1、武汉纺织大学 2011 届毕业设计论文1前言随着人们生活水平的提高，对纤维制品的消费量越来越大，而天然纤维的产量已不能满足人们的需要，因而近年来化学纤维，特别是合成纤维（具有许多优异于天然纤维的特性）得到了迅速发展和广泛的应用 1，但是合成纤维在使用过程中易产生静电，由此给工业生产及人民生活带来危害。化纤织物以及化学制品易产生静电，严重地限制了其使用范围，因此许多工业部门明确规定不允许在易燃易爆的场所穿着化纤类工作服 2，为此，抗静电纤维，纱线以及织物的研究也应运而生。随着高科技的发展，静电所造成的危害已不仅仅限于静电会导致纺织品的使用过程中吸尘沾污，服装纠缠人体产生粘附不适感的问题，静电放电
2、造成的频谱干扰危害，是在电子、通讯、航空、航天以及一切应用现代电子设备、仪器的场合导致设备运转故障、信号丢失、误码的直接原因之一。当集聚的静电高于 500V 时，会因放电产生火花、引起火灾，高于 8000V 时，则会产生电击现象 3。所以，在石油、化工、精密仪器、煤矿、食品、医药等行业均对静电的防护有特殊的要求。这就要求除静电的手段更高，效果更好。在纺织方面、工业方面等的抗静电处理办法都有很多，将纺织制品与工业制品相结合做出更有效的抗静电产物是很好的创新方向。1 抗静电1.1 静电的产生机理产生静电的机理有多种解释，纺织材料静电主要是由于表面间的相互摩擦产生的。纺织材料是电的不良导体，具有很高
3、的比电阻。纤维及其制品在生产加工和使用过程中，由于受摩擦、牵伸、压缩、剥离及电场感应和热风干燥等因素的作用而易于产生静电 4。特别是随着合成纤维在纺织上生产和应用的越来越多，这些高分子聚合物所固有的高绝缘性和憎水性，使之极易产生、积累静电。1.2 纺织品抗静电机理绝缘体表面的静电可以通过三条途径消失:武汉纺织大学 2011 届毕业设计论文2a.通过空气(雾气)消失；通过空气消除静电，主要依靠空气中相反符号的带电粒子飞来与绝缘体表面的静电中和或让带电粒子获得动能而飞散。利用尖端放电原理，制成高压电晕式静电消除器，已在化纤生产中有应用。b.沿着表面消失；静电沿绝缘体表面消失的速度取决于绝缘体表面电
4、阻率的大小。提高空气的湿度，可以在亲水性绝缘体表面形成连续的水膜，加上空气中的 CO2和其他杂质的溶解，而大大提高表面导电性。进一步的方法是使用抗静电剂，主要是离子或非离子型的表面活性剂。c.通过绝缘体体内消失；静电通过绝缘体体内的泄漏速度，主要取决于绝缘体的电阻率的大小，一般说来，当聚合物电阻率小于 107m 时，产生静电荷会很快泄漏掉。为了提高聚合物的体积导电率，最方便的方法是添加碳黑、金属粉末或导电纤维。 纤维高分子材料理论上是比绝缘体，但实际纤维的导电性比理论估计值要高，原因在于纤维不是纯高分子物质，其中含有水分、杂质等低分子物质，即纤维导电主要取决于纤维中的附属物，其次与纤维分子本身
5、的导电性以及外界条件的作用有关。在表面易电离物质导电性较高以及水汽分压较大的情况下，纤维的导电性会大大提高。1.3 纺织品抗静电处理的方法对纺织品进行抗静电处理大体分为对纤维、纱线和织物方面的抗静电处理。1.3.1 对纤维进行抗静电处理 5对纤维进行抗静电处理的方法有：a.用表面活性剂对纤维进行亲水化处理；作用原理为表面活性剂分子疏水端吸附于纤维表面，亲水性极性基团指向空间，形成极性表面，吸附空气中的水分子，降低纤维的表面电阻率，加速电荷逸散。所用表面活性剂包括阳离型、阴离子型和非离子型，其中阳离子表面活性剂的抗静电效果最好，高分子量非离子型表面活性剂的抗静电效果耐久性最好。此法的优点为简便易
6、行，特别适合于消除纺织加工过程中的静电干扰，缺点为抗静电效果的耐久性差，表面活性剂易挥发，更不耐洗涤，而且在低湿度环境中不显示抗静电性能。b.对成纤高聚物进行共混、共聚合或接枝改性；与前面方法的相同之处是在成纤高聚物中添加亲水性单体或聚合物，提高吸湿性，从而获得抗静电性能。武汉纺织大学 2011 届毕业设计论文3除普通成纤高聚物与亲水性聚合物共混的典型共混纺丝方式外，还有聚合过程中加入亲水性聚合物，形成微多相分散体系的共混方式。例如将聚乙二醇加入到己内酰胺反应混合物中，聚乙二醇以原纤状分散于 PA6 之中。同时聚乙二醇也有少量端羟基与己内酰胺开环后生成的氨基己酸中的羟基反应，提高了抗静电性能的
7、耐久性。另外，用共聚合的方式将亲水性极性单体聚合到疏水性合成纤维主链上，例如在 PET 大分子中嵌入聚乙二醇，也可提高纤维的吸湿性和抗静电性能。 采用化学引发、热引发、高能射线和紫外线辐照引发的接枝于纤维表面，可有效地改善合成纤维的吸湿性，且亲水性单体的用量远少于其他方法，耐久性好。此类抗静电纤维仍以提高纤维的亲水性来加速电荷的泄漏，故在相对湿度低于 40%的干燥环境中，纤维的抗静电性能将受损失。1.3.2 对纱线进行抗静电处理对纱线进行抗静电处理的方法有：在纺纱中混入少量的导电短纤维，可以生产抗静电纱线，同时可以减少甚至消除纺纱过程中存在的静电问题。纺纱时使用普通纺织纤维作为主体纤维，其中混
8、入少量的导电纤维。导电纤维混入量的多少根据产品的最终用途及成本决定。大量实验表明，纱线中混入少量(百分之几) 的有机导电纤维后，纱线的电阻率会有明显降低，导电性有大幅度提高 4。导电纤维包括金属纤维、镀金属纤维和有机导电纤维。应用较为广泛的金属纤维主要是不锈钢纤维，其制造方法主要是线材拉伸法、熔融纺丝法、切削法等。不锈钢纤维具有较佳的导电性能和机械性能，但是对于纺织加工而言，金属纤维手感较硬，强度虽高，但易脆断，断裂伸长率低，热缩性差，截面呈圆形，表面光滑，无天然卷曲，纤维间抱合力差，因此其可纺性差。在纺纱时易损耗纱条通道和器材。它的优点是导电性优良、稳定，并有耐高温、高压、化学腐蚀等特性 6
9、。而且制成高细度时的价格昂贵，所以除一些特殊要求的场合，在开发抗静电产品时金属纤维的使用还不够广泛。镀金属纤维是在普通纤维表面涂敷金属层以提高抗静电效果，其成本比金属纤维有大幅下降，但不耐洗涤，且手感较差。目前，用来开发抗静电混纺纱多采用有机导电纤维。有机导电纤维是以普通成纤高聚物为基体，以被覆或复合方式添加导电物质的导电纤维。目前使用的有机导电纤维主要是尼龙基、涤纶基和腈纶基，导电物质有武汉纺织大学 2011 届毕业设计论文4碳和金属化合物两种。其中碳导电物制成的纤维为深色（黑色、灰色），金属化合物为导电物的纤维为白色，后者导电性稍差，但是利于后道整理工序的加工（染色等）。由于导电纤维的比电
10、阻值远低于普通纤维，同时电荷半衰期很短，因此导电纤维在任何情况下都可以在极短的时间内消除静电。另外，用导电纤维制成的导电织物，还具有优异的导电、导热、屏蔽、吸收电磁波等功能，广泛应用于电子、电力行业的导电网、导电工作服；医疗行业的电热服、电面、电热绷带；航空、航天、精密电子行业的电磁屏蔽罩等方面 7。对于含有机导电纤维的织物，纺织品表面静电消失的方法有三种机理 8：a. 静电荷的电晕放电；气体介质在不均匀电场中的局部自持放电，是最常见的一种气体放电形式。含导电纤维的织物由于摩擦而带上静电，织物中发生的电荷向导电纤维汇集，导电纤维中诱导了与织物符号相反的电荷，导电纤维附近被诱发产生强电场，当电场
11、强度大于周围空气电力强度时，使其周围的空气受此电场的作用而电离电晕放电受纤维形状的影响，导电纤维的纤度越细，表面越粗糙或有突出处，越容易发生电晕放电，当然，外界电压越高，电晕放电越容易。b.基体材料和导电纤维之间的静电感应中和；当嵌织有机复合导电纤维的织物受到摩擦时，由于不同纤维的静电电位序列的差异，导致织物中有机复合导电纤维和织物中纤维所带静电电荷的极性不同，因此，织物平面上正负电荷呈电容蓄电形式保留，在织物中基材区的负电荷与导电纤维线段上的正电荷同时对外产生相反的感应，因此，织物对外总感应被中和，从而使织物上的静电荷对外感应电压很小。1.3.3 对织物进行抗静电处理对织物进行抗静电处理的方
12、法有：织造时嵌入导电长丝或抗静电纱线，在织物上机织造时，将导电长丝或导电纤维复合纱线以一定间距嵌入织物 9，可以沿经向或纬向嵌入，也可以同时沿经向和纬向嵌入形成网格状；用抗静电剂对织物进行后整理。抗静电整理的方法较多，目前主要有三种。a.助剂吸咐固着法 b.表面接枝聚合法 c.低温等离子体表面处理法 4。其中一般采用第一种方武汉纺织大学 2011 届毕业设计论文5法。1.3.4 不锈钢包缠导电纱不锈钢长丝有典型的导电性、反射电磁波、传热、耐高温、耐腐蚀特点，由于少量不锈钢长丝的加入，因而大大提高了其成纱和合纤织物的抗静电性能 。1.4 抗静电纱在电缆上的应用利用不锈钢丝与短纤纱的复合纺纱技术制
13、成抗静电纱线，其手感不如混入导电纤维的纱线柔软，不过这种纱与无纺布结合作为高压电缆的包覆与填充材料却很好。电缆通常是由几根或几组导线每组至少两根绞合而成的类似绳索的电缆，每组导线之间相互绝缘，并常围绕着一根中心扭成，整个外面包有高度绝缘的覆盖层。电缆结构：导体绝缘内护层外护层铠装型式。 图 1-1 电缆电缆内护套的设置依据是考虑到由于电缆需承重所造成的承载钢芯对绝缘层的压力，内护套所起的作用是为缓解及减轻压力对电缆绝缘层的影响。内护套主要是起填充作用,尽可能填满绝缘线芯外围的空隙，使绝缘线芯外部所承受的压力面增大，既而减小绝缘线芯所承受的压强，以保证绝缘层不妥压力的损伤。内护套的材料选择主要考
14、虑了缓冲压力的柔软性及摔性，由于电缆受体积的限制,内护套只起填充缓解压力作用，所以内护套的设计厚度不需要太大，只要满足缓冲压力的要求尽可能设计的越薄越理想。因此我们设计的内护套的结构尺寸在保证占有较小的体积又完全符合缓冲绝缘受压力的效果。内护套的挤出工艺采用的是紧压性工艺挤出，可有效地填满绝缘线芯外围的空隙，只占用不影响电缆外径的空间，可有效的缓解绝缘线芯所承受的压力。电缆最外层为防静电高分子弹性体外护套。护套材料选择最主要的依据是符合电缆主要性能, 其次也要考虑电缆的其他机械物理性能。要有柔软性、抗张强力、耐磨性、耐低温性能 10。抗静电纱线细而柔软，在外面包覆胶水可作为其填充材料绝缘抗静电
15、，它武汉纺织大学 2011 届毕业设计论文6很好的符合了电缆填充材料的要求，与无纺布的结合处理，可以达到护套材料的性能要求，并且具有很好的抗静电性能，将绝缘材料积聚的静电电荷导出起防爆作用。下面是我们纺抗静电纱所参考的几种纺纱方式。2 抗静电纱线的纺制 2.1 抗静电纱的纺纱方式2.1.1 环锭纺包芯纱包芯纱纺纱技术是新型纺纱方法的一种，这种纱线一般是以化纤长丝为芯丝，天然纤维为包覆纤维纺制。这既可以在新型纺纱机上纺出，也可以通过在环锭细纱机上添加导丝机构和张力控制装置进行简单改造纺出长短纤包芯纱 11。以一根长丝与经正常牵伸的纤维须条间距为零平行喂入前罗拉，在其钳口下游汇合加捻成纱。利用此纺
16、纱方式，将长丝换为不锈钢长丝，天然纤维换为涤纶粗纱包覆纺制。2.1.2 赛络菲尔纺赛络菲尔纺是在赛络纺基础上发展起来的，是以一根长丝与一根短纤维须条进行复合，通过在传统环锭细纱机上加装一个长丝喂入装置，利用长丝与短纤维纱在细纱机上平行喂入，并使长丝与经正常牵伸的须条保持一定间离，在前罗拉钳口下游汇合加捻成纱 12。在赛络菲尔纺中长丝能够一定程度上分担左右两须条上的纺纱张力，增强了成纱的强度。利用此纺纱方式，将长丝换为不锈钢长丝，短纤维须条为涤纶粗纱。2.1.3 包芯赛络复合纺赛络纺纱由两根粗纱平行引入细纱机牵伸区，以平行状态被牵伸，在从前罗拉夹持点出来后形成保持一定距离的两根纤维束，分别被初次
17、加捻后在结合点并合，然后再次加捻并被卷取到纱管上，成为赛络纺纱线。该纺纱方式较传统环锭纺纱成纱强度大大提高，纱线毛羽大大降低，提高了纤维利用率和纱线条干均匀度，改善了成纱质量。但是赛络纺两股纤维须条相隔一定距离，纺纱过程中须条上的张力较大，且相隔距离越大，须条上所受张力越大，因此限制武汉纺织大学 2011 届毕业设计论文7了赛络纺所纺纱线的最低细度 13。包芯赛络纺即在环锭纺细纱机上加装一个导丝机构和张力控制装置，在前罗拉处，长丝与其中一根粗纱的间距为零平行喂入，两股纤维须条经正常牵伸，在前罗拉输出钳口下游处三组份分别汇合加捻成纱的纺纱配置。利用此纺纱方式，将长丝换为不锈钢长丝，两股纤维须条为
18、涤纶粗纱。2.1.4 包芯赛络菲尔纺 包芯赛络菲尔纺即在环锭纺细纱机纱加装导丝机构和张力控制装置，在前罗拉处，两根长丝由导丝机构导入，纤维须条经正常牵伸，一根长丝与粗纱的间距为零，另一根间距不为零，三组份平行喂入，在输出钳口下游处加捻成纱的纺纱配置。利用此纺纱方式，将间距为零的长丝换为不锈钢长丝，间距不为零的长丝换为涤纶细纱，经牵伸的纤维须条为涤纶粗纱。3 抗静电纱线纺制实验准备3.1 实验原料及是实验设备根据实验设计理念，需要准备的实验原料是：表 3-1表 3-1 实验原料原料 成分 颜色 定量 g/km粗纱 涤纶 白色 550导电长丝 不锈钢丝 金属色 20细纱 涤纶 白色 9.7实验设备
19、：HF41-01-4 多功能纺纱小样机、intron 万能强力仪、YG172 光电投影计数式毛羽测试仪、络筒机3.2 实验设计及工艺参数为了保证采用的四种纺纱方式所纺的抗静电纱线具有相同的线密度，在纺 纱的时候涤纶粗纱穿入同一个集合器中,然后再经过牵伸；不锈钢长丝和涤纶细纱经过张力盘，然后通过导丝轮，再经过前罗拉，最后与经过牵伸的涤纶粗纱武汉纺织大学 2011 届毕业设计论文8须条汇集于一点经过加捻卷绕成纱。而当纺纱时，有两根涤纶粗纱短纤维须条分别穿入两个集合器中，然后再经过牵伸；不锈钢长丝分别经过张力盘，然后通过导丝轮，再经过前罗拉，与经过牵伸的涤纶粗纱须条汇集，经过加捻卷绕成纱。 利用上述
20、的四种纺纱方式纺抗静电纱线分别对应为 1#、2#、3#、4#方案。方案 1#：环锭纺包芯纱 工艺参数：表 3-2表 3-2 包芯纱工艺参数图 3-1 环锭纺包芯纱总牵伸倍数 30 倍，后牵伸 1.5 倍 方案 2#：赛络菲尔纺工艺参数：表 3-3 表 3-3 赛络菲尔纺工艺参数RL1 RL2 RL3 间距1#6 0.28 0.21 0mmRL1 RL2 RL3 间距2#6 0.28 0.21 4mm武汉纺织大学 2011 届毕业设计论文9总牵伸倍数 30 倍，后牵伸 1.5 倍 方案 3#：包芯赛络纺 工艺参数：表 3-4表 3-4 包芯赛络纺工艺参数总牵伸倍数 60.1 倍，后牵伸 1.5
21、倍 方案 4#：包芯赛络菲尔纺工艺参数：表 3-5 表 3-5 包芯赛络菲尔纺工艺参数图 3-2 赛络菲尔纺RL1 RL2 RL3 间距3#6 0.15 0.1 0/10mm图 3-3 包芯赛络纺武汉纺织大学 2011 届毕业设计论文10图 3-5 包芯赛络菲尔纺 总牵伸倍数 63.9 倍，后牵伸 1.5 倍 其他纺纱工艺参数：表 3-6表 3-6 纺纱工艺参数纺纱工艺 1# 2# 3# 4#设计成纱定量/g.km -1 38.3 38.3 38.3 38.3粗纱定量/g.km -1 550 550 550 550钢丝定量/g.km -1 20 20 20 20细纱定量/g.km -1 - - - 9.7锭子转速/r.min - 1 7825 7825 7825 7825捻系数 440 440 440 440总牵伸倍数/倍 30 30 60.1 63.9后牵伸倍数/倍 1.5 1.5 1.5 1.5RL1 RL2 RL3 间距4#6 0.14 0.09 4mm
