ТЕМА 27. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

Электризуемость

Материалы в процессе их производства, а также изготовления и эксплуатации 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 трении материалов на их поверхности протекает одновременно два процесса: процесс генерации зарядов статического электричества определенной полярности и процесс диссипации (рассеивания) зарядов. Электризация тел происходит, когда равновесие между этими процессами нарушается.

Электризация рассматривается 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, полиэфирные, вискозные, природные волокна). Электризация диэлектрика положительными зарядами в этом случае объясняется присутствием на его поверхности электронов, способных при определенных условиях, покидая диэлектрик, оставлять «дырки», которые можно рассматривать как положительные заряды. В результате отрицательные электроны и положительныe «дырки» образуют между контактирующими поверхностями двойной электрический слой.

Также считается, что причина электризации диэлектриков – ориентация полярных молекул, расположенных на поверхности. Текстильные волокна являются полимерными диэлектриками, макромолекулы которых имеют полярные группы. 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 полеразъединяется, и каждая из контактирующих поверхностей оказывается заряженной электричеством противоположного знака. Таким образом, 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 деполяризации молекул при трении связано с тем, что выделяющаяся теплота способствует большей подвижности диполей и их более легкой ориентации.

Электризуемость материалов оценивается величиной заряда, т. е. его плотностью , 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 , Ом ∙ м.

Стандартной характеристикой для тканей и трикотажных полотен служит удельное поверхностное электрическое сопротивление . Под поверхностью в этой характеристике понимается поверхность coприкосновения 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. Данные табл. показывают, какую полярность приобретают материалы, указанные в шапке таблицы, при трении их о материалы, указанные в первой графе. При трении однородных материалов возникающие заряды по величине очень малы, трудноуловимы. Поэтому линию, обозначающую электризацию однородных материалов, называют нейтральной. Она расположена по диагонали таблицы и служит как бы границей, разделяющей отрицательную и положительную полярности материалов при их электризации.

При трении текстильных материалов величины электрических зарядов резко возрастают в течение первых 10 с, затем увеличение зарядов замедляется, достигая насыщения, после чего наблюдается 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).

Таблица 20 Показатели электризуемости текстильных

материалов (по данным Н. М. Хабалошвили)

Материал	Удельное электричес­кое сопротивление , Ом ∙ м	Плотность заряда , 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 ∙ 1012	1,6 ∙ 10-10
Полиамидная ткань	1,29 ∙ 1014	3,69 ∙ 10-10
Хлориновый трикотаж	1,37 ∙ 1014	3,78 ∙ 10-10
Полиакрилонитрильный трикотаж	1,66 ∙ 1014	Нет сведений
Вискозноацетатная ткань	8,2 ∙ 1010	9,9 ∙ 10-11
Хлопковискозная ткань	3,2∙- 108	1,17 ∙ 10-11
Хлопкополиамидная ткань	7,2 ∙ 1010	9,9 ∙ 10-11
Хлопкополиэфирная ткань	1,4 ∙ 1 09	1,71 ∙ 10-11
Хлопкоацетатная ткань	5,1 ∙ 1010	1,08 ∙ 10-10
Ацетатнополиамидная ткань	8,1 ∙ 1013	2,88 ∙ 10-10

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. 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 следуют ткани атласного и саржевого переплетений.

В большинстве случаев электризуемость текстильных материалов представляет собой отрицательное явление. Электризуемость материалов 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. 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).

Важное значение имеет разработка способов снижения электризуемости материалов. Одним из таких способов является обработка материалов антистатическими поверхностно-активными веществами (антистатиками). Антистатики, поглощая влагу или вступая с ней во взаимодействие, образуют на поверхности материала слой, способствующий рассеиванию зарядов и тем самым снижению электризуемости материала. Другой эффективный способ снижения электризуемости текстильных материалов – поверхностная компенсация зарядов. При изготовлении текстильных материалов компоненты волокнистого состава подбирают таким образом, чтобы при трении об определенный материал, в частности о кожу человека, на поверхности волокон образовывались заряды противоположных знаков, в результате чего происходила бы их взаимная нейтрализация. Суммарная величина электростатического заряда такого материала и его полярность зависят от вида компонентов и их процентного соотношения; можно так подобрать волокнистый состав, чтобы суммарный заряд был равен нулю. Степень электризуемости можно также снизить, смешивая гидрофильные и гидрофобные волокна.

Библиографический список

1. Жихарев, А.П. Материаловедение в производстве изделий легкой промышленности / А.П. Жихарев, Д.Г. Петропавловский, С.К. Кузин, В.Ю. Мишаков. – М.: Академия. – 2004.

2. Бузов, Б.А. Материаловедение в производстве изделий легкой промышленности (швейное производство) / Б.А. Бузов, Н.Д. Алыменкова. – М.: Академия. – 2004.

3. Куличенко, А.В. Физические свойства материалов для изделий легкой промышленности / А.В. Куличенко.– СПб.: СПГУТД. – 2011. – 60 с.

4. Куличенко, А.В., Материаловедение (дизайн костюма) / А.В. Куличенко, Е.А. Кирсанова, Ю.С. Шустов, А.П. Жихарев. – М.: Вузовский учебник. Инфра-М. – 2013.

5. Вульфхорст, Б. Текстильные материалы. Производство и строение. Русско-немецкий учебник / Б.Вульфхорст, В.А.Фукин, Б.А.Бузов, В.В.Костылева. – Москва-Аахен. – 2002.

6. Куличенко, А.В. Краткий терминологический словарь по текстильному и швейному материаловедению / А.В. Куличенко. – СПб.: СПГУТД. – 1998.

7. Перепелкин, К.Е. Структура и свойства волокон / К.Е. Перепелкин. – М.: Химия. – 1985.

8. Перепелкин, К.Е. Прошлое, настоящее и будущее химических волокон / К.Е. Перепелкин. – М.: МГТУ им.А.Н.Косыгина. – 2004.

9. Перепелкин, К.Е. Химические волокна: Развитие производства, методы получения, свойства, перспективы / К.Е. Перепелкин. – СПб: СПГУТД. – 2008.

10. Смирнова, Н.А. Материаловедение в производстве швейных изделий из льна / Н.А. Смирнова. – Кострома.: КГТУ. – 2005.

11. Шустов, Ю.С. Основы текстильного материаловедения / Ю.С. Шустов. – М.: МГТУ им. А.Н.Косыгина. – 2007.

12. Кукин, Г.Н. Текстильное материаловедение (Исходные текстильные материалы) / Г.Н. Кукин, А.Н. Соловьев. – М.: Легпромбытиздат. – 1985.

13. Семак, Б.Д. Износостойкость и формоустойчивость одежных тканей с малосминаемой и малоусадочной отделкой / Б.Д. Семак. – М.: Легкая индустрияю – 1979.

14. Справочник по отделке текстильных материалов (Сарибеков Г.С., Старикович Е.Е., Осик Ю.И., Молоков В.Л.). - К.: Техника. – 1984.

15. Отделка и крашение шерстяных тканей. /Под общей ред. Молокова В.Л./ - М.: Легпромбытиздат. – 1985.

16. Калонтаров, И.Я. Устойчивость окрасок текстильных материалов к физико-химическим воздействиям / И. Я. Калнтаров. – М.: Легпромбытиздат. – 1985.

17. Торкунова, З.А. Испытания трикотажа / З.А. Торкунова. – М.: Легпромбытиздат. – 1985.

18. Бузов, Б.А., Никитин А.В. Исследования материалов для одежды в условиях пониженных температур / Б.А. Бузов, А.В. Никитин. – М.: Легпромбытиздат. – 1985.

19. Склянников, В.П. Гигиеническая оценка материалов одежды / В.П. Склянников, Р.Ф. Афанасьева, Е.Н. Машкова. – М.: Легпромбытиздат. – 1985.

20. Зурабян, К.М. Материаловедение изделий из кожи / К.М. Зубарян, Б.Я. Краснов, М.М. Бернштейн. – М.: Легпромбытиздат. – 1988.

21. Андреева, Р.П. Энциклопедия моды / Р.П. Андреева. – С-Петербург: Изд-во «Литера». – 1997.

22. Орленко, Л.В. Терминологический словарь моды / Л.В.Орленко. – М.: Легпромбытиздат. – 1996.

23. Новые материалы. /Под ред. Карабасова Ю.С.. – М. «МИСИС». – 2002.

Содержание