低摩擦電壓、高過(guò)濾率耐久防靜電面料的研發(fā)

陳 蘭, 華偉杰, 尤寅峰

(江蘇省紡織研究所股份有限公司,江蘇 無(wú)錫 214024)

眾所周知靜電是兩物體摩擦、分離后在各自物體上帶的靜止電荷，如從帶幾千伏、幾十千伏高電位的物體發(fā)生脈沖刷形成放電或火花放電時(shí)，則瞬時(shí)產(chǎn)生幾安培的電流，會(huì)形成各種災(zāi)害。不同摩擦帶電方式產(chǎn)生的電壓(見表1)[1]。人體在進(jìn)行各種活動(dòng)時(shí)，服裝上的摩擦電壓值己超過(guò)了許多靜電敏感器件的靜電放電損壞閾值(見表2)[1]，因此在半導(dǎo)體集成電路生產(chǎn)過(guò)程中，由于人體操作產(chǎn)生摩擦而引起靜電放電，往往使脆弱的集成電路擊穿而損壞。

表1 不同摩擦方式所產(chǎn)生的靜電壓

表2 靜電對(duì)部分電子器件的擊穿電壓

化纖長(zhǎng)絲面料由于具有高絕緣性能會(huì)加劇電荷積累，而純棉織物，雖然具有相對(duì)較好的導(dǎo)電性，但僅在空氣濕度到達(dá)50%以上，才能一定程度上減少靜電危害，并且棉織物為短纖差評(píng)產(chǎn)品，不能在凈化室使用。美國(guó)在大型通訊機(jī)系統(tǒng)的裝配當(dāng)中，檢測(cè)出有故障的集成電路的1/3為靜電放電擊穿而損壞。 穿著絕緣鞋的人體假定帶了1.5 kV的靜電,放電時(shí)足以使市場(chǎng)上出售的雙極性集成電路和CMOS集成電路全部擊穿或產(chǎn)生異常。低摩擦電壓防靜電面料及制品的研發(fā)是電子行業(yè)發(fā)展的必然要求。

在電子制造環(huán)境潔凈室中，除了來(lái)自于生產(chǎn)過(guò)程的粉塵或微塵以外，微污染源80%來(lái)源于人體，它包括人體在潔凈環(huán)境中由于皮膚掉屑和出汗的生理現(xiàn)象，成為一個(gè)最大的污染源。面料或服裝的防塵性和抗靜電性之間存在著密切的關(guān)系，人體或服裝產(chǎn)生的靜電也會(huì)吸附塵埃造成污染。這種微塵污染會(huì)對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生較大的影響，造成產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、返工率高等問(wèn)題。例如，在薄膜電晶體液晶片生產(chǎn)過(guò)程中，微塵會(huì)污染電子線路，破壞電路的完整性；1 Mbit容量的集成電路芯片內(nèi)部的激光刻線是1 μm，1 μm的塵埃粒子就能夠?qū)λ纬善茐?；在集成電路制造生產(chǎn)中，制造空間潔凈度為100級(jí)時(shí)(大于等于5 μm微粒含量25個(gè)/m3)，成品率接近100%；制造空間潔凈度為1 000級(jí)(大于等于5 μm微粒含量2 500個(gè)/m3)時(shí)，成品率僅有65%[2]。因此，降低潔凈室內(nèi)最大的發(fā)塵源成了重要任務(wù)，而工作服裝的防塵性能也成為電子行業(yè)所關(guān)注的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

1 實(shí)現(xiàn)低摩擦電壓、高過(guò)濾率途徑

面料獲取低摩擦電壓有下面4種途徑[3-6]：(1)利用抗靜電整理劑對(duì)纖維或織物進(jìn)行后整理，此類方法的抗靜電效果難以長(zhǎng)久保存，耐洗滌性能差，且在低濕度環(huán)境中不顯示抗靜電性能；(2)對(duì)成纖高聚物進(jìn)行共混、共聚、接枝改性引入親水性極性基團(tuán)，或在纖維內(nèi)部添加抗靜電劑，制取抗靜電纖維，但纖維電阻較高、強(qiáng)度較低且受環(huán)境濕度的影響；(3)以纖維或織物為基體，通過(guò)物理、機(jī)械、化學(xué)等途徑，在纖維表面涂敷固著金屬、碳黑、導(dǎo)電高分子等導(dǎo)電物質(zhì)，可獲得較低的電阻率，但在摩擦和反復(fù)洗滌后皮層導(dǎo)電物質(zhì)較易剝落；(4)在織物中混紡或嵌織導(dǎo)電纖維，利用電場(chǎng)引起自身電暈放電使靜電中和，抗靜電性能不受環(huán)境濕度的影響，其中金屬導(dǎo)電纖維耐化學(xué)腐蝕、耐熱、導(dǎo)電性能強(qiáng)，但紡紗性能差，因此一般多用于地毯面料；導(dǎo)電高分子型纖維由于紡絲困難，價(jià)格較高，因此難以獲得廣泛使用；導(dǎo)電型金屬化合物纖維牢度好，具有除臭、抗菌等附加功能，但是成本較高且電磁屏蔽能力一般；碳黑系復(fù)合纖維因具備耐化學(xué)藥品、耐熱性能好、導(dǎo)電性能強(qiáng)等優(yōu)良特質(zhì)而被廣泛使用，但是提高碳黑組份雖能改善纖維導(dǎo)電能力，但纖維可紡性和機(jī)械性能下降。

為使面料具有高過(guò)濾效率目前有2種方法[7-9]，一種方法采用細(xì)旦纖維或超細(xì)纖維與導(dǎo)電纖維復(fù)合并網(wǎng)，這樣原料單纖維多而細(xì)，與同樣線密度的原料比較比表面積大，有利于提高面料過(guò)濾率，同時(shí)選用合理的組織結(jié)構(gòu)和高密度織造。但由于機(jī)織織造經(jīng)緯線之間必須保留一定的間隙才能完成，因此過(guò)濾效率不可能達(dá)到很高要求。另一種方法是通過(guò)后整理的高收縮獲得，這種方法的前提是原材料必須采用高收縮纖維。

國(guó)內(nèi)外典型防靜電潔凈面料的性能見表3。

表3 國(guó)內(nèi)外典型防靜電潔凈面料的性能

續(xù)表3

2 產(chǎn)品規(guī)格、工藝路線和工藝參數(shù)

2.1 產(chǎn)品原料的篩選

紡織品抗靜電技術(shù)的關(guān)鍵在于低阻、長(zhǎng)效、普適的新型導(dǎo)電纖維的研制和應(yīng)用技術(shù)研究。使用碳黑進(jìn)行復(fù)合紡絲制備導(dǎo)電纖維是最佳選擇。碳黑粉末制造成本低廉，使用安全性高；復(fù)合紡絲法制得纖維中導(dǎo)電組分沿纖維軸向連續(xù)，易于電荷逸散，抗靜電效果持久；所得導(dǎo)電纖維易于織造。提高碳黑的含量和降低粒度有利于纖維的導(dǎo)電性能，但碳黑在聚合物基體中難以均勻分散、紡絲液流動(dòng)性差、紡絲困難，纖維力學(xué)性能惡化。制造導(dǎo)電復(fù)合纖維的技術(shù)關(guān)鍵在于提高導(dǎo)電物質(zhì)在基體中的分散性，攻克含高導(dǎo)電碳黑復(fù)配和熔體高強(qiáng)穩(wěn)定紡絲成形關(guān)鍵技術(shù)，制備兼具良好導(dǎo)電能力和穩(wěn)定力學(xué)性能的纖維。

普通導(dǎo)電碳黑粉末粒徑較大(3～4μm)，在紡制導(dǎo)電復(fù)合纖維中一般含量為20%～30%，得到的導(dǎo)電纖維表面電阻為106～108Ω,經(jīng)由導(dǎo)電性物質(zhì)、高聚物和分散劑等助劑組成導(dǎo)電紡絲母粒,在獲得所需的纖維電阻時(shí),纖維的機(jī)械物理性能同時(shí)也滿足紡織加工和后道服裝正常穿著的需要。

同時(shí)通過(guò)設(shè)計(jì)了復(fù)合纖維的結(jié)構(gòu)，以降低碳黑在纖維中形成導(dǎo)電通路所需要的濃度，提高纖維的導(dǎo)電能力。本產(chǎn)品摒棄了傳統(tǒng)導(dǎo)電纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)所使用的皮芯結(jié)構(gòu)、單點(diǎn)或多點(diǎn)內(nèi)切圓結(jié)構(gòu)、三明治式夾心結(jié)構(gòu)等等，單纖維中導(dǎo)電部分為扇形(以單纖維中心為圓心)，使扇形導(dǎo)電部分的圓弧面始終外露于纖維表面，導(dǎo)電部分在纖維表面所占比例增大并能滲透到單纖維中心，以確保纖維具有良好的導(dǎo)電性。

2.2 產(chǎn)品規(guī)格、工序流程、生產(chǎn)工藝參數(shù)和技術(shù)措施

(1)設(shè)計(jì)產(chǎn)品規(guī)格

傳統(tǒng)的導(dǎo)電纖維等間距嵌條、嵌格的方法[10-12]進(jìn)行織造，雖然織造工藝簡(jiǎn)單，但使得織物中靜電泄露和逸散通道減少，難以減小面料的表面電荷并降低摩擦電壓。因此，本產(chǎn)品基于對(duì)防靜電性和防塵性的雙重要求，創(chuàng)新性的將高比表面積的細(xì)旦或超細(xì)滌綸纖維與導(dǎo)電纖維復(fù)合并捻制備抗靜電長(zhǎng)絲紗，使得同樣線密度紗線中單纖維細(xì)度降低、數(shù)量增加，增大了比表面積提高了微塵過(guò)濾率。

紗線結(jié)構(gòu)參數(shù)及紡制工藝對(duì)面料防靜電、防塵性能的影響，如調(diào)整碳黑導(dǎo)電纖維、細(xì)旦或超細(xì)纖維線密度及單絲數(shù)量，并捻后絲線捻度等參數(shù)，測(cè)試面料的表面電荷量、摩擦電壓、微塵過(guò)濾率以選取最佳參數(shù)。經(jīng)緯原料采用83.3 dtex/72F FDY+22.2 dtex/3F導(dǎo)電絲，紗線捻度為800 T/m，考慮到捻度太小織造時(shí)容易起毛，反之捻度太大將影響摩擦電壓和過(guò)濾率；并捻防靜電絲中導(dǎo)電纖維單絲線密度選擇7.3 dtex/F，防靜電并捻長(zhǎng)絲不但兼具了導(dǎo)電纖維及超細(xì)纖維的優(yōu)良特性，同時(shí)改善了紗線的可織性。

優(yōu)選織物結(jié)構(gòu)參數(shù)、織造工藝參數(shù)。組織結(jié)構(gòu)選用最為緊密的平紋組成。上機(jī)經(jīng)緯密度盡可能緊密：上機(jī)經(jīng)密63根/cm；上機(jī)緯密34根/cm。盡量減少面料紗線之間的空隙，提高面料的防靜電和防塵功能；整經(jīng)、織造等工序中，需要良好的設(shè)備狀態(tài)和合理的工藝參數(shù)以減少紗線的損傷和毛羽的產(chǎn)生。

(2)產(chǎn)品后整理、熱軋致密工藝參數(shù)及設(shè)備條件

由于機(jī)織織造經(jīng)緯線之間必須保留一定的間隙才能完成，因此過(guò)濾效率不可能達(dá)到很高要求?；瘜W(xué)試劑的使用也能達(dá)到目的但不利于安全健康。因此本產(chǎn)品利用物理方法對(duì)防靜電面料進(jìn)行整理，通過(guò)優(yōu)化染色和整理工藝，進(jìn)一步封閉面料中的空隙，增加面料的致密性和緊密度。

(3)工藝流程

工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程

(4)產(chǎn)品目標(biāo)

產(chǎn)品相應(yīng)技術(shù)要求：①防靜電性能：洗前、洗100次后均符合GB12014-2009防靜電服標(biāo)準(zhǔn)“A”級(jí)，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電阻為1×105～1×107Ω；②摩擦電壓：(洗前)≤50 V，(洗100次后)≤100 V；③過(guò)濾性能：過(guò)濾率≥90%(0.5 μm)。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)低摩擦電壓、高過(guò)濾率耐久防靜電面料的研發(fā)，首創(chuàng)經(jīng)緯每根紗線均采用高濃度含碳黑纖維與細(xì)旦或超細(xì)纖維進(jìn)行復(fù)合加工而制得抗靜電長(zhǎng)纖維；

(2)可以根據(jù)各類客戶的需求，采用不同參數(shù)組合形式的進(jìn)行加工；

(3)選用結(jié)構(gòu)緊密的組織結(jié)構(gòu)、經(jīng)緯紗線結(jié)構(gòu)，在不影響織造的前提下盡可能提高經(jīng)緯密度。精選前道加工路線和織造上機(jī)加工工藝參數(shù)，為產(chǎn)品具有低電壓、高過(guò)濾率性能做好鋪墊工作；

(4)后整理進(jìn)一步提高布面平整度、緊密度。添加熱軋致密后整理工序，使面料進(jìn)一步熱收縮致密、纖維截面扁平化增加比表面積，提升面料平整度和緊密度，從而實(shí)現(xiàn)降低摩擦電壓、提高過(guò)濾率的目的；

(5)耐久性低摩擦電壓、高過(guò)濾率防靜電面料為防靜電高性能產(chǎn)品，產(chǎn)品主要用于制作生產(chǎn)大型集成電路高級(jí)別凈化室用凈化服。