Оценка показателей электризуемости материалов
Лекция 2-14
Тема 7. Физические свойства текстильных материалов(окончание)
Вопросы, рассматриваемые на лекции:
1. Основные понятия и теории электризации текстильных материалов.
2. Оценка показателей электризуемости материалов.
3. Способы снижения электризуемости материалов
1. Основные понятия и теории электризации текстильных материалов.
Текстильные материалы в процессе их производства, а также изготовления и эксплуатации швейных изделий постоянно соприкасаются с поверхностями однородных и неоднородных тел. В результате возникновения и нарушения контакта на соприкасающихся поверхностях образуются заряды статического электричества, происходит электризация материалов. Способность материалов в определенных условиях накапливать на поверхности статическое электричество называют электризуемостью.
При соприкосновении (трении) текстильных материалов на их поверхности протекает одновременно два процесса: процесс генерации (возбуждения, возникновения) зарядов статического электричества определенной полярности и процесс диссипации (рассеивания) зарядов. Электризация тел обнаруживается, когда равновесие между этими процессами нарушается.
В настоящее время законченной теории, объясняющей электризацию тел, пока нет. Наибольшее распространение получили две теории.
Первая теория, рассматривающая электризацию как результат перехода носителей зарядов (электронов или ионов) с одной контактирующей поверхности на другую. При соприкосновении диэлектрика, в частности текстильного волокна, с металлом с поверхности последнего сходят электроны, имеющие определенный уровень энергии, и «прилипают» к поверхности диэлектрика, сообщая ему отрицательный заряд. Однако на практике волокна при соприкосновении с металлами могут заряжаться как отрицательно (например, поливинилхлоридные волокна, нитрошелк, фторлон), так и положительно (капроновые, лавсановые, вискозные, природные волокна). Электризацию диэлектрика положительными зарядами в этом случае объясняют присутствием на его поверхности электронов, способных при определенных условиях, покидая диэлектрик, оставлять «дырки», которые можно рассматривать как положительные заряды. В результате отрицательные электроны и положительные «дырки» образуют между контактирующими поверхностями Двойной электрический слой.
Другая теория рассматривает причину электризации диэлектриков — за счет ориентации полярных молекул, расположенных на поверхности волокон. Текстильные волокна являются полимерными диэлектриками, макромолекулы которых имеют полярные группы и, следовательно, постоянные дипольные моменты. На поверхности тел равновесие зарядов нарушено, и поэтому существует определенный поверхностный потенциал, величина которого зависит от поляризации молекул, характера их расположения в поверхностном слое и его плотности. При соприкосновении двух поверхностей возникает электрическое поле, под действием которого происходит ориентация диполей, в результате чего между контактирующими поверхностями возникает двойной электрический слой. При нарушении контакта поверхностей двойное электрическое поле разъединяется и каждая из контактирующих поверхностей оказывается заряженной электричеством противоположного знака.
Электризация материалов представляет собой поверхностный эффект, возникающий в результате нарушения контакта между двумя поверхностями. При трении электризация повышается вследствие того, что само трение — это ряд последовательных возникновений и нарушений контактов трущихся поверхностей. Повышение поляризации и диполяризации молекул при трении связано с тем, что выделяющаяся теплота способствует большей подвижности диполей и их более легкой ориентации.
Механизм электризации осложняется такими факторами, как электрохимическое сродство, наличие посторонних адсорбированных веществ на поверхности тел, общее состояние поверхностей, приходящих в соприкосновение, состояние внешней среды.
Оценка показателей электризуемости материалов
Электризуемость текстильных материалов оценивается величиной заряда, т. е. его плотностью Q, Кл/см2, и полярностью заряда (его знак бывает положительным и отрицательным). Так как электризуемость материалов тесно связана с рассеиванием зарядов статического электричества, то одной из основных характеристик электризуемости является удельное электрическое сопротивление ρ, Ом-м.
В связи с тем, что в настоящее время нет методики раздельного определения объемного и удельного поверхностного электрического сопротивления для текстильных материалов, практически измеряют суммарное удельное сопротивление. Подобной стандартной характеристикой для тканей и трикотажных полотен служит удельное поверхностное электрическое сопротивление ρs.
Под поверхностью в этой характеристике понимается поверхность соприкосновения материала с электродами определенного размера при заданной нагрузке. Следует отметить, что удельное поверхностное сопротивление в значительной степени зависит от площади поверхности соприкосновения материала с электродами прибора: с увеличением этой площади удельное сопротивление уменьшается.
Знак электрического заряда, возникающего на соприкасающихся поверхностях, зависит от химического строения вещества. При трении текстильных материалов величины электрических зарядов резко возрастают в течение первых 10 с, затем увеличение зарядов замедляется, достигая насыщения, после чего наблюдается даже некоторое снижение электризации. Поэтому величину заряда определяют обычно в момент насыщения, т.е. электризуемость оценивают по максимальной величине заряда.
Плотность электрического заряда, возникающего на поверхности материала, и его удельное поверхностное электрическое сопротивление зависят прежде всего от волокнистого состава материала (табл. 20).
Наименьшей плотностью зарядов и наибольшей электропроводностью характеризуются хлопчатобумажные материалы, а также материалы из гидратцеллюлозных волокон и нитей (вискозных и медноаммиачных). Немного выше плотность возникающих зарядов и удельное поверхностное сопротивление у материалов из природных белковых волокон (шерстяных, шелковых). Материалы из синтетических волокон и нитей проявляют при трении наибольшую электризуемость. Ацетатные и триацетатные материалы занимают промежуточное положение.
Таблица 20
Показатели электризуемости текстильных материалов
(по данным Н. М. Хабалошвили)
| Материал | Удельное электрическое сопротивление ρ, Ом- м | Плотность заряда Q, Кл/см2 |
| Хлопчатобумажный трикотаж | 2,1-108 | 9,0-10-12 |
| Вискозная ткань | 4,9- 108 | 1,08-10-11 |
| Медноаммиачный трикотаж | 5,9-108 | 1,08-10-11 |
| Шерстяной трикотаж | 1,7-109 | 3,42-10-11 |
| Шелковая ткань | 3,82-1011 | 8,55- 10-11 |
| Ацетатная ткань | 3,2-1013 | 2,79-10-10 |
| Триацетатная ткань | 9,7-10'2 | 1,6-10-10 |
| Капроновая ткань | 1,29-1014 | 3,69-10-10 |
| Хлориновый трикотаж | 1,37- 1014 | 3,78-10-10 |
| Нитроновый трикотаж | 1,66 -1014 | Нет сведений |
| Вискозноацетатная ткань | 8,2-1010 | 9,9-10-11 |
| Хлопковискозная ткань | 3,2 – 109 | 1,17-10-11 |
| Хлопкокапроновая ткань | 7,2-1010 | 9,9-10-11 |
| Хлопколавсановая ткань | 1,4-109 | 1,71-10-11 |
| Хлопкоацетатная ткань | 5,1-1010 | 1,08-10-10 |
| Ацетатнокапроновая ткань | 8,1-1013 | 2,88-10-10 |
Смешивание натуральных и гидратцеллюлозных волокон и нитей с синтетическими и ацетилцеллюлозными позволяет значительно снизить электризацию материалов.
Процесс рассеивания зарядов с поверхности наэлектризованных материалов зависит от электропроводности волокон, а также от наличия в воздухе заряженных частиц (электронов и ионов) и их подвижности. Текстильные волокна и нити обладают диэлектрическими (электроизолирующими) свойствами, их собственная электропроводность невелика. Однако текстильные волокна и нити способны адсорбировать из окружающего воздуха влагу, в результате чего на их поверхности присутствует моно- или полимолекулярный слой влаги. Помимо этого на поверхности волокон и нитей имеются загрязнения в виде различных солей, играющих роль электролитов. Наличие влаги и электролитов создает условия для резкого увеличения электропроводности материалов, повышения скорости стекания зарядов.
По этой причине у синтетических текстильных материалов, характеризующихся сравнительно низким влагосодержанием, удельное поверхностное электрическое сопротивление возрастает незначительно при уменьшении относительной влажности воздуха от 65 до 35%. Однако у материалов из натуральных и гидратцеллюлозных волокон удельное поверхностное сопротивление увеличивается почти на три порядка, при этом ощутимо не изменяется поверхностная плотность заряда.
Таким образом, электризуемость материалов связана не столько с процессом генерации (электризации) зарядов, сколько с процессом их рассеивания. Например, из природных волокон наибольшей способностью к электризации обладает шерсть; электризация вискозных волокон выше, чем полиакрилонитрильных. В то же время электризуемость шерстяных, хлопковых, вискозных волокон, обладающих высокими гидрофильными свойствами, значительно ниже, чем большинства гидрофобных искусственных и синтетических волокон.
Электризуемость текстильных материалов имеет суточные и сезонные колебания, связанные с ионизацией атмосферы. Например, по некоторым данным летом электризуемость материалов выше, так как солнечная активность в этот период сильнее.
На показатель удельного поверхностного электрического сопротивления оказывает влияние характер поверхности материала. Установлено, что наибольшее поверхностное электрическое сопротивление имеют ткани полотняного переплетения, за ними следует ткани атласного и саржевого переплетений.
В большинстве случаев электризуемость текстильных материалов представляет собой отрицательное явление: она вызывает помехи в технологических процессах производства материалов и изготовления из них швейных изделий. Электризуемость материал в одежде при ее носке вызывает неприятные ощущения у человека, прилипание изделия к телу, быстрое загрязнение в результате притяжения частиц пыли и т.д. Кроме того, электризуемость материалов, особенно возникающая при трении их о кожу человека оказывает биологические воздействия на организм человека. Однако механизм этих воздействий еще до конца не выяснен. Известно что, с одной стороны, положительное электрическое поле на поверхности кожи человека вызывает ряд патологических реакций со стороны нервной, сердечно-сосудистой и других систем организма; с другой стороны, поле статического электричества отрицательной полярности оказывает благоприятное воздействие на организм. Считают, что предельно допустимой величиной удельного электрического сопротивления, при которой не возникает неудобств при эксплуатации одежды из текстильных материалов, является 1011-1012 Ом-м (ГОСТ 15968-87, ГОСТ Р 50720-94).
Показатели электризуемости текстильных материалов определяют на специальных установках, которые состоят из устройства для трения пробы материала о какую-либо поверхность и прибора для регистрации величины заряда, его полярности и удельного электрического сопротивления.