抗静电性能（共8篇）
抗静电性能 篇1
合成纤维过滤材料以其大的比表面积、高孔隙率、优良的耐腐蚀性、一定的强度以及较低的价格, 在空气过滤材料中占据主导地位, 应用最为广泛[1]。但普通合成纤维比电阻较高, 在过滤过程中因高浓度粉尘粒子的冲击、摩擦和撞击极易产生静电, 滤料表面静电积聚不仅造成粉尘在滤网中大量堆积, 严重影响过滤效率, 且清灰困难, 更为严重的是工业粉尘在浓度达到一定程度后如遇静电放电火花等, 则极易导致爆炸和火灾[2,3,4]。因此, 研制过滤效率高, 且具高效抗静电、阻燃防爆性能的高性能纤维过滤材料成为目前迫切需要解决的课题。 目前国内外抗静电过滤材料的加工方法主要有纤维滤料表面整理、纤维化学改性和嵌织导电纤维三 种[5]。前两种是 靠吸收空气中的水分来实现抗静电的方法。但采用 这类方法 时, 抗静电效果对环境湿度的依赖性很大, 在低湿度的条件下将失去其抗静电性, 致使它的应用受到限制。近年来, 嵌织有机导电纤维、金属纤维的抗静电过滤布以其优异的抗静电性能 占据了很大的市场。但实际应用中, 由于受滤料本身 抗静电性能以及干燥高温等特殊工况条件的影响, 若含尘浓度较高, 抗静电功能并不明显。嵌织导电纤维抗静电滤料的制备还存在导电纤维加工复杂、成本昂贵, 导电纤维与合成纤维混纺或交织的工艺比较复杂、困难等诸多问题[6]。
磁控溅射法属物理加工方法, 不会产生污染, 生产工艺简单, 较其他几种加工方法有明显的优势。目前, 国内外研究学者已利用磁控物理沉积技术, 成功地在纺织材料表面构建了 较为稳固的功能纳米结构层, 所得的纺织功能材料的电导率 及抗静电性能都达到了比较高的水 平[7,8,9]。本研究采 用低温磁控溅射技术, 在普通涤纶针刺毡表面沉积纳米金属铜薄膜, 利用纳米铜薄膜良好的导电性, 制备出具有抗静电效果的过 滤材料。
1 实验部分
1.1 材料
溅射实验用材料:涤纶针刺 毡, 面密度500g/m2, 将涤纶针刺毡剪成直径为12cm的圆形, 放入丙酮 (分析纯) 与蒸馏水以1∶1混合的溶液中超声洗涤30min, 浸洗时用玻璃棒不时地轻轻搅动, 以去除针刺毡表面的有机溶剂、灰尘等杂质。然后用清水反复漂洗干净, 放入约50℃的烘箱中约5h, 烘干后装入样品袋, 放入干燥皿中待用, 江苏菲特滤料有限 公司;金属铜靶 (纯度为99.999%, dia50×3.5mm) 。
比较实验用材料:纱线型涤纶防静电针刺毡 (以下简称纱线型) , 面密度500g/m2, 在针刺毡的基布中每隔10mm嵌织1根含有碳粉的尼龙6导电纱, 江苏菲特滤料有限公司;混纺型涤纶防静电针刺毡 (以下简称混纺型) , 面密度500g/m2, 采用涤纶短纤与含有铜离子导电纤维混纺, 其中导电纤维占总纤维量的7%, 经过开松、梳理、铺网、预刺、高速上下主刺、烧毛、压光和热定型而成的针刺毡, 江苏菲特滤料有限公司。
1.2 仪器
高真空多功能磁控溅 射设备 (JZCK-420B型) , 射频源频 率为13.56MHz, 最大功率为300 W, 沈阳聚智科技开发有限公司;织物感应式静电测定仪 (YG (B) 342D型) , 温州大荣纺织仪器有限公司;滤料综合性能测试台 (LZC-H型) , 苏州华达仪器设备有限公司;日立场发射扫描电子显微镜 (S-4800型) , 日本日立株式会社。
1.3 实验内容
1.3.1 磁控溅射镀膜
以高纯Cu (99.999%) 为靶材, 采用射频磁控溅射法, 在室温条件下沉积铜薄膜制备抗静电涤纶过滤毡。为减少气体杂质对基材的污 染, 提高薄膜 质量, 先将真空 室抽至本 底真空1.5×10-3Pa, 然后充入 高纯度氩 气 (99.99%) , 气流速度 为20mL/min。为了除去靶材表面的杂质, 起辉后, 预溅射10min左右, 再移开挡板进行实验。为使溅射出的铜粒子能 均匀附着在基材上, 样品架以100r/min的速度旋转, 靶基距为8cm。
1.3.2 正交试验设计
根据使用的设备条件, 实验选择工作气压 (A) 、溅射功率 (B) 和沉积时间 (C) 3个工艺参数为正交试验的3个因素, 同时将每个因素确定3个水平, 见表1。选择L9 (34) 正交试验表安排试验, 将沉积铜薄膜滤料的静电半衰期作为试验的考察指标。
1.4 形貌表征
采用了扫描电子显微镜 (SEM) 对镀膜前后的涤纶针刺毡表面形貌进行观察, 分析纳米Cu颗粒在滤 料表面的 形貌及分布。
1.5 性能测试
1.5.1 抗静电性能测试
本实验参照FZ/T 01042-1996《纺织材料静电性能、静电压半衰期的测定》在YG (B) 342D型织物感应式静电测定仪上测量试样静电压及半衰期, 并对不同抗静电过滤毡的抗静电性 能进行了 比较。测试 条件为:环境温度37℃、相对湿度58%。
1.5.2 过滤性能测试
过滤性能是通过测试过滤材料的过滤阻力和其对不同粒径粒子的过滤效率来分析的, 测试采用的仪器是苏州华达仪 器设备有限公司 生产的LZC-H型滤料综 合性能测 试台和BCJ-1系列激光尘埃粒子计数器。气溶胶类型为葵二酸二辛酯 (DEHS) , 流量为25L/min。
2 结果与分析
2.1 正交试验结果分析
按照L9 (34) 正交试验表确定的实验方案进行磁控溅射, 利用织物感应抗静电测定仪对试样半衰期进行测定, 实验方案和结果见表2。
表2中级差R的大小, 反映该列所排因素选取的水平变动对指标的影响。级差越大, 说明该因素对指标的影响越大。通过对正交试验结果的极差分析可知, 影响半衰期值大小的 因素按重要程度依次排列为溅射功率、沉积时间和工作气压。ki表示任一列上因素取水平i时所得的实验结果的平均值, 在此为半衰期的平均值。电荷半衰期越短, 说明试样 中和表面 电荷能力就越强, 即抗静电性越好。由此确定 这3因素3水平中, 制备抗静电性最优滤料的条件是工作气压为0.5Pa、溅射功率为60 W、沉积时间为30min。
2.2 形貌表征
图1中的 (a) 和 (b) 分别为磁控溅射前后涤纶滤料纤维表面的SEM图。
在图1 (a) 中, 可明显看到原样纤维表面比较光洁均一, 表面的一些颗粒物可能是在纤维生产过程中工艺控制不当, 使聚合物颗粒聚集突 出于纤维 表面形成 的;而在镀膜 后的图1 (b) 中可看到纤维表面覆盖了一层物质, 且形成了相对连续的薄膜;还可看到纤维的表面有小块薄膜脱落的痕迹, 这可能是在制样过程中, 纤维受到外力作用而使薄膜受到损伤造成的。
[ (a) 为原样; (b) 为镀膜后的试样 (沉积工艺参数60W、0.5Pa、30min) ]
2.3 抗静电性能的比较与分析
通过正交实验的分析, 已优选出抗静电效果 相对较好 的工艺参数。以此工艺参数溅射镀膜, 测试其半衰期来 进行验证试验, 同时与纱线型和混纺型抗静电过滤毡的抗静电性能进行了比较。为了减小实验误差, 对各试样均进行4次抗静电测试, 并将所得 数值取平 均值。实验 数据经整 理后制成 表3。
本实验设定了仪器显示的最大半衰期时间是99.9s, 因为参考聚合物的抗静电性能等级可知>60s就是抗静电性能等级为“差” (此时表面电阻>1012Ω) , 而常规涤纶纤维的表面电阻>1015Ω, 半衰期>2.6×103s, 因此实验所得涤纶针刺过滤毡原样的半衰期时间应该是>99.9s的[10]。
由表3可知, 与原样相比, 几种抗静电过滤毡试样的半衰期时间都大大缩短了, 这表示抗静电性能大大提高 了。与此同时, 可以看出经过溅射镀膜的试样半衰期为0s, 明显要比纱线型和混纺型的抗静电效果好, 这主要是因为此时铜粒子已在过滤材料的纤维表面形成了均匀连续的薄膜, 并较为成功的依附着纤维与纤维之间的联系形成一导电网络, 从而使滤料表面的电阻 值大幅度 下降, 当给样品 施加高压 的时候, Cu膜不但能阻止静电荷的产生, 同时能对其进行快速溢散, 达到非常优异的抗静 电效果。这与 前期实验 中扫描电 子显微镜 (SEM) 对纤维表面薄膜形貌的观察结果相符合。
2.4 过滤性能的比较与分析
过滤效率和过滤阻力是衡量滤料过滤性能 的重要指 标, 测量各过滤毡的过滤效率和过滤阻力见表4和图2。
由表4可知各种过滤毡的过滤效率相 差不大, 这是因为 各过滤布都是针刺毡且面密度相同, 只是在制备过程中采用 了不同的抗静电方法。与涤纶针刺过滤毡原样相 比, 沉积铜膜以后过滤效率稍有增加, 这可能是由于滤料纤维表面覆盖 了一层纳米铜颗粒使得纤维间的空隙有所减小, 对颗粒物的 拦截作用增大了。从图2可知, 各抗静电过滤毡 的过滤阻 力都有所增加, 但增加都不明显。尤其是溅射镀铜型的过滤毡, 过滤阻力仅增加了5%。由此可见, 采用磁控溅射法在涤纶针刺过滤毡的表面沉积纳米铜薄膜对其过滤性能的影响较小。
3 结论
(1) 研究结果表明, 利用磁控溅射积技术可直接在普通涤纶针刺过滤毡的表面构建纳米金属功能层, 溅射镀铜后的过 滤材料抗静电性能达到了比较高的水平。
(2) 由正交试验直观分析优选出了溅射镀铜的最佳工 艺参数, 工作气压 为0.5Pa、溅射功率 为60W、溅射时间 为30min, 此时的静电半衰期为0s。
(3) 与纱线型和混纺型的抗静电过滤毡相比, 沉积铜膜后的PET过滤毡抗静电性能和过滤性能明显较好。镀膜前后, PET滤料的过滤效率和过滤阻力变化较小, 沉积铜膜对滤料过滤性能的影响不明显。
摘要：在室温条件下, 采用射频磁控溅射法在涤纶 (PET) 针刺过滤毡表面制备了纳米结构铜薄膜。通过正交试验分析了溅射主要工艺参数 (工作气压、溅射功率和沉积时间) 对PET滤料抗静电性能的影响, 并以优化溅射工艺所制备抗静电过滤毡与纱线型涤纶防静电针刺过滤毡和混纺型涤纶防静电针刺过滤毡进行了性能比较。研究表明, 经镀膜后PET过滤毡的抗静电性能得到了显著改善, 并且抗静电性能明显优于纱线型和混纺型的抗静电过滤毡。通过对过滤性能的测试发现, 沉积铜薄膜几乎不影响PET滤料的原有过滤性能。
关键词：磁控溅射,纳米结构铜薄膜,涤纶针刺过滤毡,抗静电性能
参考文献
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抗静电性能 篇2
【关键词】静电;静电防护;实验室
1 静电的概念
静电，顾名思义，就是指的静止的、不流动的电荷。
我们知道物质都是由原子构成的。
原子分为原子核和核外电子，电子环绕原子核做高速圆周运动。
原子核带正电，核外电子带负电。
在一般情况下，原子核的正电荷数量与核外电子的负电荷数量相等。
所以对外不显电性。
但在受到外力作用时，这种平衡有可能被打破，此时电子脱离原子核束缚而显负电性，而原子因为失去电子显正电性。
当这种只带一个极性的电荷积聚在某个物体上时就形成静电。
电荷有正、负两种电荷。
那么静电现象也就分为正静电和负静电。
随着静电的增加，静电在其周围形成静电场，当静电电场的能量增加到一定范围后，就能击穿其介质而对外放电。
比如是我们日常见到火花放电现象，人体容易带上静电，当接触他人或金属导电体时就会出现放电现象。
冬天空气干燥的夜晚当人脱下化纤一类衣服时，能看到火花和听到响声，这是化纤衣物与人体摩擦人体带上正静电的原因。
2 静电的产生
静电主要是由以下几种方式产生，1)摩擦，因不同材料的物体接触后再分离，由于不同原子核对电子的束缚能力不同，当两种不同材料物质接触或者摩擦时，外围电子将转移到束缚能力大的一方，导致一材料带正电，另一材料带负电。
2)传导，因为在导体而言，电子能在他的表面自由移动。
当与带电体接触时，电子会从发生电荷转移，导致两者电荷平衡，从而形成静电现象。
3)感应，这里的感应是指邻近电场的感应，对于导体，电子在导电材料表面自由移动，若将该导体放置在另一个静电场中，由于同性电荷相互排斥，异性电荷相互吸引，正、负离子就会发生转移，该导体因静电场感应导致正、负电荷不平衡而形成带电。
一般情况下，电导率越小的非导体越容易产生静电，此时产生的静电荷不容易排出。
其泄露时间能达到秒、时、日数量级。
而对于导体，即使产生静电也能由导体对外排出电荷。
若导体外壳与大地等绝缘，此时导体上也能静电带电。
另外，湿度对静电产生的作用也很大，湿度为10%～20%时产生的静电比湿度为70%～90%时要强8-40倍。
3 静电的利用和危害
利用静电感应、高压静电场的气体放电等效应和原理，实现多种加工工艺和加工设备。
在电力、机械、轻工、纺织、航空航天以及高技术领域有着广泛的应用。
人们利用静电吸尘的原理制造出吸尘器。
它是利用静电场的作用， 使气体中悬浮的尘粒带电而被吸附，并将尘粒从烟气中分离出来而将其去除。
这是静电应用的主要方面，可用于各种工厂的烟气除尘。
利用物体容易产生静电的基本原理制造的复印机，它是利用光电导敏感材料在曝光时按影像发生电荷转移而存留静电潜影，经一定的干法显影、影像转印和定影而得到复制件。
随着现代工业生产的发展，静电放电造成的危害被越来越多的关注和研究。
静电的危害很多，它的第一种危害来源于带电体的互相作用。
在印刷厂里，纸页之间的静电会使纸页粘合在一起，难以分开，给印刷带来麻烦;在制药厂里。
由于静电吸引尘埃，会使药品达不到标准的纯度;在放电视时荧屏表面的静电容易吸附灰尘和油污，形成一层尘埃的薄膜，使图像的清晰程度和亮度降低。
静电的第二大危害，是有可能因静电火花点燃某些易燃物体而发生爆炸。
漆黑的夜晚，人们脱尼龙、毛料衣服时，会发出火花和“叭叭”的响声，这对人体基本无害。
在煤矿，则会引起瓦斯爆炸，会导致工人死伤，矿井报废。
静电放电时会产生电磁辐射，过大的电压和电流，对于静电敏感级度低的产品，他能导致其自身内部绝缘层的击穿。
而且，对电子设备、电子产品也会造成干扰而导致误动作，从而导致元器件的内部烧伤或短路。
4 静电敏感产品的分级
静电敏感度是为定量描述不同元件的相对敏感程度进行敏感度分类。
敏感层次分为多层次是为制定先进的ESD防护措施提供原始资料，这些措施用于对更敏感器件的广泛的防护。
大部分敏感度试验都是以人体模型为根据以便使得结果与其它模型相关。
根据国家标准《电子产品防静电放电控制大纲》的分级方法：静电敏感度介于0～V的元器件为1级;介于～3999V的元器件为2级;介于4000～15999V的为3级;静电敏感度为16000V或16000V以上的元器件、组件和设备被认为是非静电敏感产品。
一般所指的电子产品的防静电保护是针对1、2级敏感产品，在电子产品中所使用的薄膜电阻、半导体器件等一般都是静电敏感元件，使用中要选择最合适的静电敏感产品，选用恰当。
抗静电性能 篇3
1 实验部分
1.1 原料
PP(K8303),中国石化燕山石油化工有限公司;煤粉(CP),平顶山凤凰岭煤矿;乙炔黑(AB),焦作市和兴(化学)工业有限公司。
1.2 主要仪器
双螺杆挤出机(SHJ),南京杰恩特机电有限公司;平板硫化机(XLB-DQ25T),郑州大众机械制造有限公司;万能制样机(ZHY-W),承德建德检测仪器有限公司;组合式冲击试验机(XJ-50Z),承德建德检测仪器有限公司;邵氏硬度计(LX-A),乐清艾德堡仪器有限公司;高阻计(ZC36型),上海精密科学仪器有限公司;扫描电子显微镜(SEM,JSM-6390LV),日本电子株式会社。
1.3 样品制备
将煤灰粉体在球磨机中研磨10min,得到粒径在0~90μm、且分布均匀的煤粉粉体,将CP、AB、PP等按一定的配比投入高速混合机里进行预混,其中CP∶AB固定配比为3∶2,CP/AB的百分比分别为0%、5%、10%、15%和20%(wt,质量分数,下同)。然后使用双螺杆挤出机熔融共混、挤出、冷却、造粒,得到PP/CP/AB共混物,相应编号为A、B、C、D和E。挤出机温度设定为:140、160、180、170、180 和180℃,螺杆转速11.7r/min。最后将所得粒料于80℃烘干4h,利用平板硫化机在190℃下模压成5mm厚的片材,经90℃退火消除内应力,并切样备用。
1.4 性能测试与表征
表面电阻按GB/T 1410—2006 标准测试;体积电阻按GB/T 1410—2006 标准测试;简支梁冲击强度按GB/T1043—1993标准测试,温度为(23±2)℃;邵氏硬度按GB/T2411—1980标准测试。
SEM观察:取冲击断口制成2mm×2mm大小的试样粘于载物台上,真空溅射喷金后观察并拍照,加速电压为20kV。
2 结果与讨论
2.1 CP/AB对PP复合材料抗静电性能的影响
用数字高阻计分别测试纯PP、PP/CP和PP/CP/AB复合材料的表面电阻和体积电阻。体积电阻率和表面电阻率的计算见式(1)和式(2)。
式中,A=(π/4)d22=(π/4)(d1+2g)2为测量电极有效面积;ρv为体积电阻率(Ω·m);Rv为测得的试样体积电阻(Ω);A为测量电极的有效面积(m2);d1为测量电极直径(m);h为绝缘材料试样的厚度(m);g为测量电极与保护电极间隙宽度(m);ρs为表面电阻率(Ω);Rs为试样的表面电阻(Ω);d2为保护电极的内径(m);d1为测量电极直径(m)。其中d1=5cm,d2=5.4cm,h=0.2cm,g=0.2cm。
由表1可以看出当CP的添加量较少时,随添加量的增加,表面电阻率和体积电阻率迅速减小,当添加量到10% 之后,变化趋于平缓。这是因为CP是共轭芳香结构单元通过一定的交联键连接的网状大分子结构,电子会发生一定范围内的离域,当网状大分子结构相互接触时会形成导电通路,可使聚集在表面的电荷及时疏散,提高材料的抗静电性[7,8]。CP添加量较少时,不能形成良好的导电通路,随添加量增加,CP密度增大,其大分子网接触的机率增大,所以曲线急剧下降。当CP的加入量达到一定值之后,由于导电网已经形成,加入量再增加改变也不是很大,因此,曲线变化平缓。
[(a)5%;(b)5%;(c)20%;(d)20%]
当添加适量AB/CP配合体时,PP表面电阻率和体积电阻率迅速大幅度减小。随着CP/AB配合体含量的增加,配合体之间的距离逐渐减小,当配合体可以相互接触或足够接近时,通过隧道效应或电子跃迁形成连续的导电通路或导电网络,因而电阻率急剧减小。从图1可以看出:CP/AB配合体之间呈搭接与未搭接两种存在形式,这证明了CP/AB配合体在PP中同时存在欧姆接触导电和隧道效应导电两种导电方式。表2显示CP/AB配合体的加入使原材料的体积电阻率和表面电阻率大大下降,材料能够及时将聚集在表面的静电荷分散,材料的抗静电能力大大提高。当CP/AB配合体含量为20%时,表面电阻率和体积电阻率分别为2.71×106Ω和2.28×107Ω/cm;较纯PP依次降低12个和11个数量级;均达到国标GB 12158—1990《防止静电事故通用导则》规定的当抗静电复合材料表面电阻率小于107Ω、体积电阻率小于108Ω/cm的要求,并且减少了AB的填充量,降低了生产成本。
2.2 CP/AB含量对PP材料冲击强度的影响
图2 CP/AB配合体含量对PP冲击强度的影响
图2为CP/AB配合体含量对PP冲击强度的影响曲线。由图可以看出,随着CP/AB配合体含量的提高,复合材料的冲击强度呈先增加后下降的趋势,且当CP/AB配合体含量为5%,冲击强度达到最大值22.48kJ/m2,较纯PP提高幅度为36倍,当CP/AB配合体含量为5% ~20% 时,复合材料的冲击强度从22.48kJ/m2降至10.01kJ/m2,降低了55.48%。这是因为刚性粒子填充复合材料的冲击强度主要决定于填料的用量、相容性[9,10]。当CP/AB配合体的含量为5%时,分散相CP/AB配合体较均匀地分布在PP基体中,且在CP/AB配合体粒子周围存有明显的环状凹陷(见图1),当基体受到冲击时,这些微小的空穴可以吸收部分的冲击能量,使基体树脂裂纹的扩展受阻,从而基体韧性提高。当CP/AB配合体填料含量继续增加时,粒子与PP之间的相容性较差,引发的银纹之间发生相互贯穿,发展成裂纹[11],会使复合材料脆性增加,即CP/AB配合体对PP的改性效果降低。
2.3 CP/AB含量对PP材料硬度的影响
图3为复合材料的硬度与CP/AB配合体含量的关系曲线。可以看出随着CP/AB配合体含量的增加,复合材料的硬度逐渐增加。不添加CP/AB配合体时,PP的硬度只有62.7,而当CP/AB配合体含量为20%时,体系硬度已达到75.5,较纯PP提高幅度达到20.41%。这是因为CP/AB配合体为刚性粒子本身硬度较大,随着CP/AB配合体含量的增加,复合材料中的CP/AB配合体颗粒之间距离变小,因此CP/AB配合体的添加能提高PP的硬度,同时这也与其他刚性粒子填充聚合物表现出来的性质是一致的。
图3 CP/AB配合体含量对PP硬度的影响
3 结论
(1)CP/AB配合体能提高复合材料的抗静电性能,并且复合材料的表面电阻率和体积电阻率随着配合体添加量的增加而减少。在配合体含量为20%时,表面和体积电阻率分别为2.71×106Ω 和2.28×107Ω/cm,达到最低,这是由于配合体在PP基体中形成导电通路,将表面的聚集电荷分散。
(2)在添加范围内,刚性粒子CP/AB可以提高PP的冲击强度,当配合体含量为5% 时,复合材料冲击强度最大,即22.48kJ/m2,这与配合体在PP中的分散性和相容性有关。当配合体含量为20%时,硬度达到最大,为75.5。
摘要：采用熔融共混法制备了不同配比的PP/煤粉/乙炔黑复合材料,并对复合材料的抗静电性能和力学性能进行了研究。结果表明:煤粉/乙炔黑配合体能提高复合材料的抗静电性能和冲击强度。在其质量分数为20%时表面和体积电阻率达到最低,分别为2.71×10~6Ω和2.28×10~7Ω/cm。主要原因是导电粒子煤粉/乙炔黑在PP基体中形成导电通道。当配合体含量为5%时,复合材料冲击强度最大,即22.48kJ/m2。
关键词：聚丙烯,煤粉,乙炔黑,抗静电,冲击性能
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抗静电性能 篇4
同轴静电纺丝法是一种新型的制备复合纳米纤维的技术,在微封装领域有着潜在的应用[8,9]。利用同轴静电纺丝法制备的纤维具有尺寸小、比表面积大、纤维连续等优势。笔者采用熔融同轴静电纺丝法制备了内部包封正十五烷的聚乙烯醇缩丁醛纤维,系统研究了相变纤维微观形貌和结构、热性能和调温性能。研究结果为采用熔融同轴静电纺丝法制备新型的低温相变纤维材料提供了重要实验基础和指导。
1 实验部分
1.1 试剂
正十五烷(PCM,熔点9℃,纯度为98%),上海阿拉丁试剂有限公司;聚乙烯醇缩丁醛(PVB,ButvarB-98,MW=40000-70000Da),Sigma-Aldrich公司;无水乙醇(LD50=7060mg/kg,分析纯),成都海兴化工试剂厂;石油醚(分析纯),天津市富宇精细化工有限公司。
1.2 相变纤维的制备
浓度为20%(w/v)的PVB乙醇溶液作为外相纺丝溶液(静置脱泡3h),熔融的正十五烷作为内相溶液,分别泵入静电纺丝设备(SS-2534H型,北京永康乐业科技发展有限公司)的同轴喷头中。外加电压为12kV,正极同轴喷头和负极铝箔之间的接收距离约为16cm。静电纺丝设备中的温度恒定在50℃。实验中固定外相流速(3000μL/h),调节内相流速[(0~500)μL/h]以制备不同包封率的相变纤维。
1.3 微观形貌和结构表征
得到的相变纤维经自然干燥后喷金,用扫描电子显微镜(SEM,JSM-7500F型,日本JEOL公司)观察其微观表面形貌。采用透射电子显微镜(TEM,Tecnai G2F20型,美国FEI公司)观察相变纤维的内部结构。观察前,相变纤维先用石油醚溶液浸泡24h以去除内部包封的相变材料。
1.4 热性能表征
通过差式扫描量热仪(DSC,Q2000型,美国TA instruments公司)记录相变纤维的吸、放热行为。称取5~8mg相变纤维置于坩埚中,在氮气氛围中匀速升、降温。升、降温速率为5℃/min,考察温度范围为-20~30℃。相变纤维的热稳定性能是通过热重分析仪(TGA,TG209F1型,美国NETZSCH公司)进行表征的。将5~8mg的相变纤维置于氮气氛围中,以10℃/min的升温速率从30℃加热到600℃。
1.5 调温性能测试
将厚度约为4mm的PVB纤维和相变纤维分别包覆在玻璃样品瓶外表面,样品瓶内部中心距底部1.5cm处放置1个热电偶。将两个样品瓶冷藏使它们获得相同初始内部温度(约-12℃)。实验开始时,迅速将样品瓶置于20℃的常温环境下,用红外热成像仪(Flir E40型,美国Flir公司)记录样品瓶的表面温度(以开始记录时间为初始时刻),热电偶记录样品瓶的内部温度。
2 结果与讨论
2.1 相变纤维的形貌和内部结构
图1为在不同内相流速条件下制备的相变纤维的微观表面形貌。将在内相流速分别为0、100、200、300、400和500μL/h条件下制备的一系列相变纤维分别记为PVB、PCM/PVB-1、PCM/PVB-2、PCM/PVB-3、PCM/PVB-4和PCM/PVB-5相变纤维。制备得到的纤维尺寸在几百纳米到几微米范围内,同一内相流速条件下制备的纤维尺寸均一(图1)。当内相流速在200μL/h附近,纤维表面光滑、平整[图1(b)]。随着内相流速的增加,有少部分纤维表面出现了条形的沟槽[图1(c-f)]。
图2为不同内相流速条件下制备的相变纤维TEM照片。由图可知,随着内相流速增加,相变纤维的内部空腔增大。并且纤维的结构由豆荚结构逐渐向竹节状结构转变,最终形成中空结构。具有豆荚状或竹节状结构的相变纤维的内部具有分隔的内部空腔,有望用来提高相变材料的包封稳定性;而具有中空结构的相变纤维则具有较大的内部空腔,有望获得较高的相变材料包封率。
2.2 相变纤维材料的热性能
图3为不同内相流速条件下制备的相变纤维的DSC曲线。由图可知,正十五烷在加热和冷却过程中均出现了两次相变,即在低温处(图3中Ⅰ)先发生固-固相变,和温度略高时(图3中Ⅱ)发生固-液相变。在加热过程中,相变纤维的熔融相变温度与正十五烷的相变温度一致[图3(a)]。但是,在冷却结晶过程中,相变纤维在结晶温度附近出现了过冷结晶的现象[图3(b)中的α峰和β峰],这是由于高纯度的相变材料被包封在微小的空间内所引起的[10,11]。
[(a)PVB;(b)PCM/PVB-1;(c)PCM/PVB-2;(d)PCM/PVB-3;(e)PCM/PVB-4;(f)PCM/PVB-5;标尺为10μm]
[(a)PVB;(b)PCM/PVB-1;(c)PCM/PVB-2;(d)PCM/PVB-3;(e)PCM/PVB-4;(f)PCM/PVB-5;标尺为2μm]
[(a)加热过程;(b)冷却过程]
根据DSC曲线中的峰面积可以获得相变纤维的熔融焓和结晶焓,如表1所示。表1中的熔融焓和结晶焓是指在加热、冷却过程中所有相变过程吸、放热焓值之和,即包含了固-固相变、固-液相变以及过冷结晶所对应的峰面积计算得到的。相变纤维的包封率(E,%)定义为相变纤维的熔融焓与正十五烷的熔融焓之比,可以通过公式(1)进行计算。
式中,ΔHm,PCM/PVB和ΔHm,PCM分别表示相变纤维和正十五烷的熔融焓。
由表1可知,随着内相流速的增加,相变纤维的熔融焓和结晶焓均增加,因此包封率也相应增加。当内相流速达到500μL/h时,PCM/PVB-5纤维的熔融焓和结晶焓达到最大值,分别为69.84和69.49J/g,此时相变纤维的包封率也达到最大值33.8%。
相变纤维的热稳定性可由图4中TGA曲线分析得到。相变纤维在300℃之前的质量损失是由于相变纤维内部的相变材料的分解造成的。随着内相流速的增加,相变纤维的质量损失也表现出增加的趋势。这一结果证明,相变纤维中包封的正十五烷的含量随着内相流速的增加而增加,这与DSC测试结果一致。
2.3 相变纤维材料的调温性能
图5(a)和图5(b)展示了热电偶放置在样品瓶中的位置,和分别包覆了PVB纤维和PCM/PVB-5相变纤维的样品瓶的外观。由热像图[图5(d-f)]可以观察到,在升温过程中,PCM/PVB-5相变纤维和PVB纤维的表面温度存在明显差异,即相变纤维的表面温度低于PVB纤维的表面温度。30min后,包覆不同纤维的样品瓶的表面温度趋于一致,并且达到周围环境的温度。实验证明,制备获得的相变纤维具有良好的调温隔热性能。
图5放置热电偶的样品瓶(a),包覆不同纤维的样品瓶(b)的光学照片和红外热像图(c-f,-12→20℃)
包覆不同纤维的样品瓶的内部温度随时间的变化如图6(a)所示。当t=0min时,两个样品瓶的内部温度均为-12℃。随着升温过程的持续进行,包覆相变纤维的样品瓶的内部温度比包覆PVB纤维的样品瓶低,且两者的内部温差呈现先增加后略微减小,再增加后又减小直至为零的趋势。这是由于在温度较低时正十五烷首先发生固-固相变并吸收热量,减缓了包覆相变纤维的样品瓶内部温度的升温速率,使其内部温度比包覆PVB纤维的样品瓶低。
对比两者的升温速率,包覆PVB纤维的样品瓶从-12℃升温到10℃附近需要约6min,而包覆了相变纤维的样品瓶却需要10min,后者为前者的1.7倍。结果表明,相变纤维极大减缓了样品瓶内部的升温速率,具有较好的调温性能。经过6次重复实验过程[图6(b)],样品瓶中的最大内部温差(t=10min)维持在4℃左右不变。结果说明制备的相变纤维具有稳定的包封效果,即相变纤维的隔热效果和调温性能具有良好的可重复性,热调节温度在10℃附近。
[(a)第1次循环;(b)6次重复实验(t=10min时的温度)(-12→20℃)]
3 结论
(1)采用熔融静电纺丝方法成功制备了内部包封正十五烷的低温相变纤维。制备的相变纤维的熔融焓、结晶焓和正十五烷的包封率随着内相流速的增加而增加。当内相流速为500μL/h时,相变纤维的熔融焓、结晶值和包封率达到最大值,分别为69.84J/g、69.49J/g和33.8%。
(2)制备的低温相变纤维具有良好的且可重复的隔热效果和调温性能,其热调节温度为10℃,该纤维在食品、药品的冷藏储运,新型隔热材料等方面具有广泛的应用前景。
参考文献
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抗静电性能 篇5
关键词：静电印刷,复制性能,网点扩大,显色性能
近年来,随着数字印刷技术的逐步发展及推广, 以及人们对于个性化印刷需求的提高,数字印刷依靠其按需、短版及支持可变数据等特点得到了快速的发展及广泛的应用[1]。其中,静电数字印刷更是以其较好的印刷质量及较快的印刷速度广泛应用于商业印刷、包装印刷等领域。相比于早已成形的传统印刷品质量标准,数字印刷领域还欠缺专门针对彩色印刷品质量检测与评价的统一标准[2]。印刷复制性能是评价印刷品质量的关键因素,其忠实反映印刷机所能再现的颜色、阶调的能力。在有效控制各工艺环节的基础上,印刷机的复制性能及承印材料的特性将直接影响着印品的输出质量和色彩效果[3]。
当下流行的静电数字印刷机已经有很多,有使用固体色粉的,有使用液体色粉的,但是印刷原理大致相同,且印刷复制性能相近[4]。研究表明,纸张种类相同时,定量对静电印刷复制性能没有明显影响[5],现选择定量差别不大、白度较接近的不同类型纸张作为印刷介质,以柯美C6000静电印刷机为输出设备,探究其在不同纸张上输出时的印刷复制性能,为静电数字印刷品质量的检测与评价提供一定的参考。
1实验
以柯美C6000印刷机为印刷输出设备,选取6类常用于印刷生产的纸张作为承印材料,具体包括: 书刊纸、双胶纸、新闻纸、静电复印纸、高光铜版纸、 亚光铜版纸,这些纸张具有不同的表面特性,使用别克式平滑度仪测得表面平滑度依次为75,49,35, 40,509,180s。印刷测试图为C、M、Y、K、C + M、C + Y、M + Y、C + M + Y八色组成的网点面积率从0% ~ 100% 以5% 为间隔的梯尺。实验具体步骤如下。
( 1) 校正印刷机并输出样张。使用GMG色彩管理软件对印刷机进行校正,在每种纸上各输出三组样张。
( 2) 测量数据。使用Spectroeye分光光度计测量印刷样张上CMYK四色各阶调色块的反射密度; 测量梯尺上各阶调色块的网点面积率; 测量CMYK四色版的相对反差; 测量CMY三色实地色块的分色密度; 测量各静电印刷样张及精细胶印样张上C、 M、Y、C + M、C + Y、M + Y六色实地色块的的L*、 a*、b*值。
( 3) 获取网点微观形态。使用OLYMPUS BX41显微镜及Panasonic WV-CP240EX CCD成像系统获取印刷样张的网点微观图像。
2实验结果及分析
2.1实地密度
测量各样张的实地密度,对同种纸张的密度数据求平均,得到各纸张上四色版的实地密度[6]如表1所示。
将表1中静电印刷输出的各样张实地密度数据对比CY/T 5中对于胶印印品密度要求[7],可以发现,静电数字印刷机在高光铜版纸及亚光铜版纸上的输出能基本满足胶印质量标准中对于精细印刷品复制的密度要求,对其他四种纸的输出能基本满足胶印标准中对于一般印刷品复制的密度要求; 青版密度较胶印标准偏低,而黄版的密度却大有提高,反映到样张上可以发现青色饱和度不够而黄色有较高的饱和度。
2.2网点扩大
测量各样张上四色版阶调网点的网点面积率, 得到各色版的网点扩大曲线[8,9]如图1所示。
从图1中可以看出,静电印刷所得样张的网点扩大规律与胶印相似,各样张在中间调部分的网点扩大相对较大; 对于平滑度低的纸张,其网点扩大值普遍比平滑度高的纸张要小,分析其原因可能是由于当纸张表面越粗糙,微小的固体色粉转移到纸张表面后,在热压定影阶段色粉更多地进入到纸张表面的空隙中,减轻了向外扩散,导致网点扩大较小, 相反,在热压辊的作用下色粉在平滑度高的纸张表面更多地向外扩散而向内渗透减少,导致网点扩大较为严重; 对于高光铜版纸、亚光铜版纸印刷而言, 其中间调的网点扩大值达到25% 左右,且在黄版中更为严重,超出传统胶印中对于50% 处网点扩大值在10% ~ 20% 之间的要求[8],分析其另一原因可能是因为静电印刷所用油墨为颗粒度较小的固体色粉,而研究表明网点直径越小产生的光学网点扩大越严重,基于此,建议将静电数字印刷所允许的网点扩大值放宽为10% ~ 30% 。
2.3相对反差
测量样张上各色版的相对反差,对同种纸张的数据求平均,得到不同纸张各版的相对反差[10,11]如表2所示。
将表2中的数据对比CY/T 5中对于胶印印品相对反差的要求[8],可以发现,静电数字印刷机在高光铜版纸及亚光铜版纸上的输出能较好地满足传统胶印质量标准中对于精细印刷品复制的相对反差的要求,对其他四种纸的输出能基本满足传统胶印标准中对于一般印刷品复制的相对反差的要求; 黄版和黑版比胶印要求的相对反差略大,反映到印品上可以发现静电印刷对于中暗调的层次还原较好; 根据实验结果,建议将静电数字印刷品质量要求的相对反差设定为: 黄为0. 25 ~ 0. 40,黑为0. 35 ~ 0. 5,青、品红为0. 30 ~ 0. 45。
2.4阶调响应
测量样张上各色版阶调网点的密度并求平均, 以原稿的网点面积为水平轴,以各版密度测量值为纵轴,得到各版的阶调响应曲线[12]如图2所示。
从图2中可以发现,各版的阶调响应曲线的特点略有不同,黄版上不同纸张的阶调响应差异较大, 青、品红版上在中暗调区域有差异,黑版上则有较好的一致性; 四色版中铜版纸的阶调响应要明显优于其他纸张,新闻纸的阶调响应最差; 黄品青三色版的阶调响应曲线在极暗调区域都出现了明显的下降趋势,而黑版保持着较好的阶调响应,反映到印品上可发现黑版暗调区域阶调层次更加清晰,而其他色版的暗调层次较差。虽然曲线之间有一定的差异,但从总体上看,静电印刷输出样张的阶调响应曲线较为平滑,各阶调响应分明,层次清楚。
2.5色域范围
对各静电印刷样张以及对符合精细印刷质量的胶印样张( 高光铜版纸) 中C、M、Y、C + M、C + Y、M + Y六色实地色块多次测量求平均得到的L*、a*、 b*数据所绘制的印刷色域图[13]如图3所示。
从图3中可以发现,静电印刷输出在高光铜版纸上所呈现的色域范围最大,亚光铜版纸其次,新闻纸最小,即铜板纸所能再现的色彩饱和度比其他纸高,也反映了油墨在铜版纸上的转移程度较好; 静电印刷所能呈现的色域与胶印大体相近,同样输出在高光铜版纸上的胶印样张的色域范围虽然有很小一部分不在静电印刷输出的高光铜版纸样张色域内, 但从总体上看,静电印刷的色域基本包含胶印样张色域,且其所展现的色域面积更大,也就是说静电印刷能较好地再现原稿颜色,基本满足胶印质量要求。
2.6网点微观形态
通过显微采集系统获得的静电印刷样张以及传统胶印样张的网点微观形态[14]如图4所示。
从图4中可以发现,静电印刷各色的聚集态网点位置相对固定,排列角度相对固定,因此其符合调幅网点的属性; 由于静电印刷所用色粉尺寸较小,呈现的调幅网点的聚集度较传统胶印差,这便导致静电印刷容易出现较为严重的光学网点扩大,这也解释了2. 2节中发生的较胶印更高的网点扩大现象。
2.7油墨的显色性能
油墨的显色性能是指油墨在纸张上的表现能力即呈色效果,主要可从油墨的色强度、色相差、色灰度、色效率等方面进行讨论[15]。其各自表达式如式 ( 1) ~ 式( 3) 所示。
式中,Dh为原色色块分色密度中的最高值; Dl为最低值; Dm为中间值。
测量各印刷样张上CMY三色版实地色块的分色密度并取平均,将各值代入式( 1) ~ 式( 3) ,计算得到C、M、Y三色墨在不同纸张上的各项显色性能指标如表3至表5所示。
由表3 ~ 表5可以看出,不同颜色油墨的显色性能不同,黄墨的显色性能明显优于青墨及品红墨, 其色效率较高,色灰度、色相差较低,所以其具有较好的色彩表现能力,合理解释了2. 1节中出现黄墨密度较高、2. 3节中出现黄版相对反差较大的现象; 同种颜色油墨在不同纸张上的显色性能也有差异, 在高光铜版纸及亚光铜版纸上的显色性能明显优于其他四种纸,且在新闻纸上最差,合理解释了2. 5节中出现铜版纸色域最大而新闻纸色域最小的现象。 因此,油墨的显色性能在印刷复制过程中占有举足轻重的地位,建议将油墨的显色性能考虑到数字印刷质量的检测与评价指标中去。
3总结
抗静电性能 篇6
聚丁二酸丁二醇-共-对苯二甲酸丁二醇脂(下面简称为PBST)是一种带有芳香族基团的脂肪族聚酯,一方面拥有脂肪族聚酯生物可降解性,另一方面改善了脂肪族聚酯熔点低、物理性能差的缺点,是一种新型生物可降解材料。
如下对PBST体系进行磁控静电纺丝,在传统静电纺丝过程中引入与电场平行的磁场,通过调节励磁电流的大小改变磁场的强弱,主要考察磁场对静电纺PBST纤维的外观形态以及微观结构的影响。
1 实验部分
利用引入磁场的静电纺丝设备对配置好的纺丝溶液进行静电纺丝,调节纺丝工艺条件参数,根据需要设定纺丝电压,接收距离,励磁电流的大小,得到不同条件下的静电纺纤维样品。对样品进行SEM、X衍射以及力学性能测试。
2 结果与讨论
2.1 磁场对PBST纤维直径的影响
表1~3显示了在不同的条件组合下,静电纺PBST纤维的扫描电镜图片以及相应的直径分布直方图。从表中可以看到:引入磁场后,纤维的平均直径在不同程度上有所减小,直径分布的离散程度也相应变小,分布相对集中。例如,表1中,当纺丝溶液的浓度为14%时,引入磁场前,纤维直径分布在1000~5000nm范围内,平均直径为2777nm;引入磁场后,纤维直径分布在1500~3750nm范围内,并且主要集中在2000nm和3000nm之间,平均直径为2493nm。从表3可以看到,当电压为30KV,纺丝溶液的浓度为12%时,引入磁场前,有大量的串珠附着在纤维上,引入磁场后,串珠数量明显减少。串珠现象是静电纺丝过程中喷射流产生不稳定的一个比较严重的后果,这说明了磁场对静电纺丝过程的不稳定性具有抑制作用。
2.2 磁场对PBST纤维的结晶性能的影响
设定接收距离为12cm,纺丝溶液浓度13%,分别在不同励磁电流条件下进行纺丝。图1所示为PBST纤维的X衍射图。
从图1可以看到,引入磁场前后,PBST的几个主要衍射峰的位置没有改变,磁场对晶体的类型和结构没有影响。随着励磁电流的增大,衍射峰逐渐变得尖锐,说明磁场促使结晶相增多,结晶逐渐完善。
图2是静电纺PBST纤维的结晶度随励磁电流变化曲线图。
从图2中可以看到,随着励磁电流从0A增加到3.5A,纤维的结晶度从34.63%增加到42.27%。磁场增强了对聚合物的极化作用,纤维内部分子排列的有序度增加,分子链是通过转动和位移来调整构象的,磁场赋予了大分子更高的能量,使得更多的大分子能够调整位置,促进晶区的形成。
2.3 磁场对PBST纤维力学性能的影响
当电压为30KV时,静电纺PBST纤维的拉伸曲线图如图3所示。a,b,c三条曲线均有明显的屈服点以及屈服拉伸,屈服变形部分曲线有一些小波动,这是由纤维毡中纤维交错排列的层状结构引起的。引入磁场后,纤维的结晶度增大,因此纤维的断裂强度和断裂伸长均有所增大。但是,随着磁场的进一步增大,虽然结晶度增加,但是纤维晶体结构逐渐不完善,断裂伸长有所下降。
3 结语
磁场的引入,对静电纺PBST纤维的外观形态、结晶度以及力学性能有一定的影响,主要结论如下:
3.1 外观形态
引入磁场后,纤维平均直径以及分布离散程度均有不同程度的减小。例如,当纺丝溶液的浓度为14%时,引入磁场前,纤维直径分布在1000~5000nm范围内,平均直径为2777nm;引入磁场后,纤维直径分布在1500~3750nm范围内,并且主要集中在2000nm和3000nm之间,平均直径为2493nm。
3.2 结晶度
随着磁场的增加,纤维结晶度增加,当励磁电流从0A增加到3.5A时,纤维结晶度从34.63%增加到42.27%。
3.3 力学性能
随着磁场的增大,断裂强度增大,但是断裂伸长先增大后减小。
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抗静电性能 篇7
本实验利用导电性石墨、炭黑作混合填料, 水性丙烯酸树脂为基体树脂制备了一种复合防静电涂料, 将其涂覆与基材表面形成一种导电聚合层, 赋予材料特有的防静电功能, 研究了炭黑、石墨混合比例及用量、环境温、湿度变化对涂层性能的影响, 并对其防静电包装应用进行了探讨。
1实验部分
1.1原料
导电炭黑HK-40B2, 上海卡吉特化工科技有限公司;导电石墨M-500, 上海卡吉特化工科技有限公司;水性丙烯酸树脂M-89, 广州市米洋贸易有限公司;消泡剂、增稠剂、改性剂、分散剂, 宜兴市广泰化工有限公司。
1.2试样制备
将导电填料在85℃下烘干预处理, 与适量水溶液、助剂、基体树脂按比例混合, 变速搅拌后再用QZM-1型锥形磨研磨均匀, 调整涂料黏度得防静电涂料待用。将50mm×50mm的瓦楞纸板在温度23℃±2℃, 湿度50%±5%的恒温恒湿环境下处理24h后待用。涂料混合体系黏度较大, 可以采用涂布辊 (或玻璃棒) 将涂料均匀涂覆在处理好的纸板上, 待室温干燥后, 置于25℃、50%RH下恒温恒湿处理24h再进行性能测试, 每个样品做3个平行试样。
1.3性能测试
涂层表面电阻率按军用电磁屏蔽材料通用规范GJB2604-96[2]进行测试, 如图1所示, 采用对角线测试法, 待测样品与电极截面必须清洁, 将自制的端面为1cm×1cm的铜方块电极与万用表连接进行表面电阻率的测试。
测量时, 按图中所示位置进行两次对角测试, 所得测量值分别为R1和R2。
表面电阻率Rs为:Rs= (Rs1+Rs2) /2 (1)
式中Rs1=R1/ (L×1) ;Rs2=R2/ (L×1) ;L=4cm。
2结果与讨论
2.1混合填料对涂层导电性的影响
导电粒子的三维空间构型即导电网链质量的优劣对涂层导电性能起着至关重要的作用。炭黑是一种高结构性、高比表面积的物质, 很容易形成空间导电网络, 但在实际操作中也存在着黏度高、加工困难、在高质量分数下使聚合物原有性能损失较大等问题, 而石墨的弯曲片层结构不利于增大导电粒子在空间接触几率和接触面积, 所以结合两者的优缺点对其进行混合, 可有效地弥补各自的不足[3,4]。显然混合填料的比例和含量与涂层导电性能有必然联系。
将炭黑、石墨按一定比例 (质量分数) 混合如:0∶100、10∶90、20∶80、25∶75、30∶70, 对其表面电阻率进行测试, 结果如图2所示。当炭黑占混合填料含量为10%时继续增加炭黑比例, 涂层表面电阻率则进一步降低, 这是因为炭黑与石墨接触, 使涂料的导电结构更致密, 形成良好的三维空间结构, 从而降低涂料的电阻率。当炭黑含量为20%时, 涂层表面电阻率达到最低值。继续增加炭黑含量会使体系黏度变大, 增加制备难度, 而且聚合物树脂聚集连续状态被分割, 形成细小区域, 使聚合物原有性能遭破坏[5], 电阻率升高, 因此最优的炭黑、石墨混合比例为20∶80, 即炭黑占混合填料质量分数为20%。
渗流理论认为, 当体系中的导电填料含量增加到一个临界值后会突然下降, 变化幅度可达十几个数量级, 然后体系的电阻率变化又回复平缓[6,7]。由图3可知, 随着混合填料的增加, 电阻率急剧降低。填充量为20%以前下降趋势明显, 20%～25%之间下降趋势减缓, 填充量继续增大后电阻率甚至有所回升。这是因为随着填充量的增加, 导电粒子之间相互接触形成网链结构, 电阻率急剧减小而形成电阻率突降现象, 继续添加导电填料只是增加了导电通路数目, 对电阻率贡献降低, 因此变化较为平缓。而当石墨填充量超过25%后, 电阻率有所回升, 可认为此时体系的聚合物连接基料相对于填料用量太少, 导电填料粒子间形成空气泡或微裂纹[8], 出现涂层性能下降和电阻率上升的趋势。因此当填料含量控制在5%～25%之间, 可以有效调节涂层表面电阻率在102～1010Ω/cm2。
2.2温、湿度对涂层导电性的影响
将防静电涂料涂覆与基材表面从而赋予材料特有的防静电功能, 作为防静电包装材料在满足防静电性能的同时还要考虑环境因素对其性能的影响, 尤其是温、湿度的影响。取炭黑、石墨比例为20∶80, 混合填料含量分别为14%和17%, 将其涂覆于预处理的瓦楞纸板表面, 待室温干燥后置于干燥箱内, 每隔10℃ (时间间隔为1h) 记录一次表面电阻率, 研究其随温度变化的关系, 如图4。
在初始阶段, 随着温度的升高, 涂料的表面电阻率逐渐降低, 当达到85℃时开始回升。这是因为温度的升高使得填料粒子吸收足够的能量, 导电载流子浓度开始增加, 导电通道数目变多, 粒子不断发生跃迁, 从而形成了更好的三维空间网链结构, 导致电阻率下降[9]。但是当温度大于85℃后, 此时基体树脂开始过度膨胀, 填料粒子间距离增大到不能产生隧道效应, 大量网链结构被破化, 而且有可能发生了导电填料被氧化现象, 使得涂层导电性能呈下降趋势, 涂层表面电阻率随温度升高而升高。
依然选取混合填料含量分别为14%和17%, 按照同样的处理方法将其置于恒温恒湿箱内 (25℃) , 在相对湿度分别为20%, 35%, 50%, 65%, 80%, 95%时每隔24h测试其表面电阻率, 研究湿度变化对表面电阻率的影响。由图5可知, 随着相对湿度的增加, 涂层表面电阻率呈升高趋势, 但仍在一个数量级之内, 这可能是两方面因素共同作用的结果[10]。一是由于水分的吸收导致填料粒子距离变大, 电阻率升高;二是涂层表面吸附一层水膜导致电阻率有下降的趋势, 因此整体变化趋势并不明显。但是当湿度超过80%时, 涂层体积过度膨胀, 粒子间距大到无法进行跃迁阻碍了离子迁移, 大量导电网链结构破坏, 此时电阻率升高显著。
2.3防静电涂料的包装应用
涂层型防静电包装材料是指将导电性涂料涂敷于基材表面形成均匀的涂层, 赋予其导电性能使之成为能够安全地耗散静电电荷或屏蔽住零部件使其免受外界静电电荷影响的功能材料[11]。显然将上述防静电涂料的导电填料含量控制在5%～25%之间, 可以有效调节涂层表面电阻率在102～1010Ω/cm2, 根据GJB/Z86-97, 可以用作绝缘材料、静电耗散 (逸散) 材料、导静电 (静电导电) 材料、静电屏蔽和 (或) 电磁屏蔽材料[12] 。将其涂覆于瓦楞纸板表面制作防静电瓦楞纸板可以有效解决当前国内抗静电包装形式单一的缺陷, 大大拓展了纸板的功能和使用范围, 工艺实现简单, 成本也相对较低。而且水性防静电涂料有效降低了有机物的含量及其它有害物质 (voc) 的挥发, 属环保涂料。
3结论
(1) 混合导电填料的配比及含量对防静电涂料的导电性能具有重要影响, 当炭黑、石墨比例为20∶80, 即炭黑占填料质量分数为20%时防静电性能优异, 而且涂料黏度适中, 容易制备。而且通过控制导电填料含量控制在5%～25%之间, 可以有效调节涂层表面电阻率在102～1010Ω/cm2, 将其涂覆于基材表面可以制备不同防静电要求的包装材料。
(2) 制备的防静电涂层随温度的变化关系是先降低后升高, 随湿度变化为逐渐升高, 但仍处于同一个数量级内, 防静电性能稳定。将其涂覆于基材表面可以制得不同防护等级的防静电包装材料。
参考文献
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抗静电性能 篇8
本研究采用溶液静电纺丝技术,以聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)为原料,通过控制在聚酰胺热熔胶网膜表面电纺纳米纤维层的时间,得到了6种不同厚度的纳米纤维复合过滤材料,并通过把纤维膜与空调扇结合,组成简易的空气净化器,对其净化性能进行测试,从而对纤维膜的过滤效果进行评价。
1 实验部分
1.1 原料与试剂
PET[特性黏度:(0.8±0.02)dL/g],上海远纺工业有限公司;三氟乙酸(TFA,化学纯),北京市兴津化工厂;二氯甲烷(DCM,分析纯),北京市通广精细化工公司。
1.2 仪器与设备
电子天平(FA1104 型),北京Sartorius仪器系统有限公司;集热式恒温加热磁力搅拌器(XYDF-101S型),菏泽市鑫源仪器仪表有限公司;扫描电子显微镜(JSM-6360LV型),日本电子株式会社;DYLOS空气质量检测仪,苏州市贝昂科技有限公司;空调扇(FLS-120系列),宁波卡帝亚电器有限公司;光学显微镜(OLYMPUS CKX31型),北京世纪科信科学仪器有限公司;自制静电纺丝机等。
1.3 实验方法
1.3.1 纤维复合膜的制备
将PET颗粒溶解于三氟乙酸和二氯甲烷的混合溶剂中(V(TFA)∶V(DCM)=4∶1),在室温下搅拌溶解成体积分数为20%的PET纺丝溶液。将配制好的纺丝溶液加到电纺注射器中,调整参数,接收距离为15cm,纺丝电压为20kV,控制纺丝时间为10min、20min、30min、1h、2h、4h,在聚酰胺热熔胶网膜(以下简称无纺布,记为A0)上电纺PET纤维得到6种不同厚度的纤维膜,分别记为A1、A2、A3、A4、A5、A6,通过光学显微镜测量纤维膜的厚度。
1.3.2 表面形态分析
将待测样品用导电胶带粘贴在样品台上,经喷金处理后放入扫描电镜样品室,在扫描电压为10kV的条件下,观察纤维膜的微观形貌,并利用Smile View软件测定纤维的平均直径(AVG),随机选取50根纤维估算平均直径。
1.3.3 透气性能测试
采用全自动透气量仪(YG461Z型)对纤维膜的透气性能进行表征。将电纺不同厚度的纤维膜放置在面积为20cm2的试验圆台上,压下手柄,使压紧圈压紧试样。 测试压差为100Pa下纤维膜的透气性,测试温度为20℃,湿度为65%,每组试样取纤维膜的不同位置测试5次,取平均值。
1.3.4 过滤性能测试
(1)过滤性能测试实验室的构造
参照GB/T 18801—2008《空气净化器》[6]的检测标准并结合自身的实际情况设计建造实验室(1m×1m×1m,体积为1m3),该实验室由厚度为10mm的透明有机玻璃板制成,上盖可打开,在测试时关闭,可使空气泄漏率低于0.05m3/h。实验室内部放置一个风量为400m3/h的空调扇,除去空调扇的过滤网只保留空调扇的排风功能,过滤面积为200mm×280mm,实验过程中,在空调扇进风口处放置待测纤维膜进行测试。在实验室内部放置1台DYLOS空气质量检测仪用于检测实验室内部的颗粒物浓度,顶部安装1个循环风扇,可以使颗粒物在实验室内均匀分布。
(2)实验步骤
1)自然衰减实验
在实验室内,由于沉降、附聚和表面沉积等自然现象,导致空气中污染物浓度降低的现象称自然衰减。其实验方法如下:
①关闭实验室,打开香烟烟雾发生器(香烟的成分非常复杂,粒径在0.3~10μm之间[6]),启动循环风扇,使香烟烟雾在室内均匀分布。用DYLOS空气质量检测仪测量实验室内部的颗粒物浓度,当颗粒物浓度达3×106/ft3后,关闭香烟烟雾发生器。
②保持循环风扇工作使实验室内颗粒物分布均匀,1min后关闭。
③静置1min,待颗粒物浓度稳定后,在不开空调扇的情况下用DYLOS空气质量检测仪测量颗粒物浓度C0(t=0min),记为初始浓度,然后每2min读1次数据,连续测定20min。由于颗粒物浓度较低,远小于实验时香烟烟雾的颗粒物浓度,所以其浓度对实验影响很小,可以忽略[7,8]。
④把实验数据代入公式(1),计算自然衰减常数Kn。
2)总衰减实验
总衰减是指在实验时,实验室内空气中气体污染物的自然衰减和空调扇运行时去除污染物所引起的污染物浓度的降低。其实验方法如下:
①重复自然衰减实验前2个步骤。
②静置1min,待颗粒物浓度稳定后,开启空调扇,用DY-LOS空气质量检测仪测量颗粒物浓度C0(t=0min),记为初始浓度,然后每2min读1次数据,连续测定20min并记录平均温度和相对湿度。
③把实验数据代入公式(2),计算总衰减常数Ke。
④利用公式(3)、(4)分别计算洁净空气量CADR、去除率R。
为保证实验数据的准确性,每种实验样品按照上述实验步骤分别测试3次[9,10,11]。
2 结果与讨论
2.1 纤维膜形貌表征
静电纺PET复合纤维膜的SEM形貌图如图1 所示,纤维膜中2种纤维的直径分布如图2所示。从图1(a)看出,无纺布纤维直径较大,主要集中在20~22μm,纤维间空隙较大。而通过静电纺丝方法制备的PET纤维直径比无纺布纤维小很多,主要集中在600~1000nm,平均直径约为921nm,仅为无纺布纤维直径的1/20,且纤维间自由搭接,没有出现粘连现象,纤维间空隙较小,孔隙数目多,结构明显,单个纤维粗细均匀、表面光滑,没有出现串珠结构,纤维间无规则交织排列在一起,形成错综排列的网状结构。随着电纺时间的增加,PET纤维无规则交织排布在无纺布上,纤维的密集度不断增加,纤维间的孔隙则不断减小,如图1(b)—(f)所示。
[(a)10min;(b)20min;(c)30min;(d)1h;(e)2h;(f)4h]
[(a)无纺布;(b)静电纺PET纳米纤维膜]
2.2 纤维膜的主要性能参数
纤维复合膜具有2层结构,其中基材选用聚酰胺热熔胶网膜,厚度为93.0μm,主要起支撑作用。在聚酰胺热熔胶网膜上电纺PET纤维膜的主要性能参数见表1。
注:面密度=M/(L·D)(M为纤维膜质量,g;L为纤维膜长度,m;D为纤维膜宽度,m。)
图3为纤维毡性能参数变化情况。可以看出,随着纺丝时间延长,纤维膜厚度、面密度不断增加,而透气性不断减小。这是因为随着电纺时间的延长,纤维膜厚度和面密度不断增加,单位面积上堆积的纤维数量增多,纤维之间相互交叉,形成了错综复杂的网络结构,使得纤维膜的屈曲孔隙数目增加而直通孔径逐渐减少,孔道内部连通性下降且孔道加长,增大了对气流的阻力。
2.3 复合纤维膜过滤性能测试分析
2.3.1 纤维膜的过滤效果
分别测试了不同厚度及面密度的PET纤维膜对空气中颗粒物的过滤效果,结果如图4所示。可以看出,颗粒物浓度自然衰减的量明显小于纤维膜过滤时颗粒物浓度减小的量。无纺布的过滤效果较差,但在无纺布上电纺10min PET纤维后,纤维膜过滤效果显著提高。在过滤的初始阶段,这6组电纺纤维膜对颗粒物的过滤速率较高,但约8min后过滤速率明显降低。这是由于随着过滤时间处长,纤维膜的表面会积累上大量颗粒物,阻塞了纤维膜的孔隙,降低了纤维膜的透气性,而且颗粒物浓度也不断下降,使得单位面积上的纤维膜与颗粒物的接触概率减小,从而使纤维膜的过滤速率减小。
2.3.2 纤维膜的净化性能
表2为不同厚度及面密度的PET纤维膜与空调扇所组成的空气净化器净化颗粒物的性能指标。
纤维膜的过滤效果与厚度、面密度的关系如图5 所示。可以看出,随纤维膜厚度、面密度的增加,纤维膜的CADR和去除率都先增大后减小,且在纤维膜厚度为20μm、面密度为1.75g/m2时达到最大值。这说明在0~30min内,增加电纺时间可以增加纤维膜厚度及面密度,进而提升纤维膜对颗粒物的过滤效果;而当电纺时间大于30min后,纤维膜的过滤效果逐渐降低。这是由于在电纺时间较短时,纤维数量较少且PET纤维直径较大,纤维之间无规则交织排列所形成的网状结构孔隙较大,无法对颗粒物进行有效拦截,随着纺丝时间的处长,纤维膜厚度、面密度不断增加,纤维之间相互叠加排列后所形成的网状结构孔隙减小,使得纤维膜对颗粒物的拦截效果增强。但纤维膜上堆积的纤维含量过多会导致纤维膜厚度较大,对气流的阻力也急剧增大[12],从而降低复合纤维膜的过滤效果。
3 结论
(1)由SEM图可以看出,PET电纺纤维较细,其平均直径约为921nm,纤维形貌良好,纤维之间无规则排列在一起,没有出现粘连现象,纤维膜孔隙结构明显,孔隙数目多而且孔径较小,单个纤维粗细均匀,没有出现串珠结构。随着纺丝时间的处长,纤维的密集度不断增加,纤维膜的直通孔径减小。
(2)通过对不同纺丝时间电纺纤维膜的CADR进行计算,结果表明在一定时间内,增加纺丝时间,增加纤维膜的厚度可以提升纤维膜对颗粒物的过滤效果,通过控制电纺纤维膜的厚度可以得到对颗粒物有不同过滤效果的过滤膜材料。
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