紡織品負(fù)離子發(fā)生量測試方法研究

張小霞，吳虹曉，李 云，王國和

(1.蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215006；2.現(xiàn)代絲綢國家工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215123)

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紡織品負(fù)離子發(fā)生量測試方法研究

張小霞1,2，吳虹曉1，李 云1,2，王國和1,2

(1.蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215006；2.現(xiàn)代絲綢國家工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215123)

在分析已有紡織品負(fù)離子發(fā)生量測試方法的基礎(chǔ)上，以自行研制的負(fù)離子聚丙烯非織造材料為試驗(yàn)樣品，選用COM-3200PRO Ⅱ型空氣負(fù)離子檢測儀，測試樣品在密閉環(huán)境中靜置狀態(tài)時的負(fù)離子發(fā)生量，探討測試時間、測試距離、樣品擺放方式、樣品相對表面積等因素對紡織品負(fù)離子發(fā)生量測試的影響，進(jìn)而建立了紡織品負(fù)離子發(fā)生量測試方法：在恒溫恒濕條件下，試樣以水平方式放置于絕緣密閉的測試倉內(nèi)靜置900 s以上，測試距離為5 cm，相對表面積≥1×10-3，每次測試前對測試倉進(jìn)行換氣處理。

紡織品；負(fù)離子；發(fā)生量；測試方法；測試時間；測試距離；樣品擺放方式；樣品相對表面積

空氣負(fù)離子被譽(yù)為“空氣維生素和長生素”，其濃度被列為衡量空氣質(zhì)量好壞的一個重要指標(biāo)[1]?？諝庳?fù)離子具有殺菌、降塵、提高免疫力和調(diào)節(jié)機(jī)能平衡的功效，十分有益于人體的健康[2]。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，穿著具有負(fù)離子發(fā)射功能的睡衣睡覺時，直腸溫度會降低，有助于深度睡眠，同時也會加強(qiáng)身體免疫力[3]。因此在紡織品生產(chǎn)過程中添加負(fù)離子粉體等可激發(fā)空氣產(chǎn)生負(fù)離子的物質(zhì)，制成負(fù)離子紡織品，應(yīng)用于家紡及室內(nèi)裝飾物等，將大大提高紡織品的附加值[4]。

電氣石內(nèi)部存在永久性電極，它的特性是環(huán)境發(fā)生溫差或壓差變化(即使是細(xì)小變化)時，該粉體晶體間會形成電勢差，瞬時產(chǎn)生約百萬伏特的靜電壓，周圍空氣中部分氣體原子或分子被電離，形成游離電子，并與未電離的空氣分子結(jié)合，從而形成空氣負(fù)離子[5]。研究表明，把電氣石等天然無機(jī)礦物粉體與高聚合物混煉紡絲成纖維，制備出具有產(chǎn)生負(fù)離子功能的紡織品，應(yīng)用到實(shí)際生活中，可使人類生活的空氣中無時無刻地產(chǎn)生著負(fù)離子，這種方法可以有效改善人們生活的環(huán)境條件。

負(fù)離子發(fā)生量(Q，單位“個/cm3”)是用來衡量紡織品釋放負(fù)離子能力的一個重要指標(biāo)，其值是由空氣負(fù)離子檢測儀按照一定的測試方法測得，但現(xiàn)有的測試方法并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，導(dǎo)致測試結(jié)果差異極大。因此，本文通過對現(xiàn)有紡織品負(fù)離子發(fā)生量測試方法的分析，探討相關(guān)因素對測試方法的影響，進(jìn)而形成一套較為合理的紡織品負(fù)離子發(fā)生量測試方法。

1 現(xiàn)有紡織品負(fù)離子發(fā)生量測試方法的對比分析

目前有多種紡織品負(fù)離子發(fā)生量的測試方法，可歸納成兩種類型7種方法：一種是開放型，即在開放的環(huán)境中測試紡織品負(fù)離子發(fā)生量，包括靜置法和手搓法；另一種是封閉型，即在相對密閉且穩(wěn)定的小環(huán)境中進(jìn)行測試，包括負(fù)離子測定室法、負(fù)離子測試箱法、平摩式測試法、懸垂擺動式法和FCL織物負(fù)離子測試方法(以下簡稱FCL法)。

1.1 現(xiàn)有7種測試方法對比分析

1.1.1 靜置法

1.1.2 手搓法

手搓法[7]用手握住試樣，在距離空氣離子測試儀端口1～2 cm處，以200次/min的頻率搓動試樣1 min，收集測量數(shù)據(jù)，取其平均值作為每次測試的結(jié)果。此方法操作簡單，但偶然誤差較大、重現(xiàn)性差。其影響原因主要有：①不同測試者的手溫、力度等差異；②開放環(huán)境里的電氣設(shè)備、強(qiáng)導(dǎo)電體、空氣的流動等影響。

1.1.3 負(fù)離子測定室法

負(fù)離子測定室法[8]需要建立一個環(huán)境條件穩(wěn)定的測定室，要求其完全密閉，保證不受環(huán)境因素的影響，在測定室內(nèi)進(jìn)行紡織品負(fù)離子發(fā)生量的測試。此測定室加工要求嚴(yán)格，使得成本太高，且測試中不能排除人為影響。

1.1.4 負(fù)離子測試箱法

負(fù)離子測試箱法[9]是將試樣裁剪成尺寸如A4紙大小，在絕緣的亞克力測試箱內(nèi)，用手握住試樣并小幅擺動來測試負(fù)離子發(fā)生量。缺點(diǎn)是人為因素使操作不能量化，要求不能規(guī)范化，測試結(jié)果不穩(wěn)定。

1.1.5 平摩式測試法

平摩式測試法[10]是采用全自動色牢度摩擦測試儀作為負(fù)離子發(fā)生裝置，將其產(chǎn)生的水平摩擦運(yùn)動效果作用在試樣上，模擬織物在摩擦受力情況下產(chǎn)生負(fù)離子。從物理學(xué)角度此方法較適用于摩擦產(chǎn)生正負(fù)電荷的現(xiàn)象，但在紡織品實(shí)際使用過程中通過摩擦以產(chǎn)生負(fù)離子的方法是否具有可行性值得商榷，且該摩擦裝置能否在測試中獲得滿意的效果，還有待進(jìn)一步的研究。

1.1.6 懸垂擺動式法

懸垂擺動式法[11]需要制作一個懸垂擺動激發(fā)裝置，測量織物在擺動狀態(tài)時的紡織品負(fù)離子發(fā)生量。此法可模擬懸掛式紡織品負(fù)離子發(fā)生量的測試，但無法模擬測試受到摩擦作用時面料的負(fù)離子發(fā)生量。

1.1.7 FCL法

FCL法[12]同樣利用全自動色牢度摩擦測試儀作用于面料，測試環(huán)境為標(biāo)準(zhǔn)大氣下的測試倉內(nèi)(長×寬×高≥700 mm×40 mm×40 mm，無底面)，測試織物的負(fù)離子發(fā)生量。計(jì)算方法為，3次以上測試結(jié)果的平均值作為樣品測試結(jié)果，且保證測試環(huán)境一致。雖然該法測試原理與平摩式測試法沒有本質(zhì)區(qū)別，但試驗(yàn)的結(jié)果不應(yīng)該取3次以上測試結(jié)果的平均值，而應(yīng)該取穩(wěn)定曲線段的3～5個峰值的平均值。

所有可用的揮發(fā)性有機(jī)化合物的測量方法都是有選擇性的，可以測量和準(zhǔn)確地量化。沒有人能夠測量共同存在的所有揮發(fā)性有機(jī)化合物。一些測量被稱為“TVOC濃度”——空氣中同時存在多個VOCs的總濃度。

1.2 現(xiàn)有測試方法存在問題及其解決對策

通過對上述7種測試方法的分析，歸納出4個方面的問題并提出解決方法：

1)開放式環(huán)境中測試紡織品負(fù)離子發(fā)生量會受到周圍環(huán)境的影響，隨著測試時間的推移，周圍環(huán)境中負(fù)離子濃度也會發(fā)生變化，造成每次試驗(yàn)的初始條件不一致，導(dǎo)致測試誤差[13]，因此測試時應(yīng)設(shè)計(jì)為在一個密閉的測試環(huán)境下進(jìn)行。

2)紡織品在受到額外的物理刺激后會產(chǎn)生的負(fù)離子濃度，較靜置狀態(tài)時多[14]，有研究者采用某種動力裝置(如摩擦儀等)作用于紡織品，雖然該方法能得到比較理想的數(shù)據(jù)，但是也帶來了新問題，比如動力裝置的選擇標(biāo)準(zhǔn)、使用方法等，使得試驗(yàn)數(shù)據(jù)不具備可比性。

3)一些紡織品在實(shí)際使用時，并沒有處于持續(xù)受力狀態(tài)(如摩擦、擺動等)，故測試其受到刺激后產(chǎn)生的負(fù)離子發(fā)生量，與實(shí)際情況不符合。因此為避免動力裝置的差異造成試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差，本文選擇測試靜置狀態(tài)下的紡織品負(fù)離子發(fā)生量，測得數(shù)據(jù)具有較好的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。

4)同一種測試方法因受到某些因素的影響，導(dǎo)致測試結(jié)果不準(zhǔn)確，需要對不同影響因素進(jìn)行研究，使測試方法更合理、規(guī)范。因此本文討論起始時間(T)、測試距離(L)、擺放方式和相對表面積(S/V)對紡織品負(fù)離子發(fā)生量測試方法的影響規(guī)律。

2 紡織品負(fù)離子發(fā)生量的測試儀器、測試倉及樣品

負(fù)離子檢測儀要求可以測量空氣離子濃度，分辨正負(fù)離子，以及被測離子的大小。明確測試對象、選擇專業(yè)的空氣離子檢測儀是建立測試體系的關(guān)鍵。按1.2中第一條的解決對策要求，為測試制作一個密閉測試倉，保證測試在密閉穩(wěn)定環(huán)境中進(jìn)行。將自制的負(fù)離子聚丙烯非織造材料研制成符合試驗(yàn)要求的樣品。

2.1 測試儀器

COM-3200PRO Ⅱ空氣離子檢測儀(日本COM SYSTEM INC)。

2.2 測試倉研制

為了給測試提供一個密閉穩(wěn)定的空間，防止外來因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響，本文針對GB/T 30128—2013《紡織品 負(fù)離子發(fā)生量的檢測和評價》[15]中5.2的要求，設(shè)計(jì)并制作了有機(jī)玻璃測試倉，如圖1所示。

圖1 測試倉示意Fig.1 Schematic diagram of test bin

測試倉是透明密閉的長方體，內(nèi)部尺寸為(560±2) mm×(300±2) mm×(210±2) mm，由上蓋板、側(cè)板及底板等組成。倉體材料選用厚度為3 mm的無色透明有機(jī)玻璃板材，具有易于加工、透明、質(zhì)輕、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。上蓋板上安裝有一個小把手，以方便打開測試倉、樣品和儀器的放置或取出，以及給測試倉換氣。側(cè)板有4塊，其中一塊側(cè)板有一個直徑為5mm的圓孔，用于連接電腦記錄儀。側(cè)板與上蓋板及底板之間的縫隙，采用塑料薄膜包覆，并采用膠帶密封。

2.3 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)樣品設(shè)計(jì)為兩種規(guī)格的聚丙烯非織造材料(采用ROC-MB 300型熔噴紡絲設(shè)備自行研制，負(fù)離子粉體——納米鈦、金、鍺的含量為4%)，該材料具有良好的負(fù)離子釋放性能，其中A組樣品用于研究起始時間、測試距離和擺放方式因素，B組樣品用于研究相對表面積因素。規(guī)格為：1)樣品A，平方米質(zhì)量120 g/m2，100 mm×100 mm；2)樣品B1～B4，平方米質(zhì)量30 g/m2，B1為50 mm×50 mm、B2為100 mm×100 mm、B3為200 mm×200 mm、B4為200 mm×400 mm。

3 各因素最佳測試水平的研究及分析

按1.2中第四條的解決對策要求，本文選擇T、L、擺放方式和S/V四個因素，探討各因素對封閉環(huán)境中靜置的紡織品負(fù)離子發(fā)生量測試的影響規(guī)律，并選擇每個因素的最佳測試水平作為測試條件，以形成一套測試方法。試驗(yàn)在溫度為(24±2) ℃，相對濕度為95%±5%的試驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行，每個因素水平試驗(yàn)重復(fù)3次，取其平均值作為測量結(jié)果，并計(jì)算對應(yīng)的誤差條添加到數(shù)據(jù)圖中來表征數(shù)據(jù)的分布，其中誤差條的高度為±標(biāo)準(zhǔn)差。為了盡可能減小環(huán)境負(fù)離子本底濃度對測試結(jié)果的影響，首先對測試倉內(nèi)環(huán)境負(fù)離子本底濃度值進(jìn)行測試，結(jié)果為60個/cm3，不會影響測試結(jié)果。

3.1 起始時間

研究測試的起始時間，是為了了解在密閉環(huán)境中放入紡織品試樣后負(fù)離子濃度隨時間的變化規(guī)律，以選擇準(zhǔn)確的測試起始時間，避免測試誤差。

選取A樣品，將試樣水平放置于檢測儀內(nèi)，迅速關(guān)閉測試倉，開始測定紡織品的負(fù)離子發(fā)生量，同時使用電腦軟件采集2700 s內(nèi)數(shù)據(jù)，其Q-T關(guān)系曲線如圖2所示，計(jì)算3次試驗(yàn)結(jié)果的CV值為1.11%，說明試驗(yàn)的重復(fù)性好。當(dāng)時間為0～900 s時曲線不斷上升，900 s以后曲線變化逐漸穩(wěn)定，測試倉中紡織品負(fù)離子發(fā)生量處于動態(tài)平衡狀態(tài)，讀取這段曲線上5個峰值，計(jì)算平均值，作為每組樣品的負(fù)離子發(fā)生量，結(jié)果保留至整數(shù)位。因此，開始測試前，應(yīng)將紡織品靜置在測試倉中900 s以上。

圖2 Q-T關(guān)系曲線Fig.2 Q-T curve

3.2 測試距離

負(fù)離子在空氣中相互碰撞、聚集，形成大離子或中離子，遷移速度會減慢，其遷移范圍有限。為了找到準(zhǔn)確的測試點(diǎn)，研究負(fù)離子濃度隨距離的變化規(guī)律，以選擇合理的測試距離，避免測試誤差。

測試距離是指試樣到檢測儀進(jìn)氣口的垂直距離。測試距離如3圖所示，L為變量，分別取0、1、3、5、8 cm作為5個試驗(yàn)水平；h表示檢測儀進(jìn)氣口到測試倉底板的距離，為定值1 cm。紡織品Q-L變化折線如圖4所示，每組試驗(yàn)進(jìn)行3次測試，計(jì)算每個水平試驗(yàn)結(jié)果的CV值為1.71%～9.75%，說明試驗(yàn)的重復(fù)性較好。隨著距離增大，負(fù)離子發(fā)生量先逐漸增大，5 cm時，測得最大值為830個/cm3，繼續(xù)增大距離，負(fù)離子發(fā)生量迅速下降。測試距離過小時，試樣離檢測儀進(jìn)氣口太近，阻礙了空氣的流通，負(fù)離子發(fā)生量較??；距離過大時，負(fù)離子的生命周期很短，試樣產(chǎn)生的負(fù)離子來不及被檢測儀測試就已經(jīng)消失，負(fù)離子發(fā)生量降低[6]。因此，最佳測試距離為5 cm。

圖3 測試距離示意Fig.3 Schematic diagram of test distance

圖4 Q-L變化折線(n=3)Fig.4 Line chart of Q-L

3.3 擺放方式

紡織品的擺放方式會影響檢測儀前方空氣流通，繼而使得進(jìn)入檢測儀內(nèi)的負(fù)離子數(shù)量不同，造成試驗(yàn)誤差。選擇3種擺放方式，分別為水平擺放方式M1、垂直擺放方式M2和圓筒擺放方式M3，如5圖所示，L=5 cm。

圖5 三種擺放方式Fig.5 Schematic diagram of three display modes

紡織品Q-擺放方式如圖6所示，每組試驗(yàn)進(jìn)行3次測試，計(jì)算每個水平試驗(yàn)結(jié)果的CV值為1.41%～5.88%，說明試驗(yàn)的重復(fù)性好。水平擺放方式測得的負(fù)離子發(fā)生量最大，圓筒擺放方式次之，豎直擺放方式最小。豎直擺放方式擋住了檢測儀進(jìn)氣口前方空氣流動，導(dǎo)致測試倉里的空氣不能很好地循環(huán)流動，測得負(fù)離子發(fā)生量較?。粓A筒擺放方式能增強(qiáng)空氣循環(huán)，但縮小了紡織品的二維平面范圍，空氣與紡織品接觸幾率減小，產(chǎn)生的負(fù)離子也減少。因此，水平擺放方式最佳。

3.4 相對表面積

紡織品的表面積及測試倉的體積對測試結(jié)果影響很大，實(shí)際使用中將紡織品放置到人們生活的居室內(nèi)，如使用的紡織品表面積越大，居室體積越小，其產(chǎn)生的負(fù)離子濃度會越高[5]。因此，本文把樣品表面積與測試倉體積的比定義為相對表面積(S/V)。比值參考紡織品面積與普通房間體積的比，樣品表面積選取B1～B4試樣，即為2.5×103、1×104、4×104、8×104mm2，測試倉體積近似等于3.5×107mm3，得到相對表面積分別為7×10-5、3×10-4、1×10-3、2×10-3，模擬實(shí)際使用情況中紡織品負(fù)離子發(fā)生量。

圖6 Q-擺放方式條形示意(n=3)Fig.6 Bar chart of Q-display modes (n=3)

紡織品Q-S/V變化如圖7所示，每組試驗(yàn)進(jìn)行3次測試，計(jì)算每個水平試驗(yàn)結(jié)果的CV值為2.50%～7.05%，說明試驗(yàn)的重復(fù)性好。相對表面積較小時，負(fù)離子發(fā)生量較小，相對表面積達(dá)到1×10-3時，測得負(fù)離子發(fā)生量比較大，值為360個/cm3。負(fù)離子產(chǎn)生和保存的時間很短，在空氣中移動時，會與帶有異種電荷的輕、重離子發(fā)生中和反應(yīng)，也會與中性致密微粒結(jié)合而失去電性[13]，從而負(fù)離子濃度會維持在一定的范圍內(nèi)。因此，測試最佳相對表面積為≥1×10-3。

圖7 Q-S/V變化折線(n=3)Fig.7 Line chart of Q-S/V (n=3)

4 結(jié) 論

通過對比分析現(xiàn)有的紡織品負(fù)離子發(fā)生量測試方法，研究起始時間(T)、測試距離(L)、擺放方式和相對表面積(S/V)四大主要因素對測試方法的影響規(guī)律，結(jié)果表明：

1)靜止?fàn)顟B(tài)下，測得的紡織品負(fù)離子發(fā)生量能代表一些紡織品在實(shí)際中使用的情形；紡織品負(fù)離子發(fā)生量測試需要在密閉穩(wěn)定的環(huán)境中進(jìn)行。

2)紡織品Q-T變化會趨于動態(tài)平衡狀態(tài)，所需時間為900 s，因此紡織品負(fù)離子發(fā)生量測試的起始時間為900 s；L=5 cm時，測得負(fù)離子發(fā)生量最大值為830個/cm3，因此紡織品負(fù)離子發(fā)生量的最佳測試距離為5 cm；三種擺放方式中水平擺放方式測得的負(fù)離子發(fā)生量最大；S/V=1×10-3時，測得負(fù)離子發(fā)生量最大為360個/cm3，因此紡織品負(fù)離子發(fā)生量的最佳相對表面積≥1×10-3。

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Study on measurement method of anion-generating capacity of textiles

ZHANG Xiaoxiao1,2, WU Hongxiao1, LI Yun1,2, WANG Guohe1,2

(1. College of Textile and Clothing Engineering, Soochow University, Suzhou 215006, China; 2. National Engineering Laboratory for Modern Silk, Suzhou 215123, China)

Based on analyzing the existing test methods for anion-generating capacity, this paper takes self-developed anion polypropylene non-woven materials as the test sample, uses COM-3200PRO Ⅱ air anion counter to test anion-generating capacity of static anion textiles in sealed test bin and discusses the influence of test time, test distance, display mode and relative surface area on anion-generating capacity of textiles. Then, the test method for anion-generating capacity is established as follows:in the condition of constant temperature and humidity, the sample is placed into the sealed test bin horizontally for at least 900 s, and the test distance is 5 cm; relative surface area≥1×10-3. In addition, the bin is ventilated before each test.

textiles; anion; generating capacity; test method; starting time; distance of test; display mode; relative surface area

??與技術(shù)

10.3969/j.issn.1001-7003.2016.10.004

2016-04-11;

2016-10-08

張小霞(1989-),女，碩士研究生，研究方向?yàn)榧徔棽牧吓c紡織品設(shè)計(jì)。通信作者：王國和，教授，wangguo he@suda.edu.cn。

TS107.4

A

1001-7003(2016)10-0017-06 引用頁碼:101104