e c 打o s 觚cp r o p e r 哆 8 托b o 氇至玎1 p 讲锄t ，呈n c l 诋n ga v e r a g ep 时e 拄垃氆ep o t 酬龌o fp e a kv a l u ea 硅d m f - 1 诧枷t h 砒也e r ei s n od i s c h a r g ew h e nm c a s u r ei s h 印p c n j n g ，a n d 协a t i n s 胁e n td o e sn o t 越琵do r i g i n 啦e l e a 打i c 矗d d ，a sw e ha sm e a s 瑚er e s 堪tc a n 曲娃y r e n e c t i o nt e ) ( t i l ee l e c t r o s t a t i cp r o p e r t yi nd r e s s i n gs 诅t e k e yw o r d se l e c 怕一c o n d u 嘶v e 舳e r s ；a n t i - s 协t i ce l e c n i c 埘；p o t 锄a 1d i s m b u t i o n ； t 埝p o t e b t i 甜o f p 献v a l u e ；h a l 1 漉 独创性声明 本人声暖掰里交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取褥韵研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的礤究成果，瞧不包含为获得北京工业大学或其它教育机褥 的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了瞬确的说明著表示了谢意。 签名：迸日期：z ! t 够 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工舭大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名 目期：塑堕“ 第l 章绪论 1 1 静电及其危害 第1 章绪论 摩擦起电机理现在为普遍认同的是双电层和接触电位差理论。两种物质接触 时，界而两侧会出现大小相等、符号相反的两层电荷。这两层电荷即为双电层； 其间的电位差即称为接触电位差l jj 。出现双电层和接触电位差产生的条件是两种 物质紧密接触，其间距离小于25 1 0 “c m h 。 化纤、羊毛、真始等纺织纤维属丁高分子绝缘材料，回潮率低，比电阻为1 0 “ q o m 以r ，摩擦产生的电荷很难泄放掉，积聚现象晟著，极易产生很高的高压 静电”。通常，人体静电压可高达2 0 k v ，放电能量也可高达2 2 m j f 4 1 ，而一般的 易燃易爆物品的发火起爆能量在01 m j 班l m j 之间，一般常用电子元器件6 勺静电 敏感度在2 0 v 2 0 0 0 v 之间口】。所以，穿着化纤面料的衣物，人体带巾j 是必然的 现象，并可导致微电子器件击穿，甚至火工品、油品等起火、爆炸的严重事故与 灾害 】。 中国国内纺棉年用量由2 0 0 2 年度的6 1 7 万吨才增加2 4 年度的7 6 0 万吨左 有。而我国目前已成为全球化纤产量筇一大国。三大化纤应用领域中，着装、装 饰、产业用比例为5 5 ，2 8 1 7 。美国农业部估计中国国内市场是世界棉产品的最大 市场，但中国消费者的棉纤维消费自1 9 9 2 年以来一直在萎缩，而人造纤维消费 比例快速增长。 由以一t 数据来看，从1 9 9 5 年我国纺织业化纤得到了广泛的应用，其量很陕 赶上并超过了棉纤维用量。静电危害发生率也相应随之不断地上升。其中化纤的 静电危害有静电力干扰引起的灰尘吸附、玷污、扭结、印刷故障，放电则会产生 电击、爆炸、电子元件损坏等，因此，涉及纤维制品抗静电的产业和用途非常广， 涵盖了纺织、能源、电了、化工、通讯、出版和医疗等几乎所有的行业。故而， 对化纤进行抗静电处理的需求也日益高涨。 随着科技的发展，高分子材料的广泛应用，静电的产生日益增多，微电子的 广泛应用，使静电损害日益突出。静电危害的效应与机理主要体现在热效应、强 电场、电磁辐射、力学效应、电击等5 个方面”】。据报道，全世界因静电放电( e s d ) 造成的损失每年达数百亿美元。而美国儿尔实验室的估计，全球集成电路制造业， 造成的损失每年达数百亿美元。而美国贝尔实验室的估计，全球集成电路制造业， j & 家工照大学工学硕士学位论文 每年邈静电效电造成的经济损失高达上百亿美元。上世纪7 0 8 0 年代爱期，国 夕 许多大公司也开始了有计划溉实施e s d 控制程序给能们带来了离质量的产晶 和丰厚的利润【9 】。发达国家如美、日自八十年代以来，就开始重视防静电阻隔包 装材辩的磅究，如美飘每年蕊赞兹研镧费在予万美元左右。1 9 9 1 年美国政府工 作报告( a d a 2 4 3 3 6 7 ) 中把静电放电和十多种电磁危害源综合考虑为电磁环境 效碰( e i e c 咖m a 弘c 廿ce n v i e n te 融t ) 简称e 3 问剐。甚至有的报道把静 电教毫及其电磁脉j 串( e e m p ) 的危害与嚣电邀磁脓、辟( 己e m p ) 、核电磁脉冲 ( n 粉鼎) 提并论 1 l 】。美国r y n cc 越l e n 研究表明在静电防护中每投入l 元，其 回报达到9 5 元，即回报率( r o i ) 为9 5 ：1 。可见，把静电放电作为电磁环境因素 之一，综合逶行电磁防护研究，是该研究镢域豹发展趋势，其中对静电敷奄辐射场 及其电磁脉冲效应的研究是囊前的热点与难点【12 1 1 8 ，1 4 1 。 1 。2 国内外抗静电方法发展历史 自二十整纪3 0 年代以来，纺织品抗静电技术经历了傻用高吸漫性纤缳混纺、 抗静电剂、抗静电纤维和导电纤维4 个阶段【l ”。 研究初期的主要方法是将吸澄性聚合物( 抗静电帮) 对织物进行表面处理， 纤维吸潼后抗静电翩电离出正受离子，静滚穑道过离子导电孺泄漏。懂这j 申方法 有两个缺点。一是抗静电效果受制于环境滠度。纤维表面吸瀑量因环境相对湿度 降低弑减少，织物抗静电性能则急剧下降。相对湿度低予3 0 r h ，多数抗静电 纤维就丧失抗静电性。二是织物耐洗涤性、抗静电效果的持久性较蓑，嚣为抗静 电剂在洗涤过程中易从纤维或织物表面脱落。 早期的抗静电研究主要使用抗静电齐对合成纤维进行暂时的抗静电处理以 保证生产与加工的顺j 进行，僵多数抗静电裁由于为水溶性的，会隧洗涤、干洗 或化学处理，易被洗除而夫去抗静电效果。因此，开始了纤维的永久性抗游电剂 研究。 抗静电纤缳的制取是运用改性方法对成纤高聚物弓l 入具有特定抗静电功能 基遁的高分子化台物在纤维内郝添秀h 抗静电剂。此类方法抗静电的枧理仍以高湿 环境作为电荷逸散的必要条件，干燥环境中抗静电效粟仍然不理想。 导电纤维有金属纤维、碳索导电纤维、导电聚合物制成的有机导电纤维、普 搿j 章绻沧 通合成纤维涂覆导电物质制成的有机导电纤维和复合型有机母电纤维等5 裟。这 里靛导邀穗麓主要是蕊予塞交毫子懿移动，蘑不依靠暖浸及驾予魏转移。所 盖导 电纾维不依赖环境的确对澄度，在魏鞫习o 孵或鬻低的稿对瀣浅下，仍能显示优良 的导电域抗静电性能。导电纤维的比电阻设计在1 0 2 1 0 5q c m 范围内，而不 笺摹笺逡求枣熬吃毫港使静逛察爨滋漏。澄为爵窀纾维豁惫辍过枣，蟊当磁亳随 小于1 驰c m 时，受【| 会在某些馁瘸场舍隐藏触电的安全性隐患。 金属纾维弹性差、伸长变形能力小、粗硬擞懑，抱会力小、可纺性能麓，制 盛齑缨震蟹缍时贽嵇器爱，藏暴色泽受疆裁。骧蘩导毫纾缍粼模量塞、袋乏颧牲、 不耐弯折、易瞬、无熟收缩能力，不适合纺织赫使用。导电聚合物制成的有机导 电纤维的浆些单体和掺杂剂有毒，蕊且导奄聚合物不溶、不熔，很难纺丝，使割 成互艺赛焱导致莫寄l 逡成本暴赛。瓣蓠歪在蓊究鬻诧居建辍绫簸豹方法。喾通含 成纤维涂覆导电物质稍成的有机导电纤维在摩撩和反复洗涤后皮层导电物质容 易脱落。疆前应用较广的碳黑涂覆型有枧导电纤绦的电瓣率道常在l 妒q c m 左 右。 复合激有机导宅纤维复合结构有芯鞘结构、三层同心筒结构、三明治式夹心 结构、海鹞型、镶嵌放射型、多芯型、共混结搦镰等。碳黑域金属化台物在复合 结稳中受弼缳护，簸有良好翡舔久穗。英中，磺黑复台鼙导魄纾维嘉较低瀚电阻 率，金属化合物复合导电纤维在纺织使用时有较好的品种适应性。 近年泉黪硒究也缀活跃的另类永久型的抗静电榜料是磐电高分子，邋过掺 杂形成黝等毫亳分予蒸有共轭嚣键长链，载瀛子港蓑共糍嚣键运套实魂魄予盼俦 递，达到消除静电的翻的，完全不依赖于环境湿度。有代表r | 生的导电高分予有聚 乙炔、聚二氧乙基噻吩謦曩聚苯胺等以及它们昀衍生物。但是国予这些树鹳难溶、 难涪两不翳纺丝，并且有些陲辩楚会产生致癌粉璇，嚣次强麓导电毫分子在纺织 品和服装方面的应用极少1 7 - 1 耕。 涂覆戮翘复会型有机导毫纾维矮适合予制造永久性撬静邀虢纺织瑟。袋会型 有枫导电纾维孛豹导魄缓分浍纤维辘囊连续，弱予龟蓿教逸。纤维的舄电毪麓麴 提高可通过增加导电物质的含量和碱小其粒径而获得。因而，尽管有机导电纤维 抗静电服装在使嗣、洗涤一定次数以后英爨静电圣生能毒所下辫，蕊蹩复合型育 橇警电纤维是现在磷究最多，竣有笈展前景翡抗静电藏稼辩。馕矮导惫纾维是纺 北常工业大学工学蝴士学位论文 织材料抗静电技术发展的基零方向，其中以逶应民用纺织晶各季中色泽器求妁金属 纯合秘复合自包嵩导电畜筑簿瞧纤维帮逶应特殊功熊纺绥品静碳黑复合高导电 有机导电纤维为主要的发展方向。实践证明，有机导电纤维在防静电工作服和民 月纺织品豹静电溺除方垂发撵了有效麴 乍弼f 测。 1 8 静电检测仪器、检测方法的现状和问题 鬻见戆静恕捡浏方法有静毫邀窑搽头溺嚣技末、激光光蘧谣键法、匿力瑟渖 法、光电效应法和电子束法等等( 2 i 】。静电防护研究理论领域己建立了各种e s d 模凝l 列。人体娥最常见的静电危害源，因而人体模型、人体金属模型和球体模 型j 是最畜代表链熬搂型。 目前一些新理论、新方法和新的仪器及检测方法也应用到静电防护研究领 域，如用混沌理论解释在静电起电、放电过程中的非线性规律，用时域有限差分 潼( 黪程 ) ) 等数篷计冀方法磷究e s d 辕射爨蹲复杂形髂绪穆系筑内部设备懿 影响【2 钔。利用e s d 的光效应也可以对e s d 譬件进行有效的探测。静电放电的光 谱范围很宽，包含大量的紫外线( u v ) ，烹凑集中在2 3 0 4 0 5 姗的范围内。美 窝已穰霸该菝术磺翻袋功毫肇壤像穰d a y c 蕊l f 可爱予藏匿传赣线路酾交毫蘑熬 电爆探测和定位，静电放电的声效应也为e s d 的探测提供了一条途径境，对于 高压放电的声探测技术己成功运用于高压电力变压器的敞障诊断。对于远距离静 电赦毫戆搽溅，可采震静奄感应覆瑾进行探测。 我国现行国淼标准和纺织行业标准中与纺织品防静电功能有关的产品标准 g b 仃1 2 7 0 3 - 1 9 9 l 纺织品静电性能测试方法、g b1 2 0 1 4 1 9 8 9 防静电工作服、 f 影t 0 e 6 0 一1 9 9 9 绫耪摩擦繁毫逄蘅密度数灏定方法、擎掰o l 鹋2 一1 9 9 6 纺织材瓣 静电性能静电压半衰期的测蹴方法、f z t0 1 0 6 1 1 9 9 9 织物摩擦起电电压测定方 法笛等，其中g b ，r1 2 7 0 3 一】9 9 l 是我国羁漪纺织品静电测试系统性、完备性最好 豹方法标准，它撬蹬了半衰麓法、摩擦带惫逄压法、毫葡嚣密度法、虢衣对酶衣 物带电量法、工作服摩擦带电餐法、极间样效电阻法铸6 种测试方法。综合以上 分誊厅，理行国家标准和纺织行业标准中适合子含导电纤维织物静电性能测试的方 法际准，是有g b 厢1 2 7 0 3 一l 辨l ( 或f z ，鞠1 0 一1 9 神) 中静“电蘅露密度法” 有实际使用意义c 2 5 1 。 第l 苹绪论 含导电纤维织物摩擦带电电位是位置的函数；即含导电纤维织物摩擦带电电 位与是否临近导患纤维有关，存在局部峰傻电位，这是含导电纾维织物瘁擦蒂电 区别于其他经表面处理获得抗静电性能织物的本质特征。因而，准确测量含导电 纤维织物摩擦带电情况，关键在于将织物裘面各点电位( 电场) 分布状况表征出 来，并做出电位一位量益线圈，写蛊电位一位置关系的函数表达式。 由于含导电纤维织物摩擦不均匀带电的特点，加之以上所有方法和标准都是 以匀质介质均匀带电的假设为基础的，著且人为因素影确很大，所以与常规纺织 品相比，含有机导电纤维纺织晶的静电测试性能在正确性和重现性方西显著恶化 b 6 | 。电荷面密度指标只能宏观总体反映织物单位面积所含电荷量，不能反映局部 位栽是否存在电荷积聚现象，以及由此造成的高电位。因此，即使织物具有较低 的电荷面密度，仍有可能存在警致微电予器件击穿或火工晶起爆的静电事故。对 于目前逐渐广泛应用的含有机导电纤维纺织品来说，摩擦带电电位是位置的函 数，各点的带电情况是不相同的。当被测面积较小而导电长丝以较宽 l 勺间距嵌织 时，裁样方法的不确定性显然会导致检测结果的显著误差；并虽检测的灵敏度、 多次检测结果的致性均较低，难揭示有机导电纤维的抗静电机理。因而，以上 所有方法和标猴都是不适合含导电纤维织物摩擦带电情况的测量的。出现了静电 标猴与静电的防护实际诸多不相符合的地方，人们对广泛应用的含有机导电纤维 纺织品静电特性存在许多认识的误区，对该类抗静电纺织品的应用存在盲目性， 安全隐患不容忽视。 我国常用的纺织材料静电性能测试仪器主要有：纺织材料电阻测试仪、摩擦 式纺织品静电电位及衰减特性测试仪、感应式纺织品静电电位及衰减特性测试 仪、以及法拉第筒等。此外还有张帆、吸灰、吸附等简易测试方法质篱的检测装 置；在线检测所需的直感式、粲电式2 、摇动电容式、电极回转式还有采用先进 的p o c k e l s 电光效应式【2 8 j 静电厩测量仪。但是所有这些仪器都不适用于表征含导 电纤维织物随位置变化豹的静电性能的各物理参数的捻测。 在国外，典型的静电测量仪器有日本钟纺公司制造的e s t - 7 型摩擦带电压测 定仪，由摩擦装羹、电压测定装置和记录仪组成，能记泶并绘出织物摩擦带电压 及其衰减过程。尽管e s t l 7 黧摩擦带电压测定仪采罔枧掀摩擦方式，可排除人为 的搽作差异；但是该仪器仍不能同时测量并记录含导电纤维织物摩擦带电电位值 北京工业大学工学硕：b 学位论文 及其对应测量点的位置值，也就是不能反映含导电纤维纺织品的局部峰值电压。 而从微鼹上来看，恰恰就是织物中的局部峰傻泡压是产生织物裁部吸灰、弓l 发放 电导致易燃易爆品发生燃烧、爆炸、微电予器件等静电敏感物质、击穿、误动作 等静魄筝放和静电灾难。 所以，匿蓠我黼及国际上瑷骞的静电溅鬃仪器仅限予稔瓣较大区域静平均电 位，不能直接测量电位分布情况，都缺乏适合于纺织品、特别是含有机导电纤维 纺织燕电场分布的专用设备【29 1 。亟需开发织物静电位( 电场) 分布自动检测分析 仅，耀以溺量含导电纤维织物摩擦带电情况，表征织物表颓各点电位( 毫场) 分 布，并做出电位位置曲线图，写出电位位置关系的函数表达式，进一步 研究含导电纤维织物抗静电性能与导电纤维本身的性质、导电纤维嵌织密度、嵌 织方法的系统而完整的理论，并用之指导生产，以最少含导电纤维酌添加量使织 物达到最佳的抗静电效果。 这样目前人们对于含有机导电纤维纺织品的抗静电性髓及机理研究，由于缺 乏必要的静电分布细节的检测仪器；仍然限予使用大探头仪器，进行大匿积宏观 上的测量，如电荷面密度，摩擦静电压、半衰期等。企图从这些具有平均、等效 意义的数据入手研究静电的微观机理，完全忽视了静电分布的细节。从筒缺乏抗 静电悭能与杌理研究的必要实验数据；以至于不瞻确织物与导电纤维结构、成分、 电阻率及嵌织间距等因素间的关系，对于含导电纤维纺织品抗静电性能与机理的 研究写认识不足，使得防静电纺织品设计与改进缺乏必要的理论指导。 1 4 课题目标 逐年来，人4 | j 衣颓防与控靠9 静电方面取褥了长足豹进步，开发了诸多效果良 好的抗静电产品，其中含导电纤维纺织品因有持久的抗静呶效果和较好的性价比 而得到广泛的应用。目前由于实验检测手段的6 艮制，人们对于含导电纤维纺织品 抗静电性能与瓤理戆研究与认识不是，蒴静电纺织品设计与改进缺乏必要浆理论 指导，静电标准与静电的控制防护工作实际出现诸多不相符合的地方，存在着明 显的安全隐患。 含导电绎维纺织品由予嵌织了与基布惫学性箍完全不蠢的导电纤维，会弓f 起 织物表面电位的不均匀分布，抗静电织物的使用效果与其局部的电位( 荷) 分布 * 釜。，：。，。，兰三耋，i ! 鎏；， ! ：一。：。 状况有着密切的关系，丽目前对抗静电织物的检测主要是宏观的织物电位、电荷 蜀密度和半衰期等物理量的测薰，不能获淑足够的信息。为掌握静电产生和逸散 的规律、建立静电理论模型，并用以指导产品设计与优化改进，应梭测含导电纤 维纺织品的微观电位分布及其变化过程。但是，现有的静电测量仪器对电位的测 量仅限于检测较大区域的平均电位，而不能_ ：踅接测量样品的电位分布情况；并且 即使是检测纺织品静电特性的大多数仪器也不适合于检测含导电纤维纺织品的 抗静电性能a 因此，研制织物静电电位分布测量仪是一件很有研究与应用价值的 工作。 抗静电织物的摩擦起电过程中静电的产生与变化迅速，监测摩擦起电及其衰 减全部过程，获取其中全过程魈详细信息，对于研究抗静奄织物静电性能、抗静 电机理及其抗静电性能的改进有着关键性的作用。但是，目前国内外静电检测与 研究都集中于静电的衰减阶段，测量仪器也只能对衰减一定时间后的电位、电荷 密度和半衰期等物理量进行梭测，其结果只能代表静电襞减到一定阶段的特征， 这样其测量的最大初始电位、窀荷密度均小于实际的最大初始电位和电荷密度， 而半衰期则比实际半衰期大，并且无法获取摩擦起电及静电衰减全过程的详细信 息。骶以亟需开发具有检测摩擦起电及静电寝减全过程静电测量的仪器，进行费 电时域检测与实验研究。 基于以上原因，本课题的研究重点为：一是研制织物静电电位分布测量仪， 实现静电电位的扫描测量、定点测量和对摩擦起电及静电衰减全过程的监测；二 是利用织物静电电位分布测爨仪进行静电检测和静电时域实验，研究含导电纤维 纺织品静电分布规律，并进一步探究其抗静电性能与机理，为含导电纤维抗静电 纺织黯豹设计与改进提供理论指导。 具体的课题研究目标为： 1 ) 研制静电电位分布测最仪，填补无适合于检测含导电纤维纺织品的抗静 电性能捡测仪器托空自。 2 ) 利用研制的仪器进行实验，获得含导电纤维纺织品摩擦静电分布规律、 导电纤维抗静电性能与其结构、成分的关系。并进一步研究含导电纤维纺织品抗 静电性能与枫理e 3 ) 利用开发的仪器研究含导电纤维纺织品静电分布细节，揭示微观信息与 北京工业大学工学硬士学位论文 内在的静氡桃理，使人们更清楚豹认识静电规律并慝之于静毫防护实黢中，有效 的控制静电危害。 静电电位分布测量仪的成功研制，属于创新性成果，填补了国内外目前没有 适合含导电纾维纺织鼯摩擦静电电位测量的仪器耱空囱。并最独创性地开发了电 位分布测量仪的时域检测功能，首次进行了静电时域榆测实验。得到了含导电纤 维纺织品静电分布规律、静电起电规律、静电衰减规律及其初步的抗静电性能与 梳理，为含导惫纤维抗羚龟纺织品的设计与改进提供理论指导。静电电位分布测 量仪的成功研制及其时域检测功能的成功开发，为静电研究工作提供了新的研究 工具。同时在课题研究过程中发现不同检测仪器的差异及问磁，发现静电实验操 传中存在的问题并提出改进方案，发现静电标准与静恕防护实际不相符合酶遗方 并提出改进方案，将推动静电研究与防护工作更深一步豹发展。 ， ：= ：! 。!兰：蓁墼塞塞堡竺窑型塞垒璧黧塑 第2 章静电电位分布测量仪的研制 2 ，1 仪器的设计 2 1 1 仪器基本结构 仪器由电压传感器、信号放大电路、数据采集卡和扫描及其控制、驱动与保 护系统等四部分组成，工作原理方框图如图2 1 。 量差一主 2 1 2 探头设计 图2 1 仪器原理方框图 f i g2 1i n s t m m e n tp 血e i p l eb l o c kd i a g r m 探头结构与测量原理如图2 2 ，将探头移近被测物体进行测量，探头与样品 和地形成一个电容系统，其工作原理限3 1 1 简化的电路图如图2 3 所示。若此时 被测物体的对地电压为，暂时不考虑电压照对间的衰减，根据电容分压缀理， 则感应极板( 简化为电容c ) 上的电压己，为： 睢叠峨2 专慨 q 。 c l 在运放的稳定工作区，保证必需的电荷泄漏时间后，根据以上搬导可知， 控制电容c 在尽可能的小，则可以提高探头的灵敏度。 实现电位的点测量是电位分布检测的前提条件。这样，一方面要减小探测头 感应电极，另一方面要屏蔽掉被测点以外的电场。为此，根据实际测量篱要将探 头感应电极半径设计为：r 2 = o 4 m m ，并在探头上安置接地保护电极，如图2 2 ， 以屏蔽被测点以外电荷产生的电场，消除这然电荷的电势在探头感应电极板的叠 北京工业大学工学硕士学位论文 翔，扶两实现对样品电位高精度的点测最。此时，为了使探头感应窀压满足放大 的需要，则要求探头具有较高的灵敏度。 地 。 丁 3o 藉 ，型秘沪 哇z 船 体 磐 一之1 g h ， 。 1 幅! 护露髅； 接运熬 图2 ，2 探头结约与测燕原理图 f i 9 2 - 2t h e p i c t u r eo f m es t m c l u r eo f p r o b ea i l d t h ep t i n c i p l eo f m e a s u r e 【昭 图2 。3 测量原理等效电路 f i g 2 3t h ee q u i v a l e mc i r c u i lo f t h ep r i n c i p l eo f m e a s u r e 探头设计指导思想一是减小测量电极面积提高对场点电压测量的精确度，二 是进一步减小被测物被测场点以外电荷对电极电位的影响。其中需簧解决的阀题 有： ( 1 ) 屏蔽其它场点电荷，使其它场点电荷在电极处电势叠加之和最小，理 想为零。 ( 2 ) 减小测量电极与地以及其连线与接地屏蔽线问的电容，即极地电容g ( 3 ) 确定极地电容与物极地电容( 被测物与测量电极地电容) 的比俊c 卯。 与各相关物理羹之阕豹关系，芳减小之。 根据图1 所示的测量原理，假设物体表面带电均匀，则带电物体相对于地的 电位p 2 为： k ；掣+ 鸟咚 ( 其中s 为带电物体的介电常数；盯。为表面电荷密度) 安置保护亳极和溺量电极蜃带电物体相对于选的毫位为： 弘耳兰甄 测量电极上的感应电位为圪： k 2 专詈蠢 ( c w ：测量电极与地之间单位面积输入电容) 经整理靥得： 0 = ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 0 ) ( 2 5 ) 令岛为带电物体相对于地的单位面积电容；g 为带电物体相对于测量电极 的单位面积电容，即 髻+ 害= 古 罢= 击+ 暑 。0 l ， l w ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) 因为c o 丧用c d + 景吩所以 巧。壶彤2 轰影 协 q 当选定合适的测量距离g 届，测量电投上的感痰电位玲与k 成正比恧与g 成反比，又测量距离g 太小上述线性关系不成立，故而为提高灵敏度选定适度小 的测最距离g 后只能依赖g 或亏的减小。测量电极与地之间单位面积输入电 睁 丧 攘 北京工业大学工学硕士学佼论文 容c 。与带电物体相对于测量电极的单位匿积电容q 是著联关系，从并联壤容电 压分配关系得测量电极上的感应电位为： 鱼陋生+ 翊+ l gl 岛 s ( 2 1 0 ) 根据空气的击穿场强确定测量距离g 以后，( 2 1 0 ) 式中的挚( 专- 正+ 争) 就 是确定的常数，而鲁的数量级为1 0 2 ，所以( 2 _ 1 。) 可改写为： 矿p2 者； 沼1 1 ) c ，1 因此，减小挚就可提高测量电极上的感应电位与灵敏度，其中g 。：测量 v 口l 电极与地之间的电容，g j 为带电物体相对于测最电极的电容。又因为： 测量电极与逸之闰电容g o 等予测量电极板面与遣之阀电容g j 加测量宅极 扳侧面与接地屏蔽线之间电容( k 加电极连线与接地屏蔽线之间电容c o ，即 g 俨c w j + c 村+ 0 3 ，其中c 时与可按同心圆柱构成的电容进行计算，c w j ， g ，郎为平行板电容，计算结果如下： 印丽彘 ，一2 碣岳 2 一砸 岛。器 c 矿亟堕 所以测量电极与地之间电容c 钿等于 阶钳钳2 燕+ 毒+ 霉 ( 2 一1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 。1 4 ) ( 2 。1 5 ) ( 2 1 6 ) 壶 | | ，。，。，一。，。，。耋圣耋，璧塞皇堡坌童篓蓁：i 塑塑。，。一。， ，。： 所戬有： l w 0 一 l p i 理论推算结果分析： 从( 2 1 7 ) 式知字正比于在保证带电物体不对测量电极放电及测鳖 。斑 电极上的感应电位巧与带电物体相对予地的电位坎的线性关系的条件下确定尽 潼小的g 之后，要减小鲁则要求探头连线与屏蔽层间的绝缘介质的相对介电常 数勋尽量小。 第( 2 1 7 ) 式中第一项的值在1 0 1 数量级范溷内，第二项的值在1 0 2 数量级范 围内，而第三项的德却达到1 0 6 数量级。因而第三项决定了； 的大小。 o 讲 当d 。小于o 1 i i m 时，第二项的值在1 0 2 数量级范围内，比第三项的谯小三个 数量级，故露测量瞧摄板做得薄于0 1 黜，第二项豹影嚷可忽略；测量泡极板越 薄越好。 为减小第三项，则l ，r ，要小，月，弛的比值应尽量大；为此，r j 5 5 m m ，这样h 鲁 4 。 霹项对碰测量电极扳面积：s = a 蟛；改进的初衷是为精确测量场点电压而 改小探头溅量电极板露积郢减小霹，毽减小霹剡第二、三瑷匏僵嗣会增大 丽降低灵敏发。解决这个矛盾办法是