抗静电整理.doc

浙江纺织服装职业技术学院教 案授课教师吴建华课程名称染整工艺学授课班级03染整(1)授课日期2005年11 月 9日 第 十 周授课形式讲授授课章节名称第七章 抗静电整理第一节 静电现象第二节 抗静电机理第三节 抗静电纺织品的测试方法第四节 抗静电整理教学目的了解静电现象、抗静电纺织品的测试方法掌握抗静电机理、抗静电整理教学重点抗静电整理教学难点更新、补充、删节内容1.更新、补充的内容为：抗静电纺织品的测试方法2.删节内容为：无使用教具、图表ppt课件课外作业1、 简述静电产生的原因和抗静电剂的抗静电原理。2、分析抗静电整理和易去污整理的相同点和不同点。3、举例说明，一些抗静电整理剂也可作为易去污整理剂而另一些则不能。课后小结1、各种纺织纤维材料在相互接触和摩擦中，虽然都能产生电荷，而且形成的最大带电量接近相等，但不同纤维却表现出不同的静电现象。棉、羊毛、蚕丝织物在加工和服用中几乎不会感到有带电现象，而涤纶、腈纶等合成纤维在服用中表现出较强的电击和静电火花及静电沾污现象。2、非耐久性抗静电整理中，应用较广的是表面活性剂类化合物。按离子型的不同有阴离子型、阳离子型、两性型和非离子型等。耐久性抗静电整理剂是含有离子性和吸湿性基团的高分子化合物或者通过交联作用在纤维表面形成不溶性聚合物的导电层。第七章 抗静电整理 71 静电现象711 静电的产生 “静电”这术语是指与电荷积累有关的现象。例如，两物体因相互接触和/或摩擦而产生的带电现象。所有的物质都是由原子组成的，而原子又是由带正电荷的原子核与带有等量负电荷的绕着核旋转的电子组成。因此，在一般情况下，物体是呈电中性的。但在一定条件下，物体会带电荷。例如，给物体施加外电场时，外电场使物体带电；带电体和非带电体接触时，发生电荷转移而使后者带电；在没有外电场，也未和带电体接触的情况下，两物体因相互接触和/或摩擦而带电。物体可因多种原因而带电。在纺织工业中，我们最关注的是物体因相互接触和/或摩擦而带电。由于物体中不同原子的原子核对核外电子的束缚能力（以逸出功表示）不相同，其间可能会发生电子转移。束缚能力小者，电子易逸出，因失去电子而带负电；束缚能力大者，电子不易逸出，反而易吸引其它原子的电子而带负电。当两个物体接触时(两接触面间的距离小于25104m)，两个表面之间的接触可能使电子跨越界面在两个方向连续的流动。即使是相同材料，一个表面也可从另一个表面得到其失去的电子。两表面之间发生电子转移而形成双电层，由于双电层所带电荷极性相反电荷相等，因此在接触区对外呈电中性。当两个表面分离时，由于电子分布的变化将使相接触的每一材料产生数量相等而符号相反的电荷(带有多余电子的材料带负电荷，而缺少电子的材料带正电荷)。如果是导体，当物体分离时，通过电子的瞬间反向流动，而使电子数目平衡。但如果是绝缘体，则电荷可持续存在相当长的一段时间，从而产生静电现象，材料的导电性越低，则所带电荷越多。 在两物体相互接触和摩擦过程中，摩擦功可以转化为热能，也可以转化为静电能。“摩擦起电”这一术语是表示通过在物体上的摩擦作用产生电荷。虽然并非只有摩擦才能产生电荷，但是通过摩擦可增加电荷的产生量。纺织材料的静电现象可能主要是由于摩擦起电引起的。纺织材料上积累的静电电荷可通过三种方式而流散：其一是材料与空气中带相反电荷的粒子或离子相互吸引而中和或通过电晕放电而流散；其二是借助与其它物体的接触，尤其是与良导体的接触而流散；其三是电荷沿材料表面流动至其它部位，然后通过与良导体的接触而流散，并扩大了向空气放电的面积。纺织材料之间或与其它物体相互摩擦，两物体接触界面不断接触分离，静电电荷不断积累，但同时静电电荷可通过上述三种途径而消散。因此，纺织材料的静电性能取决于材料的静电积累和静电流散性能的综合。如静电易产生但流散速度快，那么纤维实际带电少，静电障碍小，反之如流散性能差，那么就会产生严重的静电障碍。对于导电性较好，静电效应较小的纺织材料，它的静电起电、积累和流散仅在几秒钟甚至几分之一秒内即能完成。两个物体相互接触摩擦时，哪一个带正(负)电是有一定规律的，可以排出各种物质的静电系列。在排列顺序中，相互摩擦的两种材料，排在序列前面的带正电荷。Ballou测定的纺织纤维的摩擦带电序列为：()羊毛、尼龙、蚕丝、粘胶纤维、玻璃纤维、棉、苎麻、醋酯纤维、维纶、涤纶、腈纶、氯纶和聚乙烯()Lehmicke和Blakemore则分别给出了不同的结果： ()玻璃、人发、锦纶、羊毛、真丝、粘胶、棉、纸、苎麻、钢、硬橡胶、醋纤、腈纶、聚偏氯乙烯()()玻璃、羊毛、锦纶、棉生丝、聚酯纤维、聚丙烯()由于各自的测试条件不同，试样的超分子结构和表面形态(如粗糙度)不同，试样中杂质的成分和含量有差异，在现已发表的一些静电序列中，纤维的排列顺序不尽相同，但大体上相似，羊毛和聚酰胺纤维一般排在序列的靠正电荷端，纤维素纤维排在中间，而合成纤维中除聚酰胺以外都排在序列的负电荷端。一般地，介电常数较高的物质在正端，介电常数较低的物质在负端。静电序列可用于预测其产生电荷的符号，但不能预测所带的电荷量的多少。影响材料接触或摩擦起电的因素很多，仍有一些现象不能圆满解释，例如，将粘胶丝织物与不锈钢棒摩擦时，压力小时织物带正电荷，压力大时则带负电荷。在非导体上，也可通过诱导作用产生电荷。例如，当带负电荷的物体排斥另一个与其相接近的物体表面的电子时，就会使后者物体表面带正电荷。如果其质量非常小；则能被吸引到带负电荷的物体上。当接触时，正电荷逐渐被中和，又出现负电荷，并对小的物体产生排斥作用。712 静电的危害由于纺织纤维的静电现象，在纺织加工和消费者应用时，带来了各种各样的问题。例如，在纺织纤维制造加工中，将给纤维的开松、挤压相梳理，纱线的卷装成形及抗起毛起球和防污带来许多困难。由于静电作用而引起吸灰尘沾污，使衣服之间、衣服与人体产生缠绕现象，而且在地毯上走动或在装饰织物上摩擦时，会有电击作用。人在化纤地毯上行走时，人体就会带上30005000V的静电，相对湿度低时，可达500018000V。纺织品的静电现象也会干扰计算机及其他灵敏的电子仪器的正常工作，并且，当大量电荷放出时会导致可燃性气体和粉尘的燃烧。713 防止静电危害的方法防止静电危害的途径有以下几种：(1) 在生产过程中使用静电消除器(高压直流电场针状电极放电装置)消除静电，或采用接地法，使静电泄漏。(2) 控制静电荷的产生： 采用能减少静电产生的材料，减少摩擦机会，降低摩擦压力和速度。这是消极的方法，受生产、使用条件和环境的制约。 增加材料周围的空气湿度，从而增加材料表面吸湿，降低材料表面的电阻。同时，也可以增加通过空气泄漏电荷的速度。一般只有在相对湿度大于70时，才会有消除静电的效果。 与导电材料混用。导电材料主要有金属纤维、石墨、金属涂层材料和导电性聚合物。 使材料表面改性。用亲水性化合物和材料表面的活性基团反应，在材料表面引入亲水性化合物或生成亲水性接枝聚合物。在材料内部添加或在材料表面使用抗静电剂。72 抗静电机理各种纺织纤维材料在相互接触和摩擦中，虽然都能产生电荷，而且形成的最大带电量接近相等，但不同纤维却表现出不同的静电现象。棉、羊毛、蚕丝织物在加工和服用中几乎不会感到有带电现象，而涤纶、腈纶等合成纤维在服用中表现出较强的电击和静电火花及静电沾污现象。这主要是由于各种纤维的表面电阻不同，产生静电荷以后的释放静电的速率差异较大。举例来说，金属是导电性较高的材料(体积比电阻108)，水的导电能力比一般金属导体还高，而一般疏水性合成纤维的体积比电阻高达1014，比纯水高108倍，比含有可溶性电解质的水高1011倍。抗静电整理的作用主要是提高纤维材料的吸湿能力，改善导电性能，从而减少静电现象。由于水具有高导电性，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。纤维材料的电阻和吸湿率关系很大，不同纤维的表面比电阻随吸湿率变化如图31所示。由图示可见，随着纤维回潮率的增加，表面电阻降低。 图71 含水率对电阻的影响天然纤维如棉、羊毛和蚕丝都是亲水性纤维，它们能和水形成氢键。然而，即使是亲水性纤维，在绝对干燥的情况下也是绝缘体。例如在相对湿度为25时，棉纤维和锦纶的表面比电阻都在1012左右，所以在回潮率低时，各种纤维所带电荷量的差异是很小的，在纤维表面显示相同的静电现象。纤维离子导电理论认为，通常情况下纤维中电荷的载体主要是离子，电荷散逸速度取决于离子迁移速度。当纤维吸收有足够的水分后，纤维上就会形成连续的水膜，带电离子会沿着水膜迅速迁移，电荷散失迅速。有人认为纤维上的带电离子绝大多数是从纤维吸附水分中离解出来的H和OH，其中，H流动性较大。如果纤维吸收的水分较少，不能形成连续的水膜通路，则电荷的迁移受到限制，静电荷传导流散速度就越慢。大部分抗静电剂都是吸湿性化合物，例如聚乙二醇、山梨糖醇和甘油等多元醇，以及吸湿性强的无机盐，例如氯化锂和氯化钠等均具有抗静电性。通过溶解于水中的正负离子的迁移作用，为电荷的转移提供了介质，从而提高了纤维的导电能力。MHayek等对高级醇磷酸酯的防静电机理的研究表明，水最好存在于纤维表面，并且以连续相存在时，才能发挥最大的抗静电性。吸湿性化合物的亲水性基团和水形成氢键结合，并以此作为极性中心，进一步与水结合，形成连续的水相。例如：表面活性剂型抗静电剂的抗静电性与分子在纤维表面上的取向有关，若疏水基朝向空气，不仅无抗静电作用，反而会增加表面电阻。通常，离子性抗静电剂比吸湿性的非离子性抗静电剂更为有效。后者主要是作为电解质的导电性的载体作用，例如水洗循环中沉积的杂质离子，通过抗静电剂的吸湿作用而产生导电作用。离子型抗静电剂是导电性高的离子型高聚物或离子交换树脂，其导电能力与外界沉积的离子浓度的大小无关，而且，即使在分子中没有非离子吸湿基团的情况下，由于离子型基团的高吸湿性，也具有良好的抗静电效果。例如，季铵盐类聚合物即使在相对湿度较低的情况下，也能吸收较多的水分，因此是公认的优良的抗静电整理剂。近年来，导电性合成纤维相继出现。在合成纤维的制造过成中，引入导电性炭粒子、铝粉或不锈钢粉，提高纤维的导电能力，或者进行金属性沉积涂层，如将硫化铜、银、钴、金或镍粉等涂布于纤维表面，都可以制成导电纤维，然而上述方法存在缺陷，因为大部分导电性组分都是有色的物质，即使用量很少也会有色素影响，限制了它们的使用范围。73 抗静电纺织品的测试方法常用表面比电阻、半衰期和静电压等方法来表示静电的大小。一种材料的不导电能力称为电阻。电阻与材料的横截面积成反比，而与其电极间的长度成正比，常用比电阻(体积比电阻，单位为m2/m，简写为m)来表示。通常假设导电作用发生在材料的表面，这也应该是纤维材料的导电机理。表面比电阻(m/m，简化为)表示纤维材料静电衰减速度的大小，在数值上等于材料的表面宽度和长度都等于1cm时，试样对应边间的电阻。一般表面比电阻小于109的抗静电效果良好，介于1091010属一般，介于10111012的则较差，大于1013属于易生静电的物质。电荷半衰期也是衡量织物上的静电衰减速度大小的物理量，它表示织物上的静电荷衰减到原始数值的一半所需要的时间(s)。实验时，用10kV高压对置于旋转金属平台上的试样放电30秒，测感应电压的半衰期。表31给出了几种纤维的半衰期。 表71 几种纤维的半衰期(相对湿度46)纤维丙纶蚕丝涤纶锦纶羊毛腈纶棉和粘胶半衰期t1/2(秒)15(分)400.656.235.314.35.71.0电荷半衰期与织物的表面比电阻的关系如图32所示。织物的表面比电阻越大，电荷半衰期越长。因此，如果把纺织材料的表面比电阻降低到一定程度，静电现象就可以消除。图72 表面比电阻s与电荷半衰期t1/2的对数关系纺织品摩擦电压表示纺织品相互摩擦或与其他物品摩擦以后，摩擦起电和泄电达到平衡时的电压值，一般认为静电压在500V以下时，织物就具有抗静电性能。74 抗静电整理741 非耐久性抗静电整理很多化合物都具有抗静电作用，最简单的如甘油、三乙醇胺等吸湿剂，以及吸湿性较强的氯化锂、醋酸钾等无机盐类。各种类型的表面活性剂也是良好的抗静电剂。这类化合物易溶于水，具有较强的吸湿性，即使在较低的相对湿度下，也能和外界环境形成溶液平衡，保持吸湿作用。但是经水洗就要失去抗静电能力，所以整理效果不耐久。在非耐久性抗静电整理中，应用较广的是表面活性剂类化合物。按离子型的不同有阴离子型、阳离子型、两性型和非离子型等。阴离子表面活性剂类抗静电剂的主要品种是硫酸酯盐、磺酸盐和磷酸酯盐，例如烷基硫酸酯类化合物(ROSO3Na)，当R为烷基聚氧乙烯醚类时，是一种性能优良的抗静电剂。烷基磷酸酯类化合物是应用性能较好的一类阴离子型抗静电剂，抗静电性能一般比硫酸酯好，而且具有较高的热稳定性，常用作合成纤维纺丝油剂组分。常用的抗静电剂P就是磷酸酯和三乙醇胺的缩合物： O ROPOHN(CH2CH2OH)3 | OHN(CH2CH2OH)3非离子型抗静电剂的分子中不含有活性离子，而具有亲水性基团，如羟基、酰胺基和聚醚基等。脂肪酸的多元醇酯和聚醚酯具有抗静电性。脂肪胺和脂肪酰胺的聚醚衍生物都是良好的抗静电剂，这类抗静电剂的抗静电性能受其环氧乙烷数(EO数)的影响，随着环氧乙烷数的增加，吸湿性增加，抗静电性增强：RN(CH2CH2O)nH RCON(CH2CH2O)nH | | (CH2CH2O)nH (CH2CH2O)nH脂肪族的季铵盐衍生物是目前应用最广泛的阳离子抗静电剂。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、抗静电性，既是抗静电剂又是柔软剂，并且有一定的耐洗性。季铵盐类抗静电剂抗静电能力较强，当织物增重2.5时，就可达到良好的抗静电性。季铵盐的溶解度较低。在季铵盐化合物中，氮原子上的烷基被聚氧乙烯基部分或全部取代后，可改善溶解度、吸湿性和抗静电性能，但是伴随着溶解度的增加，整理效果的耐久性降低了，必须按整理性能选择适当的化学结构。抗静电剂TM是三乙醇胺和硫酸二甲酯缩合物： CH3N(CH2CH2OH)3CH3SO4抗静电剂SN(十八烷基二甲基羟乙基季铵硝酸盐)的结构为 C18H37N(CH3)2CH2CH2OHNO3抗静电剂的抗静电性能随着表面吸湿性的增加而增强。研究表明，抗静电性主要与纤维表面的抗静电剂浓度和分布状态有关。非耐洗性的低分子量抗静电剂整理品久置后，抗静电效果会显著下降，其原因是抗静电剂向纤维内部迁移，而使表面浓度下降，破坏了表面的连续分布，若将表面活性剂中烷基结构增大，提高分子量，阻止整理剂向纤维内部迁移，这样可防止整理品在久置后所引起的抗静电效果下降。非耐久性抗静电剂的整理效果虽然耐久性差，但整理剂挥发性低，毒性小，而且不易泛黄，腐蚀性较小，纤维纺丝和纺织用油剂多用非耐久性抗静电剂。地毯等装饰织物应用非耐久性阳离子性抗静电剂整理，效果也较好。742 耐久性抗静电整理随着合成纤维织物的发展和扩大应用，整理效果的耐久性显得越来越重要，因此，也就开发了耐久性抗静电整理工艺。耐久性抗静电整理剂是含有离子性和吸湿性基团的高分子化合物或者通过交联作用在纤维表面形成不溶性聚合物的导电层。整理剂的吸湿性越高，导电能力越强，耐洗性降低，所以应该保持整理剂有适当的吸湿性，降低在水中的溶胀和溶解能力。耐久性抗静电整理剂也可分为阳离子型、阴离子型和非离子型化合物，在生产中应用较广泛的是非离子型和阳离子型整理剂。含有聚氧乙烯基团的多羟基多胺类化合物是在涤纶、锦纶、醋酯纤维等合成纤维织物上最早应用的非离子型抗静电整理剂。在分子结构中，都含有吸湿性的聚氧乙烯基团和可以与交联剂进行交联的基团，如羟基和氨基等： N(CH2CH2O)nCH2CH2x | C3H6(OCH2CH2)2OH 多羟多胺类整理剂(PHPA)可与双官能度或多官能度的交联剂反应，形成线性或网状的不溶性聚合物。交联剂有六羟甲基三聚氰胺(HMM)，二羟甲基二羟基乙烯脲(DMDHEU)，在酸性催化作用下反应。也可应用碱性催化作用，以碳酸钠、碳酸氢钠为催化剂，采用三甲氧基丙酰三嗪(TMPT)为交联剂：CH3OCH2CH2CO COCH2CH2OCH3 | COCH2CH2OCH3整理剂的化学结构和交联剂的用量都会影响整理织物的抗静电性能。PHPA含有环氧乙烷数以1224为最好，PHPA/TMPT的重量比以512较好。研究表明，织物增重以5(按织物重)为较好。聚环氧乙烷与聚对苯二甲酸乙二醇酯的嵌段共聚物是聚酯纤维织物应用较广泛的抗静电和易去污整理剂。 HO(CH2CH2OCO COO)n(CH2CH2O)mxH聚合物分子结构中含有聚氧乙烯醚链段，可在聚酯纤维表面形成连续性的亲水薄膜，富有吸湿性，减少静电现象；聚合物分子结构中还含有可以结晶的聚酯链段，它和聚酯纤维的基本化学结构相同，因此和聚酯纤维有较好的相容性，通过高温焙烘作用，整理剂可以和聚酯纤维产生共溶共结晶作用，使整理效果有较好的耐久性。聚醚型聚氨酯分子结构中含有亲水性的聚氧乙烯醚，富有吸湿性，也是涤纶和锦纶织物的良好的抗静电整理剂，例如： HO(CH2CH2O)nCONHRNHCOO(CH2CH2O)nCONH RNHCOOm(CH2CH2O)nH通过交联剂和分子主链上的活泼氢的交联作用，在纤维表面形成不溶性的聚合物，可以改善整理效果的耐久性。耐久性阳离子型抗静电剂有聚丙烯酸和丙烯酸酯的阳离子衍生物。例如： (CH2CCH3)n C2H5 | | COOCH2CH2NC2H5CH3SO4 | CH3和 (CH2CCH3)n R1 | | COO(C2H4O)xC2H4NR2X | R3这些聚合物本身不溶于水，须制成乳液使用，耐久性良好。阳离子甲基丙烯酸酯和甲基丙烯酰胺衍生物： CH3 | CH2CCOOCH2CHOHCH2N(CH3)3Cl和 CH3 CH3 | | CH2CCONHC2H4N(C2H5)2CH3SO4 为非耐久性抗静电剂，将其与交联剂反应或与羟甲基丙烯酰胺在纤维上共聚，形成不溶性的导电高聚物，可以达到耐久性抗静电效果，但是随着交联密度的增加，整理剂的耐久性提高，而导电性和易去污性降低。其他非耐久性季铵盐型的阳离子抗静电剂也可通过交联作用，提高耐久性。例如： CH3 | H3C(CH2)17N(C2H4O)nC2H4OH2Cl 在酸性催化剂作用下，可与HMMM(六甲氧甲基三聚氰胺)树脂进行交联反应，提高耐洗性。研究表明，其抗静电性能也随着交联点密度的增加而下降。有人认为这是由于随着交联点密度的增加，离子的迁移能力减弱，所以导电性降低。在整理加工中，应保持适当交联，适当增大整理剂上反应性基团之间的距离。交联剂用量不能过高，否则不仅抗静电性降低，而且影响整理织物的手感。阳离子型抗静电剂整理效果较非离子型好，但非离子型抗静电剂溶液性能稳定，应用方便，树脂同浴性能好，特别是聚醚酯类嵌段共聚物在聚酯纤维织物上的应用越来越广泛。743 抗静电整理工艺举例外用耐久性抗静电剂的结构多为含有吸湿基团的高分子聚合物。国内产品有常州化工所的抗静电剂CAS、山东纺织研究所的抗静电剂G等，国外的主要产品有美国杜邦公司的抗静电剂Zelon、日本明成公司的抗静电剂Padex及英国的抗静电剂Milease T等等。这些抗静电剂主要针对涤纶及涤棉混纺织物。整理工艺可采用高温高压浸染法和热熔法。(1)抗静电剂CAS整理高温高压法 可与染色同浴进行。整理工艺处方：抗静电剂CAS 35(o.w.f.) 渗透剂JPC 0.51(o.w.f.)工艺流程：加料，升温(1/min)至130，保温60min，降温，水洗，烘干。热熔法整理工艺处方： 抗静电剂CAS 35g/l 渗透剂JFC 2 g/l工艺流程：二浸二轧(轧液率7080)105烘干焙烘(190、2min)温水洗 (40)冷水洗烘干纯涤纶织物采用上述工艺抗静电处理后，织物色泽、手感未发生变化。处理后的织物表面电阻在温度20、湿度47时为1091010。洗涤50次后，织物的表面电阻(温度 20，湿度50)为1091010。半衰期3s，静电压1000V，面电荷密度7C/m2。(2)抗静电剂Milease T 抗静电剂Milease T主要用于涤纶织物的耐久型抗静电、吸湿性整理，亦有防污作用，可与染色同浴进行。高温高压法整理工艺处方： 抗静电剂Milease T(15) 47(o.w.f.) Supovrex K 0.5(o.w.f.) 醋酸调pH值 4.55.5必要时添加染色载体和消泡剂。工艺流程：加料，升温(1/min)至130，保温60min，降温，水洗，烘干。热熔法整理工艺处方： 抗静电剂 Milease T(15) 5060g/l Supovrex K 24g/l 醋酸调pH值 5