地毯的抗靜電性能與工藝設(shè)計(jì)

曹 暾

北京航空工藝地毯有限公司，北京101300

地毯的抗靜電性能與工藝設(shè)計(jì)

曹 暾

北京航空工藝地毯有限公司，北京101300

利用導(dǎo)電纖維等抗靜電材料，以不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)和不同方法加入地毯，探討地毯的電阻與靜電壓的關(guān)系。

地毯，抗靜電，靜電性能，導(dǎo)電纖維，電阻率，電阻

在我國(guó)北方，冬季和春季的空氣干燥，相對(duì)濕度低于40%。在一些鋪設(shè)地毯的酒店、公共場(chǎng)所和家庭內(nèi)，地毯產(chǎn)生的靜電壓可達(dá)數(shù)千伏，甚至能達(dá)到上萬伏。當(dāng)人手觸及門把、水龍頭或家電時(shí)，會(huì)有強(qiáng)烈的電擊感。靜電會(huì)干擾電腦、精密儀器和控制系統(tǒng)的工作，還可能擊穿集成電路元器件，造成系統(tǒng)損壞。靜電會(huì)引起皮膚瘙癢，伴有針刺感，導(dǎo)致頭痛，使人煩躁不安。另外，靜電易吸附灰塵，使地毯色澤發(fā)暗、清潔難度加大。

飛機(jī)在高空中飛行時(shí)，外界氣溫一般在-70～-30 ℃， 客艙內(nèi)的相對(duì)濕度不能過大，通?？刂圃?%～25%的低濕環(huán)境[1]，以免濕氣遇冷出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象，腐蝕飛機(jī)結(jié)構(gòu)，引發(fā)電器故障?？团撌且粋€(gè)密閉空間，是飛行途中旅客的主要活動(dòng)和生活區(qū)域，人員多而區(qū)域狹窄，在干燥環(huán)境下，地毯在鞋底摩擦和擠壓下極易產(chǎn)生靜電，對(duì)飛機(jī)上的無線電設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。飛機(jī)客艙內(nèi)所用地毯，除了要求美觀、舒適外，其抗靜電性能是保證持續(xù)安全飛行的重要條件。

1 地毯的靜電性能與要求

紡織材料的靜電性能由其電學(xué)性能決定。靜電衰減時(shí)間是衡量材料防靜電性能的重要指標(biāo)，用來表示靜電荷泄露速度的快慢，靜電衰減時(shí)間越長(zhǎng)，表示材料越容易積累靜電。靜電性能常用靜電荷半衰期表示[2]：

τ=ε×ρv×8.86×10-12

式中：τ——靜電荷半衰期，s；ε——介電常數(shù)；ρv——電阻率(又稱體積比電阻)，Ω·cm。

摩擦?xí)辜徔棽牧蠋弦欢ǖ撵o電荷，各種紡織材料的介電常數(shù)為2～5、電阻率為104～1014Ω·cm，可以看出電阻率是影響靜電荷衰減速度的主要因素。電阻率大的纖維，靜電衰減速度很慢，即使電荷量不大，高數(shù)值的靜電壓會(huì)在數(shù)小時(shí)內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間存在。而導(dǎo)電性能好的材料，盡管電荷量大，但靜電衰減速度快，因此靜電效應(yīng)并不明顯。一般抗靜電織物的電荷半衰期要求≤2 s[3]。羊毛有一定的吸濕性，其電荷半衰期在溫度20 ℃、相對(duì)濕度60%的環(huán)境中超過10 s，在溫度20 ℃、相對(duì)濕度35%的環(huán)境中超過60 s[4]。

地毯因其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用了多種材料，它的靜電特性通常用靜電壓和水平電阻(表面電阻)表示。GB/T 14252—2008《機(jī)織地毯》在附加任選特性中對(duì)地毯的抗靜電性提出了要求(≤2.0 kV～≤3.5 kV)， 一般在商務(wù)區(qū)域使用的地毯(如公共場(chǎng)所、酒店、辦公室和家庭等)要求其靜電壓≤3.5 kV，而在特定場(chǎng)所(如使用精密電子設(shè)備的計(jì)算機(jī)房和醫(yī)院等)使用的地毯要求更低的靜電壓(≤2.0 kV)，對(duì)地毯的電阻要求為水平電阻≤105Ω、垂直電阻≤109Ω，見表1。

表1 地毯靜電性能要求

注1：國(guó)內(nèi)試驗(yàn)常用GB/T 18044—2008《地毯 靜電習(xí)性評(píng)價(jià)法 行走試驗(yàn)》，等效采用ISO 6356:2000Textilefloorcoverings-Assessmentofstaticelectricalpropensity-Walkingtest2：BMS 8-237GBoeingmaterialspecificationCarpet3：GB/T 23165—2008《地毯 電阻的測(cè)定》，等效采用ISO 10965:1998Textilefloorcoverings-Determinationofelectricalresistance

在我國(guó)民用航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MH/T 6060—2015《航空地毯》和波音公司標(biāo)準(zhǔn)BMS 8-237G中，地毯的靜電性能作為一項(xiàng)強(qiáng)制性指標(biāo)，要求人體行走試驗(yàn)的靜電壓≤2.5 kV。

美國(guó)大多使用抗靜電阻燃尼龍膨體長(zhǎng)絲作為航空地毯的絨頭材料，我國(guó)和歐洲則更多地使用羊毛或羊毛與錦綸混紡。采用羊毛纖維做絨頭材料的地毯舒適，給人以高檔感，吸濕性能好，產(chǎn)生的靜電荷比化纖少得多；但是在干燥環(huán)境中，如相對(duì)濕度低于30%時(shí)，地毯的表面電阻仍大于1012Ω，靜電半衰期較長(zhǎng)，特別是使用純化纖(如錦綸、滌綸、腈綸等)做絨頭材料的地毯，其吸濕性差，表面電阻大于1013Ω，非常容易產(chǎn)生靜電。圖1是幾種纖維在不同相對(duì)濕度下的電阻。

在溫度23 ℃、相對(duì)濕度20%的環(huán)境中，幾種地毯的靜電性能如圖2所示。

地毯的靜電壓與靜電荷的衰減速度有密切關(guān)系，而電阻率的大小決定了靜電荷的衰減速度快慢。那么，在地毯的絨經(jīng)中加入多少導(dǎo)電纖維，地毯的表面電阻下降至多少，才能將上百秒的靜電荷半衰期降低到數(shù)秒以下而消除地毯的靜電現(xiàn)象呢？

圖1 幾種纖維在不同相對(duì)濕度下的電阻

圖2 幾種地毯的靜電性能

2 地毯背面涂層(背膠)的抗靜電處理

地毯背面涂層常用丁苯乳液、丙烯酸類乳液、水性聚氨酯(PU)乳液和醋酸乙烯-乙烯(VAE)乳液，通常添加助劑、輕鈣或阻燃劑等填料。在標(biāo)準(zhǔn)溫濕度條件下，背膠的電阻大于1012Ω。適當(dāng)添加導(dǎo)電材料，如導(dǎo)電短纖、金屬粉和導(dǎo)電炭黑等，可將地毯背膠的電阻值控制在108Ω以下，但是地毯表面的水平電阻和垂直電阻仍大于1012Ω，地毯的靜電壓超過3.5 kV。

3 導(dǎo)電纖維的特性

一般將電阻率小于108Ω·cm的纖維稱為導(dǎo)電纖維(也有人認(rèn)為應(yīng)小于106Ω·cm)，效果好的導(dǎo)電纖維的電阻率通常小于10Ω·cm。導(dǎo)電纖維按使用的導(dǎo)電材料分，主要有金屬纖維、金屬覆膜導(dǎo)電纖維、炭黑系導(dǎo)電纖維、金屬?gòu)?fù)合導(dǎo)電纖維和有機(jī)高分子導(dǎo)電纖維；其生產(chǎn)方法有后整理法、化學(xué)反應(yīng)法、復(fù)合紡絲法和纖維改性法等。

金屬纖維的導(dǎo)電性能最好，在低濕度下仍具有良好的耐久抗靜電性，但紡紗時(shí)抱合力小，紡紗性能差，而且價(jià)格昂貴。

金屬覆膜導(dǎo)電纖維以銅、銀等為導(dǎo)電材料，通過吸附和化學(xué)反應(yīng)固著在纖維表面形成金屬導(dǎo)電膜，其電阻率可下降到10Ω·cm以下，抗靜電性能僅次于金屬纖維。

炭黑系導(dǎo)電纖維的價(jià)格較便宜，但電阻率較大，導(dǎo)電性能較差，黑色也在一定程度上限制了其使用范圍，只能用于抗靜電要求不高的場(chǎng)合。

金屬?gòu)?fù)合導(dǎo)電纖維利用金屬粉、金屬鹽、金屬氧化物等導(dǎo)電微粒與高聚物材料共混或復(fù)合成皮芯型、露出型、海島型等結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)是顏色呈灰或白色，有利于染色，但電阻率偏大。

有機(jī)高分子導(dǎo)電纖維由聚乙炔、聚苯硫醚、聚吡咯、聚噻吩等高分子導(dǎo)電材料直接紡絲制成，由于紡絲難度大、價(jià)格高，其應(yīng)用受到限制。

幾種導(dǎo)電纖維和常用纖維的導(dǎo)電性能見表2。

表3列出了一些生產(chǎn)廠家的導(dǎo)電纖維產(chǎn)品。

導(dǎo)電紗采用導(dǎo)電纖維紡制或由導(dǎo)電纖維與其他纖維混紡，再經(jīng)并線合股加入地毯絨經(jīng)中，其產(chǎn)品見表4。

表2 幾種導(dǎo)電纖維和常用纖維的導(dǎo)電性能

表3 導(dǎo)電纖維產(chǎn)品

表4 導(dǎo)電紗產(chǎn)品

4 導(dǎo)電纖維在地毯中的應(yīng)用

用于地毯的導(dǎo)電纖維應(yīng)具備適當(dāng)?shù)募?xì)度、長(zhǎng)度、強(qiáng)度，可紡性好，耐摩擦，耐水洗，導(dǎo)電性不受染整加工的影響。因?yàn)閷?dǎo)電纖維的價(jià)格較高(是普通纖維的10～20倍)，合理設(shè)計(jì)其生產(chǎn)工藝和適當(dāng)選用導(dǎo)電纖維顯得尤為重要。

地毯絨經(jīng)加入導(dǎo)電纖維的主要方法：

(1) 和毛混入法。在和毛時(shí)加入導(dǎo)電纖維，經(jīng)梳理、并條等工序，制成含一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的導(dǎo)電纖維的地毯絨經(jīng)。

(2) 復(fù)合法。導(dǎo)電長(zhǎng)絲與常規(guī)BCF長(zhǎng)絲復(fù)合，在絨經(jīng)并線合股時(shí)加入。

(3) 混紡紗線法。在絨經(jīng)并線合股時(shí)加入導(dǎo)電紗。

添加了導(dǎo)電纖維的地毯絨經(jīng)的導(dǎo)電特性見表5。

表5 添加了導(dǎo)電纖維的地毯絨經(jīng)的導(dǎo)電特性

表6列出了幾種采用不同導(dǎo)電纖維類型/電阻率、不同導(dǎo)電纖維添加方式的地毯(絨經(jīng)纖維成分：羊毛，質(zhì)量分?jǐn)?shù)80.0%；錦綸，質(zhì)量分?jǐn)?shù)20.0%)的水平電阻和靜電壓。

表6 幾種采用不同導(dǎo)電纖維類型/電阻率、不同導(dǎo)電纖維添加方式的地毯的水平電阻和靜電壓

續(xù)表

注1：測(cè)試條件為溫度25 ℃，相對(duì)濕度56%

每隔3根絨經(jīng)有1根絨經(jīng)并入導(dǎo)電長(zhǎng)絲或?qū)щ娂喌慕q經(jīng)排列如圖3所示。

圖3 并入導(dǎo)電長(zhǎng)絲或?qū)щ娂喌慕q經(jīng)排列示意(俯視)

威爾頓圈絨二色提花地毯結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 威爾頓絨圈二色提花地毯結(jié)構(gòu)示意(經(jīng)向截面)

5號(hào)樣品比6號(hào)樣品的靜電壓高，這是因?yàn)槿峄ǖ靥旱膶?dǎo)電長(zhǎng)絲占絨經(jīng)質(zhì)量比小于二色提花地毯，而且絨經(jīng)中炭黑系導(dǎo)電長(zhǎng)絲與測(cè)試電極的接觸不穩(wěn)定，靜電壓數(shù)值波動(dòng)大；因?qū)щ婇L(zhǎng)絲都沿地毯經(jīng)向排列，故地毯緯向的水平電阻超出1013Ω。

由8號(hào)樣品的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，絨經(jīng)中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的銅覆膜導(dǎo)電短纖，地毯的靜電壓即下降為2.0 kV；如果像9、10號(hào)樣品那樣再加入導(dǎo)電紗，其與導(dǎo)電短纖形成立體穿插，則地毯的靜電壓會(huì)不同程度地進(jìn)一步下降。地毯的水平電阻與靜電壓如圖5所示。

圖5 地毯的水平電阻與靜電壓

與導(dǎo)電長(zhǎng)絲和地面接觸時(shí)的靜電泄露不同，雖然銅覆膜導(dǎo)電短纖在地毯絨經(jīng)中的混入質(zhì)量分?jǐn)?shù)很小，并不能形成連續(xù)的頭尾銜接，但通過計(jì)算顯示絨經(jīng)截面內(nèi)含2～3根導(dǎo)電纖維，為電暈放電創(chuàng)造了良好條件。其抗靜電機(jī)理：羊毛、錦綸受到摩擦后帶正電荷，導(dǎo)電纖維在靜電場(chǎng)作用下發(fā)生電離而生成負(fù)電荷，并向纖維尖端匯集，當(dāng)電荷密度達(dá)到一定值便發(fā)生電暈放電，從而消除靜電。電暈放電比火花放電的電壓低得多，放電的能量密度遠(yuǎn)小于火花放電，不易察覺，在織物不接地的情況下也能很好地消除織物上所帶的靜電，這對(duì)于飛機(jī)上使用的紡織品內(nèi)飾材料特別合適。

人的雙手在干燥時(shí)的電阻值為105～3×105Ω，潮濕時(shí)會(huì)下降到103Ω以下。如果發(fā)生漏電，當(dāng)通過人體的交流電流達(dá)到1 mA時(shí)，人會(huì)有觸電的感覺。為了避免漏電對(duì)人造成危害，規(guī)定人身安全電流≤30 mA。如果限定漏電電流不大于10 mA，當(dāng)電壓為220 V時(shí)，電阻應(yīng)在104Ω以上，抗靜電地毯的背膠、水平和垂直電阻應(yīng)控制在105～109Ω。

5 結(jié)論

在絨經(jīng)中添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的導(dǎo)電纖維，可將地毯的靜電壓控制在0.7～3.5 kV。銅覆膜導(dǎo)電纖維具有很好的抗靜電效果，以0.3%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)添加，就能將地毯的水平電阻控制在105～108Ω，確保其靜電壓≤2.5 kV。

雖然銅覆膜導(dǎo)電纖維的價(jià)格是炭黑系導(dǎo)電纖維的3倍以上，但抗靜電效果好且添加量少，總體成本并沒多少增加。另外，銅覆膜導(dǎo)電纖維表面附著一層硫化銅化合物，對(duì)通信電磁波和電磁輻射有一定的屏蔽和消減作用，同時(shí)具有一定的抗菌、除臭功能，有利于保持地毯清潔。

[1] 孫學(xué)德. 客艙空氣濕度與冷凝水研究[J]. 科技信息[J], 2011(22): 409-410.

[2] 秦家浩, 錢樨成. 紡織材料靜電測(cè)試[M]. 北京：紡織工業(yè)出版社，1987: 25.

[3] 孔斌, 孫延林, 魏光輝, 等. 防靜電工作區(qū)技術(shù)要求: GJB 3007A—2009[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2009.

[4] 王敏. 八種單組分織物抗靜電性能比較[J]. 中國(guó)纖檢, 2012(22): 59-61.

Antistatic property and process design of carpets

CaoTun

Beijing Aircraft Carpet Co., Ltd., Beijing 101300, China

The antistatic materials such as conductive fibers were added into carpets at different mass contents and by different methods, and then the relationship between the resistance and the static voltage of the carpets was discussed.

carpet, antistatic, electrostatic property, conductive fiber, resistivity, resistance

2016-06-12

曹暾，男，1958年生，總工程師，從事航空和民用威爾頓地毯的工藝、技術(shù)和新產(chǎn)品開發(fā)工作

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1004-7093(2017)02-0022-05