静电的原理(用气球摩擦头发发出静电的原理)

日期：2023年06月23日 08:31 浏览量：3

关于摩擦起电,目前仍然存在很多未知问题尚未解决:如材料接触过程中的电荷转移机理、摩擦过程中电荷产生的规律以及电荷消除等。我们要知其然,更要知其所以然。

静电的危害

1.纺纱织布中,高速运转的纱线由于静电的存在,造成紊乱缠绕现象,影响机器的正常运行。尤其是精纺过程中存在较大的静电,会产生严重的缠皮辊现象,影响纤维的精梳效果,进而影响产品质量。

2.染整加工过程中,织物烘燥时,静电常使布匹吸附于机体或落布架上,发生倒卷现象。

3.溶剂涂层加工中,高速运转织物表面的电火花会引起火灾。

4.操作工与带电织物接触,常发生电击感。静电常使衣服纠缠人体,产生粘附不适感,并且带静电的衣服极易吸尘沾尘、沾染油污。

追溯静电本源

两种不同的纤维材料在接触、摩擦过程中,表面发生电荷转移,当两物体分开后,表面仍然有等量异号电荷积累的现象,即为接触/摩擦起电。

这是一种表面化的解释 ,这样的解释只是说明了摩擦是起电的一种手段 ,但并没有说明摩擦在其中起的作用 ,也未能说清楚导致电子转移的原因。

1接触生电:

这是比较主流的一种观点,摩擦生电的实质在于接触生电,由于两种摩擦物质的原子核对电子的束缚力不同,因而在接触面上的电子将同时受到两边原子核吸引力的作用,在两种物质分开的时候,束缚力大的物质将会从吸引力小的物质处获取电子带上负电,束缚力小的物质由于失去电子带上正电。而摩擦在其中的作用是打平接触面上的凸起部分从而增大两摩擦物间的接触面积。

2热生电:

摩擦使接触面的温度升高产生热能,热能导致电子动能增大,从而导致两物体相互接触处的电子易于转移,由于两种摩擦物质的原子核对电子的束缚力不同,因此原子核束缚电子能力弱的摩擦物会失去一些电子带正电,原子核束缚电子能力强的摩擦物得到电子带负电。

3压生电:

纤维也是一种压电材料,具有一定的压电效应,在机械力的作用下使晶体发生形变,引起晶体介质极化,导致正负电荷中心不再重合,从而使晶体表面带有电荷。尤其是人工合成的高分子纤维如涤纶、腈纶、锦纶,本身就具有更多的晶区结构,再加上本身导电性差,更易积累电荷。所以在通常情况下,合成纤维更易比天然纤维易起静电。

4分子断裂生电:

由于摩擦力不足以让原子的外层电子脱离轨道,摩擦只能让物质的分子断裂,断开的分子碎片就会一个带正电、一个带负电,其中较小的分子碎片都会往另一个物体上跑,这些跑动的分子碎片带什么电,就会导致那里带什么电,例如氢氧键并不是均勻断裂的,而是氢作出了牺牲,把电子都给了氧之后,才断开的。与之类似的还有污染物在物质表面形成偶电层,电偶层经摩擦脱离而生电。

如同棉织物染色过程中,使用元明粉Na2SO4促染原理相似,Na+离子半径远小于SO42-,可以更好的与棉纤维上的负电荷基团结合,从而起到中和电性,降低电荷斥力的作用。

织物起静电,从表面上看是摩擦起电,但实际上简单摩擦却有千差万别的起电原因,只有深入认识起电的原理,才可以更好的解决织物如何抗静电的问题。

抗静电整理的机理

提高抗静电性主要遵循两大原则:减少静电产生,或提高静电逸散速度。纤维电阻由其本身性质决定,很难改变。所以抗静电整理更多从纤维表面入手

用表面活性剂处理合成纤维时,根据相似者相溶的原理,表面活性剂的疏水部分向着纤维表面,而亲水部分朝外,在纤维表面上形成连续的亲水表层,吸附水分及可溶性无机物,使电阻下降。抗静电剂作用的另一种方式是离子化。离子型的抗静电剂本身具有良好的导电性,这种可电离的聚电解质在表层水分的作用下被离子化,从而显著地提高了纤维的导电性。此外,离子化的抗静电剂也可通过中和表层电荷的方式,减少纤维所带电荷。

织物抗静电剂根据使用场景可分为两类:耐久抗静电剂 和 暂时抗静电剂。

1耐久抗静电剂:

聚氨酯本身抗静电性能一般,甚至不具备抗静电性能,但在合成过程中使用亲水聚醚链段,加入咪唑及其衍生物、季铵盐、脂肪胺等导电物质,抗静电性能大大增强,高温定型后,在纺织品表面交联成膜,具耐洗性。

聚丙烯酸酯抗静电剂的研究较早,含有亲水或导电性能的丙烯酸酯单体共聚形成大分子,整理后在纤维表面成膜,耐洗性良好。

2暂时抗静电剂:

化纤织物后整理加工一般需要高温定型,为提高生产效率,车速很快,化纤与传动装置快速高温摩擦时产生大量静电,落布时布匹难打卷,甚至有啪啪的放电声音,存在着极大的安全隐患。在加工整理液中添加抗静电剂可以减弱或消除带电现象,使生产顺利进行。暂时性抗静电剂一般很少单独使用,经常和硅油、防水剂、增白剂等同浴使用,因此减少对其他助剂性能的影响非常重要

涤纶抗静电剂:

涤纶纤维使用最广,抗静电剂用量也最大。阳、非、阴、两性表面活性剂对涤纶纤维或以涤纶为主的混纺纤维都有抗静电效果。十二烷基三甲基溴化铵可以中和涤纶纤维上的负电荷,还能在纤维表面形成憎水性油膜,降低摩擦系数。吐温-80本身具有一定的抗静电效果,还具有良好的乳化性、耐热性,可以进一步降低摩擦系数,使纤维具有良好的抱和集束性。两者按一定比例复配可以达到很好的抗静电效果。

尼龙抗静电剂:

尼龙织物在摩擦中带正电,阳离子表面活性剂不适合,生产中一般使用阴离子或非离子抗静电剂。一般认为,尼龙纤维在摩擦中带正电,阳离子表面活性剂在纤维表面吸附量小,抗静电效果差,但使用中加入交联剂,效果则另当别论,使用交联剂将抗静电剂固定在织物上。聚氨酯类型的抗静电剂具有交联作用,适合在尼龙织物上使用,但成本较贵。选择抗静电剂时应考虑纤维主体成分,着重解决抗静电剂问题,保证抗静电在布面均匀铺展,形成导电通道,

不同抗静电剂的协同效应不同抗静电剂的作用机理各异,若将不同类型抗静电剂拼用,则会集多种作用效果于一体,达到协同增效的目的。在保证应用效果的前提下,降低成本是生产加工中必须考虑的问题。例如,抗静电剂DM-3723是一种聚氨酯抗静电剂,具有非常优良的导电性和耐洗性,价格略高。而聚阳离子化合物,同样可以自交联覆盖在纤维表面,具有一定的吸湿性和非常强的离子化功能,从而具备抗静电效果。

将这两种抗静电剂拼用,抗静电效果如表所示

可以看出,在相同用量情况下,两种抗静电剂互配使用则静电压明显小于它们单独使用时的静电压(静电压小的抗静电效果好);助剂比例不同,抗静电效果也不同。综合比较,抗静电剂DM-3723与聚阳离子化合物质量比约为4∶6时,抗静电效果更好。

抗静电剂发展趋势

开发耐久性抗静电剂在研究抗静电剂的使用性能时,人们开发了外用抗静电剂(通过浸渍、喷撒、擦搽的方式整理到织物表面的暂时性抗静电剂)和内用型抗静电剂(指添加到合成纤维的纺丝原液中),即使材料表面抗静电剂分子层缺损,但材料内部的抗静电剂分子又不断向表面迁移,从而获得耐久抗静电效果

开发性能优良、绿色环保的多功能配套助剂,将是助剂发展的必然方向。抗静电纤维作为智能材料的主要品种之一,必将在材料领域取得越来越重要的地位。