窗簾摩擦靜電的電荷量研究

文/商良鉞 范曉偉 王艷

窗簾作為日常生活中不可缺少的室內(nèi)裝飾品，不僅起到遮陽隔熱、調(diào)節(jié)室內(nèi)光線的作用，同時(shí)又能美化室內(nèi)環(huán)境，保護(hù)房主隱私[1]。因其獨(dú)特的布局特點(diǎn)——懸掛于窗戶的室內(nèi)側(cè)，窗簾成為顆粒污染物由室外環(huán)境進(jìn)入室內(nèi)后第一個(gè)可能接觸并大概率發(fā)生沉積的表面，顆粒物在窗簾上沉積得越多，由室外通過窗戶進(jìn)入室內(nèi)的顆粒物就越少。因此，窗簾對(duì)顆粒物的吸附和捕捉能力對(duì)室內(nèi)空氣的質(zhì)量有著積極的影響[2]。

靜電是影響窗簾對(duì)顆粒物吸附效果的一個(gè)重要因素。窗簾在使用過程中，會(huì)與窗戶的金屬框、玻璃以及其他的窗簾布等表面發(fā)生不同程度的摩擦。這些摩擦?xí)勾昂煵籍a(chǎn)生靜電，產(chǎn)生靜電的數(shù)量以及這些靜電對(duì)顆粒物的吸附效果如何，是一個(gè)值得探討的課題。窗簾屬于紡織物，目前對(duì)于紡織物靜電的研究主要集中在織物靜電的檢測(cè)、織物的抗靜電性能、織物的抗靜電處理等方面[3-6]，而對(duì)于紡織物在實(shí)際使用過程中（摩擦次數(shù)很少）產(chǎn)生靜電大小的研究則相對(duì)較少。本文主要對(duì)窗簾摩擦靜電的電荷量進(jìn)行研究，目的是得出窗簾在使用過程中因摩擦而產(chǎn)生電荷量的大小，以提供摩擦次數(shù)較少時(shí)織物表面所帶電荷量數(shù)據(jù)的支撐。

1 窗簾布樣品的選擇

樣品的選擇直接關(guān)系試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性、適用性，因此主要從材質(zhì)、樣式等方面進(jìn)行考量。目前市場(chǎng)上窗簾主要采用的材料有：純棉、麻、滌綸、真絲或由幾種原料混織而成等。這其中化學(xué)纖維相比于天然纖維有著耐用、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、易打理等諸多優(yōu)點(diǎn)。其中滌綸強(qiáng)度高、彈性好，耐熱性、耐腐蝕性、耐光性優(yōu)良[7]，是窗簾的首選材料。因此選擇滌綸作為本試驗(yàn)的主要樣品的材質(zhì)。在結(jié)構(gòu)上，試驗(yàn)樣品應(yīng)該具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、變量少的特點(diǎn)，同時(shí)許多家庭在窗簾的選購(gòu)中也偏向于純色或拼色窗簾，以避免窗簾在裝潢設(shè)計(jì)中的喧賓奪主，因此本論文中首先選取的樣品為純色單層滌綸長(zhǎng)絲樣品。

窗簾在實(shí)際使用過程中，有一定概率會(huì)和人所穿的織物進(jìn)行接觸，而羊毛作為紡織材料中具有代表性的動(dòng)物纖維，電阻值為5×1011Ω，相反滌綸的表面電阻值大于1×1015Ω[8]。羊毛優(yōu)秀的靜電耗散速度與滌綸形成鮮明的對(duì)比，并且，為了更深入地研究不同織物在摩擦次數(shù)較少時(shí)的靜電特性，分析不同織物材質(zhì)的在相同的摩擦條件下的特性差異，更準(zhǔn)確地說明滌綸作為窗簾材質(zhì)在實(shí)際使用中和其他材質(zhì)的靜電特性特點(diǎn)，本文增加純羊毛和羊毛-滌綸混紡的材料作為兩個(gè)對(duì)照樣品。

選取的試驗(yàn)樣品材質(zhì)為純滌綸、純羊毛、混紡，如圖1所示。具體參數(shù)如表1，其中滌綸樣品為長(zhǎng)纖維樣品，忽略其毛羽長(zhǎng)度。

為了方便描述，將放在桌面上固定不動(dòng)的物品稱為被摩擦對(duì)象。被摩擦對(duì)象為滌綸、混紡、金屬板、玻璃。純鋁金屬板和玻璃分別用于研究窗簾布與金屬窗框和玻璃之間的摩擦。每種材質(zhì)的織物有兩塊相同的試驗(yàn)樣品，用于研究織物之間摩擦的靜電特性。樣品、鋁板、玻璃的尺寸均為800 mm×800mm。

圖1 試驗(yàn)樣品

2 試驗(yàn)原理與方法

2.1 試驗(yàn)原理

織物產(chǎn)生靜電的機(jī)理主要有：接觸效應(yīng)、摩擦效應(yīng)、熱電效應(yīng)、壓電效應(yīng)、感應(yīng)起電等[3]，而在窗簾的使用過程中，起電機(jī)理主要為摩擦效應(yīng)。在拉動(dòng)窗簾、風(fēng)吹動(dòng)窗簾、人經(jīng)過窗簾的時(shí)候，窗簾均會(huì)與金屬窗框、玻璃、其他窗簾布、其他紡織品等發(fā)生摩擦，本文將主要對(duì)以上摩擦起電情況進(jìn)行研究。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12703.3—2009《紡織品 靜電性能的評(píng)定 第3部分：電荷量》[9]中法拉第筒的使用規(guī)范，想要還原窗簾自然摩擦的狀態(tài)是不可行的，因此本試驗(yàn)采取抽象簡(jiǎn)化的方法研究使用過程中的靜電狀況。用窗簾布樣品和各物體直接進(jìn)行簡(jiǎn)單摩擦，然后將摩擦后的窗簾布樣品直接投入到法拉第筒中，讀取窗簾布所攜帶的電荷量，用以間接測(cè)量窗簾在實(shí)際使用中可能的荷量。與錢樨成[3]等人對(duì)于摩擦次數(shù)和電荷量關(guān)系的試驗(yàn)相比，錢樨成等人摩擦次數(shù)高達(dá)7000次，本試驗(yàn)?zāi)Σ链螖?shù)更少，是面與面之間的摩擦，摩擦方式貼近實(shí)際。

根據(jù)侯慶華等人[10]的研究可以知道，織物充分摩擦之后產(chǎn)生的電荷量的數(shù)量級(jí)在0.14μc/m2～16μc/m2之間，根據(jù)摩擦的材料，摩擦的情況不同，數(shù)量級(jí)有所不同。摩擦帶電一般關(guān)系如下列方程式[3,6]。

式中：Q——為帶電量，C；W——為摩擦功，J；ν——為摩擦速度，m/s。

物體帶靜電，其對(duì)地面的電位提高。本文檢測(cè)電荷量的設(shè)備是法拉第筒。法拉第筒根據(jù)高斯原理，結(jié)合電荷量與電容、電壓之間的關(guān)系，通過測(cè)量電壓來間接測(cè)量織物或其他物品的電荷量，具體原理見參考文獻(xiàn)[10]。

2.2 試驗(yàn)方法

本文使用的法拉第筒型號(hào)為YG(L)342F。具體試驗(yàn)步驟為：

1）將被摩擦對(duì)象水平放在金屬板上，金屬板水平放在絕緣桌面上，金屬板接地，一端伸出桌面10cm，以避免織物摩擦的過程中與桌面接觸。

2）將樣品與被摩擦對(duì)象水平對(duì)齊放置，用絕緣木夾夾住樣品兩端，以1.5m/s的速度水平摩擦，使樣品完全脫離被摩擦對(duì)象；

3）以相同的速度，反面反向摩擦一次，反面摩擦開始時(shí)，樣品與被摩擦對(duì)象重疊面積不超過樣品的四分之一，摩擦至樣品與被摩擦對(duì)象對(duì)齊時(shí)結(jié)束一次摩擦。

4）恢復(fù)摩擦開始前的狀態(tài)進(jìn)入下一次摩擦階段。

5）摩擦完畢后迅速將樣品投入到法拉第筒中并讀取儀器的最大值作為該次測(cè)量的電荷量大小。

整個(gè)摩擦過程中，樣品、被摩擦對(duì)象、桌面等物體距離試驗(yàn)人員最小距離大于15cm。在相對(duì)濕度為（40±3）%、室溫為（20±2）℃的環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與討論

表1 樣品詳細(xì)參數(shù)

試驗(yàn)全程監(jiān)測(cè)環(huán)境中的相對(duì)濕度，確保相對(duì)濕度控制在（40±3）%，從而使相對(duì)濕度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響降到最低，室溫（20±2）℃。通過試驗(yàn)測(cè)量，得到3個(gè)樣品與不同的被摩擦對(duì)象進(jìn)行不同次數(shù)的摩擦后產(chǎn)生的電荷量。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 3個(gè)樣品與不同物體摩擦的電荷量曲線

試驗(yàn)結(jié)果表明，摩擦之后的滌綸樣品和羊毛樣品均帶正電荷，而混紡材質(zhì)的樣品帶負(fù)電荷。為了便于對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，本文將得到的全部電荷數(shù)據(jù)取絕對(duì)值處理。由于樣品面積全部為0.64m2，所以電荷量的大小直接反映出電荷量面密度的大小。

由圖2中的各曲線可以發(fā)現(xiàn)，織物表面所帶的電荷量隨摩擦次數(shù)的增加呈現(xiàn)兩種明顯的趨勢(shì)：一種是電荷量隨摩擦次數(shù)的增增加而增加，增加速度隨著摩擦次數(shù)的增加而減少；另一種是電荷量不隨摩擦次數(shù)有明顯的變化，而是在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)。使用origin對(duì)圖中各組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合之后發(fā)現(xiàn)電荷量隨摩擦次數(shù)增加試驗(yàn)組中，電荷量與摩擦次數(shù)成對(duì)數(shù)函數(shù)的關(guān)系；另一種情況是電荷量與摩擦次數(shù)成常函數(shù)關(guān)系。

對(duì)于成對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系的試驗(yàn)組，根據(jù)公式（1）可以知道電荷量的多少和摩擦功成正相關(guān)，為摩擦功的1/2次方乘以速度的函數(shù)，在本試驗(yàn)中每一次單獨(dú)的摩擦都盡量保持相同的摩擦狀態(tài)，可以認(rèn)為摩擦速度保持不變，則電荷量的多少與摩擦功應(yīng)成1/2次方的冪函數(shù)關(guān)系。當(dāng)每次摩擦的狀態(tài)相同的時(shí)候，摩擦次數(shù)側(cè)面反映了摩擦功的大小?？梢哉J(rèn)為在本試驗(yàn)中摩擦功隨著摩擦次數(shù)的增加線性增加，因此隨著摩擦次數(shù)的增多，電荷量的增長(zhǎng)速度下降。實(shí)際測(cè)量過程中，測(cè)量的數(shù)值是殘留在窗簾樣品上的電荷，摩擦過程中必然存在電荷量的損失，且隨著摩擦次數(shù)的增加，損失量上升，而公式（1）并沒有電荷量耗散項(xiàng)，因此與本文擬合的函數(shù)種類有所不同。在錢等人[3]的研究中也指出，當(dāng)摩擦次數(shù)達(dá)到一定值后靜電大小保持穩(wěn)定。

對(duì)于成常函數(shù)關(guān)系的試驗(yàn)組，其中羊毛與玻璃摩擦產(chǎn)生的靜電很小，且在0.075 μc/m2～0.118μc/m2之間波動(dòng)，并未達(dá)到羊毛帶電的最大值。再通過對(duì)比三種樣品與其他物體的摩擦，可以看出，玻璃在4種被摩擦對(duì)象中是平均產(chǎn)生電荷量最少的材質(zhì)，說明玻璃是不容易摩擦帶電的材質(zhì)。而羊毛與混紡、羊毛與滌綸、滌綸與滌綸均產(chǎn)生了較大的靜電，且靜電大小不隨摩擦次數(shù)的增加而變化。說明這三種摩擦組合，一次摩擦便產(chǎn)生了大量靜電，達(dá)到了靜電飽和狀態(tài)，從摩擦功角度來講，一次摩擦的摩擦功足以讓織物達(dá)到靜電平衡狀態(tài)。

在與混紡摩擦的試驗(yàn)中，圖2（d）的羊毛樣品依然產(chǎn)生了較大的電荷，但相比于摩擦滌綸，摩擦混紡產(chǎn)生的電荷量較低。與摩擦滌綸試驗(yàn)對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，三種樣品的電荷量均有所降低，且在前4次摩擦就達(dá)到了靜電飽和狀態(tài)，這說明：三種樣品摩擦混紡的時(shí)候，更容易產(chǎn)生靜電，但電荷量上限要小于與摩擦滌綸時(shí)的情況。從結(jié)構(gòu)和材質(zhì)角度分析：滌綸材質(zhì)較混紡材質(zhì)飽和時(shí)帶電更多，但本試驗(yàn)的滌綸樣品重量、厚度、毛羽數(shù)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于羊毛樣品和混紡樣品，在一次摩中，做功較小，根據(jù)公式

（1）摩擦功小的產(chǎn)生的電荷量就小，因此，摩擦滌綸的電荷量上升速度更慢，但飽和值卻更高。

由上述分析可以看出，對(duì)于不同的被摩擦對(duì)象，滌綸樣品的靜電曲線并不完全相同。當(dāng)織物需要多次摩擦才能達(dá)到靜電飽和狀態(tài)時(shí)，電荷量-摩擦次數(shù)曲線均滿足對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。當(dāng)摩擦一次便能達(dá)到靜電平衡狀態(tài)時(shí)，電荷量-摩擦次數(shù)曲線則是在一定范圍內(nèi)波動(dòng)變化，有常函數(shù)形態(tài)的趨勢(shì)。摩擦次數(shù)可以變相地看為樣品的摩擦功，進(jìn)而可以得出推論，織物表面因摩擦帶電的電荷量大小與摩擦所做功成對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。當(dāng)摩擦次數(shù)達(dá)到一定程度時(shí)，摩擦產(chǎn)生的電荷量趨于穩(wěn)定。而公式（1）中并未考慮電荷的耗散，因此并不能完全反映織物在實(shí)際摩擦中的電荷量曲線特性。

綜合3個(gè)樣品摩擦不同物體的曲線圖可以看出，3個(gè)樣品摩擦滌綸產(chǎn)生的電荷量最大，然后依次是混紡、金屬、玻璃。可以看出，滌綸窗簾在使用過程中，主要電荷量產(chǎn)生于窗簾與其他織物或自身進(jìn)行摩擦產(chǎn)生的靜電，而與窗框、玻璃等物體的摩擦則是次要因素。滌綸窗簾摩擦產(chǎn)生的電荷量數(shù)量級(jí)在相對(duì)濕度（40±3）%、溫度（20±2）℃時(shí)，為0.109μc/m2～2.19μc/m2。

4 結(jié)論

通過試驗(yàn)，用3種不同材質(zhì)和4種被摩擦物進(jìn)行了摩擦試驗(yàn)，并對(duì)電荷量隨摩擦次數(shù)的變化進(jìn)行函數(shù)擬合。可以得到窗簾在使用中因摩擦可能產(chǎn)生的電荷量的大小，以及電荷量-摩擦次數(shù)的變化關(guān)系?；谠囼?yàn)數(shù)據(jù)得到以下結(jié)論：

（1）各材質(zhì)織物樣品在摩擦中的靜電曲線略有不同，但普遍是和摩擦次數(shù)有著對(duì)數(shù)函數(shù)的關(guān)系，達(dá)到一定的摩擦次數(shù)之后保持穩(wěn)定。

（2）在窗簾這種使用情況下，窗簾的靜電主要來源于窗簾與窗簾之間的摩擦（如：雙層結(jié)構(gòu)的窗簾、窗簾配合紗簾等情況），其次是源于與玻璃或金屬窗框之間的摩擦。滌綸窗簾摩擦產(chǎn)生的電荷量在相對(duì)濕度（40±3）%、溫度（20±2）℃時(shí)，為0.109μc/m2～2.19μc/m2。

（3）在相同摩擦速度下，靜電產(chǎn)生的多少與樣品材質(zhì)的電阻大小是弱相關(guān)，與樣品的結(jié)構(gòu)參數(shù)是強(qiáng)相關(guān)。