地毯的抗静电性能与工艺设计

曹 暾

北京航空工艺地毯有限公司，北京101300

地毯的抗静电性能与工艺设计

曹 暾

北京航空工艺地毯有限公司，北京101300

利用导电纤维等抗静电材料，以不同质量分数和不同方法加入地毯，探讨地毯的电阻与静电压的关系。

地毯，抗静电，静电性能，导电纤维，电阻率，电阻

在我国北方，冬季和春季的空气干燥，相对湿度低于40%。在一些铺设地毯的酒店、公共场所和家庭内，地毯产生的静电压可达数千伏，甚至能达到上万伏。当人手触及门把、水龙头或家电时，会有强烈的电击感。静电会干扰电脑、精密仪器和控制系统的工作，还可能击穿集成电路元器件，造成系统损坏。静电会引起皮肤瘙痒，伴有针刺感，导致头痛，使人烦躁不安。另外，静电易吸附灰尘，使地毯色泽发暗、清洁难度加大。

飞机在高空中飞行时，外界气温一般在-70～-30 ℃， 客舱内的相对湿度不能过大，通常控制在5%～25%的低湿环境[1]，以免湿气遇冷出现冷凝现象，腐蚀飞机结构，引发电器故障。客舱是一个密闭空间，是飞行途中旅客的主要活动和生活区域，人员多而区域狭窄，在干燥环境下，地毯在鞋底摩擦和挤压下极易产生静电，对飞机上的无线电设备产生严重干扰。飞机客舱内所用地毯，除了要求美观、舒适外，其抗静电性能是保证持续安全飞行的重要条件。

1 地毯的静电性能与要求

纺织材料的静电性能由其电学性能决定。静电衰减时间是衡量材料防静电性能的重要指标，用来表示静电荷泄露速度的快慢，静电衰减时间越长，表示材料越容易积累静电。静电性能常用静电荷半衰期表示[2]：

τ=ε×ρv×8.86×10-12

式中：τ——静电荷半衰期，s；ε——介电常数；ρv——电阻率(又称体积比电阻)，Ω·cm。

摩擦会使纺织材料带上一定的静电荷，各种纺织材料的介电常数为2～5、电阻率为104～1014Ω·cm，可以看出电阻率是影响静电荷衰减速度的主要因素。电阻率大的纤维，静电衰减速度很慢，即使电荷量不大，高数值的静电压会在数小时内长时间存在。而导电性能好的材料，尽管电荷量大，但静电衰减速度快，因此静电效应并不明显。一般抗静电织物的电荷半衰期要求≤2 s[3]。羊毛有一定的吸湿性，其电荷半衰期在温度20 ℃、相对湿度60%的环境中超过10 s，在温度20 ℃、相对湿度35%的环境中超过60 s[4]。

地毯因其结构特点和使用了多种材料，它的静电特性通常用静电压和水平电阻(表面电阻)表示。GB/T 14252—2008《机织地毯》在附加任选特性中对地毯的抗静电性提出了要求(≤2.0 kV～≤3.5 kV)， 一般在商务区域使用的地毯(如公共场所、酒店、办公室和家庭等)要求其静电压≤3.5 kV，而在特定场所(如使用精密电子设备的计算机房和医院等)使用的地毯要求更低的静电压(≤2.0 kV)，对地毯的电阻要求为水平电阻≤105Ω、垂直电阻≤109Ω，见表1。

表1 地毯静电性能要求

注1：国内试验常用GB/T 18044—2008《地毯 静电习性评价法 行走试验》，等效采用ISO 6356:2000Textilefloorcoverings-Assessmentofstaticelectricalpropensity-Walkingtest2：BMS 8-237GBoeingmaterialspecificationCarpet3：GB/T 23165—2008《地毯 电阻的测定》，等效采用ISO 10965:1998Textilefloorcoverings-Determinationofelectricalresistance

在我国民用航空行业标准MH/T 6060—2015《航空地毯》和波音公司标准BMS 8-237G中，地毯的静电性能作为一项强制性指标，要求人体行走试验的静电压≤2.5 kV。

美国大多使用抗静电阻燃尼龙膨体长丝作为航空地毯的绒头材料，我国和欧洲则更多地使用羊毛或羊毛与锦纶混纺。采用羊毛纤维做绒头材料的地毯舒适，给人以高档感，吸湿性能好，产生的静电荷比化纤少得多；但是在干燥环境中，如相对湿度低于30%时，地毯的表面电阻仍大于1012Ω，静电半衰期较长，特别是使用纯化纤(如锦纶、涤纶、腈纶等)做绒头材料的地毯，其吸湿性差，表面电阻大于1013Ω，非常容易产生静电。图1是几种纤维在不同相对湿度下的电阻。

在温度23 ℃、相对湿度20%的环境中，几种地毯的静电性能如图2所示。

地毯的静电压与静电荷的衰减速度有密切关系，而电阻率的大小决定了静电荷的衰减速度快慢。那么，在地毯的绒经中加入多少导电纤维，地毯的表面电阻下降至多少，才能将上百秒的静电荷半衰期降低到数秒以下而消除地毯的静电现象呢？

图1 几种纤维在不同相对湿度下的电阻

图2 几种地毯的静电性能

2 地毯背面涂层(背胶)的抗静电处理

地毯背面涂层常用丁苯乳液、丙烯酸类乳液、水性聚氨酯(PU)乳液和醋酸乙烯-乙烯(VAE)乳液，通常添加助剂、轻钙或阻燃剂等填料。在标准温湿度条件下，背胶的电阻大于1012Ω。适当添加导电材料，如导电短纤、金属粉和导电炭黑等，可将地毯背胶的电阻值控制在108Ω以下，但是地毯表面的水平电阻和垂直电阻仍大于1012Ω，地毯的静电压超过3.5 kV。

3 导电纤维的特性

一般将电阻率小于108Ω·cm的纤维称为导电纤维(也有人认为应小于106Ω·cm)，效果好的导电纤维的电阻率通常小于10Ω·cm。导电纤维按使用的导电材料分，主要有金属纤维、金属覆膜导电纤维、炭黑系导电纤维、金属复合导电纤维和有机高分子导电纤维；其生产方法有后整理法、化学反应法、复合纺丝法和纤维改性法等。

金属纤维的导电性能最好，在低湿度下仍具有良好的耐久抗静电性，但纺纱时抱合力小，纺纱性能差，而且价格昂贵。

金属覆膜导电纤维以铜、银等为导电材料，通过吸附和化学反应固着在纤维表面形成金属导电膜，其电阻率可下降到10Ω·cm以下，抗静电性能仅次于金属纤维。

炭黑系导电纤维的价格较便宜，但电阻率较大，导电性能较差，黑色也在一定程度上限制了其使用范围，只能用于抗静电要求不高的场合。

金属复合导电纤维利用金属粉、金属盐、金属氧化物等导电微粒与高聚物材料共混或复合成皮芯型、露出型、海岛型等结构，特点是颜色呈灰或白色，有利于染色，但电阻率偏大。

有机高分子导电纤维由聚乙炔、聚苯硫醚、聚吡咯、聚噻吩等高分子导电材料直接纺丝制成，由于纺丝难度大、价格高，其应用受到限制。

几种导电纤维和常用纤维的导电性能见表2。

表3列出了一些生产厂家的导电纤维产品。

导电纱采用导电纤维纺制或由导电纤维与其他纤维混纺，再经并线合股加入地毯绒经中，其产品见表4。

表2 几种导电纤维和常用纤维的导电性能

表3 导电纤维产品

表4 导电纱产品

4 导电纤维在地毯中的应用

用于地毯的导电纤维应具备适当的细度、长度、强度，可纺性好，耐摩擦，耐水洗，导电性不受染整加工的影响。因为导电纤维的价格较高(是普通纤维的10～20倍)，合理设计其生产工艺和适当选用导电纤维显得尤为重要。

地毯绒经加入导电纤维的主要方法：

(1) 和毛混入法。在和毛时加入导电纤维，经梳理、并条等工序，制成含一定质量分数的导电纤维的地毯绒经。

(2) 复合法。导电长丝与常规BCF长丝复合，在绒经并线合股时加入。

(3) 混纺纱线法。在绒经并线合股时加入导电纱。

添加了导电纤维的地毯绒经的导电特性见表5。

表5 添加了导电纤维的地毯绒经的导电特性

表6列出了几种采用不同导电纤维类型/电阻率、不同导电纤维添加方式的地毯(绒经纤维成分：羊毛，质量分数80.0%；锦纶，质量分数20.0%)的水平电阻和静电压。

表6 几种采用不同导电纤维类型/电阻率、不同导电纤维添加方式的地毯的水平电阻和静电压

续表

注1：测试条件为温度25 ℃，相对湿度56%

每隔3根绒经有1根绒经并入导电长丝或导电纱的绒经排列如图3所示。

图3 并入导电长丝或导电纱的绒经排列示意(俯视)

威尔顿圈绒二色提花地毯结构如图4所示。

图4 威尔顿绒圈二色提花地毯结构示意(经向截面)

5号样品比6号样品的静电压高，这是因为三色提花地毯的导电长丝占绒经质量比小于二色提花地毯，而且绒经中炭黑系导电长丝与测试电极的接触不稳定，静电压数值波动大；因导电长丝都沿地毯经向排列，故地毯纬向的水平电阻超出1013Ω。

由8号样品的试验结果可以看出，绒经中加入质量分数为0.3%的铜覆膜导电短纤，地毯的静电压即下降为2.0 kV；如果像9、10号样品那样再加入导电纱，其与导电短纤形成立体穿插，则地毯的静电压会不同程度地进一步下降。地毯的水平电阻与静电压如图5所示。

图5 地毯的水平电阻与静电压

与导电长丝和地面接触时的静电泄露不同，虽然铜覆膜导电短纤在地毯绒经中的混入质量分数很小，并不能形成连续的头尾衔接，但通过计算显示绒经截面内含2～3根导电纤维，为电晕放电创造了良好条件。其抗静电机理：羊毛、锦纶受到摩擦后带正电荷，导电纤维在静电场作用下发生电离而生成负电荷，并向纤维尖端汇集，当电荷密度达到一定值便发生电晕放电，从而消除静电。电晕放电比火花放电的电压低得多，放电的能量密度远小于火花放电，不易察觉，在织物不接地的情况下也能很好地消除织物上所带的静电，这对于飞机上使用的纺织品内饰材料特别合适。

人的双手在干燥时的电阻值为105～3×105Ω，潮湿时会下降到103Ω以下。如果发生漏电，当通过人体的交流电流达到1 mA时，人会有触电的感觉。为了避免漏电对人造成危害，规定人身安全电流≤30 mA。如果限定漏电电流不大于10 mA，当电压为220 V时，电阻应在104Ω以上，抗静电地毯的背胶、水平和垂直电阻应控制在105～109Ω。

5 结论

在绒经中添加不同质量分数的导电纤维，可将地毯的静电压控制在0.7～3.5 kV。铜覆膜导电纤维具有很好的抗静电效果，以0.3%的质量分数添加，就能将地毯的水平电阻控制在105～108Ω，确保其静电压≤2.5 kV。

虽然铜覆膜导电纤维的价格是炭黑系导电纤维的3倍以上，但抗静电效果好且添加量少，总体成本并没多少增加。另外，铜覆膜导电纤维表面附着一层硫化铜化合物，对通信电磁波和电磁辐射有一定的屏蔽和消减作用，同时具有一定的抗菌、除臭功能，有利于保持地毯清洁。

[1] 孙学德. 客舱空气湿度与冷凝水研究[J]. 科技信息[J], 2011(22): 409-410.

[2] 秦家浩, 钱樨成. 纺织材料静电测试[M]. 北京：纺织工业出版社，1987: 25.

[3] 孔斌, 孙延林, 魏光辉, 等. 防静电工作区技术要求: GJB 3007A—2009[S]. 北京: 中国标准出版社, 2009.

[4] 王敏. 八种单组分织物抗静电性能比较[J]. 中国纤检, 2012(22): 59-61.

Antistatic property and process design of carpets

CaoTun

Beijing Aircraft Carpet Co., Ltd., Beijing 101300, China

The antistatic materials such as conductive fibers were added into carpets at different mass contents and by different methods, and then the relationship between the resistance and the static voltage of the carpets was discussed.

carpet, antistatic, electrostatic property, conductive fiber, resistivity, resistance

2016-06-12

曹暾，男，1958年生，总工程师，从事航空和民用威尔顿地毯的工艺、技术和新产品开发工作

TQ342+.83

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1004-7093(2017)02-0022-05