窗帘摩擦静电的电荷量研究

文/商良钺 范晓伟 王艳

窗帘作为日常生活中不可缺少的室内装饰品，不仅起到遮阳隔热、调节室内光线的作用，同时又能美化室内环境，保护房主隐私[1]。因其独特的布局特点——悬挂于窗户的室内侧，窗帘成为颗粒污染物由室外环境进入室内后第一个可能接触并大概率发生沉积的表面，颗粒物在窗帘上沉积得越多，由室外通过窗户进入室内的颗粒物就越少。因此，窗帘对颗粒物的吸附和捕捉能力对室内空气的质量有着积极的影响[2]。

静电是影响窗帘对颗粒物吸附效果的一个重要因素。窗帘在使用过程中，会与窗户的金属框、玻璃以及其他的窗帘布等表面发生不同程度的摩擦。这些摩擦会使窗帘布产生静电，产生静电的数量以及这些静电对颗粒物的吸附效果如何，是一个值得探讨的课题。窗帘属于纺织物，目前对于纺织物静电的研究主要集中在织物静电的检测、织物的抗静电性能、织物的抗静电处理等方面[3-6]，而对于纺织物在实际使用过程中（摩擦次数很少）产生静电大小的研究则相对较少。本文主要对窗帘摩擦静电的电荷量进行研究，目的是得出窗帘在使用过程中因摩擦而产生电荷量的大小，以提供摩擦次数较少时织物表面所带电荷量数据的支撑。

1 窗帘布样品的选择

样品的选择直接关系试验数据的可靠性、适用性，因此主要从材质、样式等方面进行考量。目前市场上窗帘主要采用的材料有：纯棉、麻、涤纶、真丝或由几种原料混织而成等。这其中化学纤维相比于天然纤维有着耐用、经济实惠、易打理等诸多优点。其中涤纶强度高、弹性好，耐热性、耐腐蚀性、耐光性优良[7]，是窗帘的首选材料。因此选择涤纶作为本试验的主要样品的材质。在结构上，试验样品应该具有结构简单、变量少的特点，同时许多家庭在窗帘的选购中也偏向于纯色或拼色窗帘，以避免窗帘在装潢设计中的喧宾夺主，因此本论文中首先选取的样品为纯色单层涤纶长丝样品。

窗帘在实际使用过程中，有一定概率会和人所穿的织物进行接触，而羊毛作为纺织材料中具有代表性的动物纤维，电阻值为5×1011Ω，相反涤纶的表面电阻值大于1×1015Ω[8]。羊毛优秀的静电耗散速度与涤纶形成鲜明的对比，并且，为了更深入地研究不同织物在摩擦次数较少时的静电特性，分析不同织物材质的在相同的摩擦条件下的特性差异，更准确地说明涤纶作为窗帘材质在实际使用中和其他材质的静电特性特点，本文增加纯羊毛和羊毛-涤纶混纺的材料作为两个对照样品。

选取的试验样品材质为纯涤纶、纯羊毛、混纺，如图1所示。具体参数如表1，其中涤纶样品为长纤维样品，忽略其毛羽长度。

为了方便描述，将放在桌面上固定不动的物品称为被摩擦对象。被摩擦对象为涤纶、混纺、金属板、玻璃。纯铝金属板和玻璃分别用于研究窗帘布与金属窗框和玻璃之间的摩擦。每种材质的织物有两块相同的试验样品，用于研究织物之间摩擦的静电特性。样品、铝板、玻璃的尺寸均为800 mm×800mm。

图1 试验样品

2 试验原理与方法

2.1 试验原理

织物产生静电的机理主要有：接触效应、摩擦效应、热电效应、压电效应、感应起电等[3]，而在窗帘的使用过程中，起电机理主要为摩擦效应。在拉动窗帘、风吹动窗帘、人经过窗帘的时候，窗帘均会与金属窗框、玻璃、其他窗帘布、其他纺织品等发生摩擦，本文将主要对以上摩擦起电情况进行研究。

根据国家标准GB/T 12703.3—2009《纺织品 静电性能的评定 第3部分：电荷量》[9]中法拉第筒的使用规范，想要还原窗帘自然摩擦的状态是不可行的，因此本试验采取抽象简化的方法研究使用过程中的静电状况。用窗帘布样品和各物体直接进行简单摩擦，然后将摩擦后的窗帘布样品直接投入到法拉第筒中，读取窗帘布所携带的电荷量，用以间接测量窗帘在实际使用中可能的荷量。与钱樨成[3]等人对于摩擦次数和电荷量关系的试验相比，钱樨成等人摩擦次数高达7000次，本试验摩擦次数更少，是面与面之间的摩擦，摩擦方式贴近实际。

根据侯庆华等人[10]的研究可以知道，织物充分摩擦之后产生的电荷量的数量级在0.14μc/m2～16μc/m2之间，根据摩擦的材料，摩擦的情况不同，数量级有所不同。摩擦带电一般关系如下列方程式[3,6]。

式中：Q——为带电量，C；W——为摩擦功，J；ν——为摩擦速度，m/s。

物体带静电，其对地面的电位提高。本文检测电荷量的设备是法拉第筒。法拉第筒根据高斯原理，结合电荷量与电容、电压之间的关系，通过测量电压来间接测量织物或其他物品的电荷量，具体原理见参考文献[10]。

2.2 试验方法

本文使用的法拉第筒型号为YG(L)342F。具体试验步骤为：

1）将被摩擦对象水平放在金属板上，金属板水平放在绝缘桌面上，金属板接地，一端伸出桌面10cm，以避免织物摩擦的过程中与桌面接触。

2）将样品与被摩擦对象水平对齐放置，用绝缘木夹夹住样品两端，以1.5m/s的速度水平摩擦，使样品完全脱离被摩擦对象；

3）以相同的速度，反面反向摩擦一次，反面摩擦开始时，样品与被摩擦对象重叠面积不超过样品的四分之一，摩擦至样品与被摩擦对象对齐时结束一次摩擦。

4）恢复摩擦开始前的状态进入下一次摩擦阶段。

5）摩擦完毕后迅速将样品投入到法拉第筒中并读取仪器的最大值作为该次测量的电荷量大小。

整个摩擦过程中，样品、被摩擦对象、桌面等物体距离试验人员最小距离大于15cm。在相对湿度为（40±3）%、室温为（20±2）℃的环境下进行试验。

3 试验数据与讨论

表1 样品详细参数

试验全程监测环境中的相对湿度，确保相对湿度控制在（40±3）%，从而使相对湿度对试验结果的影响降到最低，室温（20±2）℃。通过试验测量，得到3个样品与不同的被摩擦对象进行不同次数的摩擦后产生的电荷量。试验结果如图2所示。

图2 3个样品与不同物体摩擦的电荷量曲线

试验结果表明，摩擦之后的涤纶样品和羊毛样品均带正电荷，而混纺材质的样品带负电荷。为了便于对试验结果进行比较，本文将得到的全部电荷数据取绝对值处理。由于样品面积全部为0.64m2，所以电荷量的大小直接反映出电荷量面密度的大小。

由图2中的各曲线可以发现，织物表面所带的电荷量随摩擦次数的增加呈现两种明显的趋势：一种是电荷量随摩擦次数的增增加而增加，增加速度随着摩擦次数的增加而减少；另一种是电荷量不随摩擦次数有明显的变化，而是在一定的范围内波动。使用origin对图中各组数据进行拟合之后发现电荷量随摩擦次数增加试验组中，电荷量与摩擦次数成对数函数的关系；另一种情况是电荷量与摩擦次数成常函数关系。

对于成对数函数关系的试验组，根据公式（1）可以知道电荷量的多少和摩擦功成正相关，为摩擦功的1/2次方乘以速度的函数，在本试验中每一次单独的摩擦都尽量保持相同的摩擦状态，可以认为摩擦速度保持不变，则电荷量的多少与摩擦功应成1/2次方的幂函数关系。当每次摩擦的状态相同的时候，摩擦次数侧面反映了摩擦功的大小。可以认为在本试验中摩擦功随着摩擦次数的增加线性增加，因此随着摩擦次数的增多，电荷量的增长速度下降。实际测量过程中，测量的数值是残留在窗帘样品上的电荷，摩擦过程中必然存在电荷量的损失，且随着摩擦次数的增加，损失量上升，而公式（1）并没有电荷量耗散项，因此与本文拟合的函数种类有所不同。在钱等人[3]的研究中也指出，当摩擦次数达到一定值后静电大小保持稳定。

对于成常函数关系的试验组，其中羊毛与玻璃摩擦产生的静电很小，且在0.075 μc/m2～0.118μc/m2之间波动，并未达到羊毛带电的最大值。再通过对比三种样品与其他物体的摩擦，可以看出，玻璃在4种被摩擦对象中是平均产生电荷量最少的材质，说明玻璃是不容易摩擦带电的材质。而羊毛与混纺、羊毛与涤纶、涤纶与涤纶均产生了较大的静电，且静电大小不随摩擦次数的增加而变化。说明这三种摩擦组合，一次摩擦便产生了大量静电，达到了静电饱和状态，从摩擦功角度来讲，一次摩擦的摩擦功足以让织物达到静电平衡状态。

在与混纺摩擦的试验中，图2（d）的羊毛样品依然产生了较大的电荷，但相比于摩擦涤纶，摩擦混纺产生的电荷量较低。与摩擦涤纶试验对比，可以发现，三种样品的电荷量均有所降低，且在前4次摩擦就达到了静电饱和状态，这说明：三种样品摩擦混纺的时候，更容易产生静电，但电荷量上限要小于与摩擦涤纶时的情况。从结构和材质角度分析：涤纶材质较混纺材质饱和时带电更多，但本试验的涤纶样品重量、厚度、毛羽数量要远远小于羊毛样品和混纺样品，在一次摩中，做功较小，根据公式

（1）摩擦功小的产生的电荷量就小，因此，摩擦涤纶的电荷量上升速度更慢，但饱和值却更高。

由上述分析可以看出，对于不同的被摩擦对象，涤纶样品的静电曲线并不完全相同。当织物需要多次摩擦才能达到静电饱和状态时，电荷量-摩擦次数曲线均满足对数函数关系。当摩擦一次便能达到静电平衡状态时，电荷量-摩擦次数曲线则是在一定范围内波动变化，有常函数形态的趋势。摩擦次数可以变相地看为样品的摩擦功，进而可以得出推论，织物表面因摩擦带电的电荷量大小与摩擦所做功成对数函数关系。当摩擦次数达到一定程度时，摩擦产生的电荷量趋于稳定。而公式（1）中并未考虑电荷的耗散，因此并不能完全反映织物在实际摩擦中的电荷量曲线特性。

综合3个样品摩擦不同物体的曲线图可以看出，3个样品摩擦涤纶产生的电荷量最大，然后依次是混纺、金属、玻璃。可以看出，涤纶窗帘在使用过程中，主要电荷量产生于窗帘与其他织物或自身进行摩擦产生的静电，而与窗框、玻璃等物体的摩擦则是次要因素。涤纶窗帘摩擦产生的电荷量数量级在相对湿度（40±3）%、温度（20±2）℃时，为0.109μc/m2～2.19μc/m2。

4 结论

通过试验，用3种不同材质和4种被摩擦物进行了摩擦试验，并对电荷量随摩擦次数的变化进行函数拟合。可以得到窗帘在使用中因摩擦可能产生的电荷量的大小，以及电荷量-摩擦次数的变化关系。基于试验数据得到以下结论：

（1）各材质织物样品在摩擦中的静电曲线略有不同，但普遍是和摩擦次数有着对数函数的关系，达到一定的摩擦次数之后保持稳定。

（2）在窗帘这种使用情况下，窗帘的静电主要来源于窗帘与窗帘之间的摩擦（如：双层结构的窗帘、窗帘配合纱帘等情况），其次是源于与玻璃或金属窗框之间的摩擦。涤纶窗帘摩擦产生的电荷量在相对湿度（40±3）%、温度（20±2）℃时，为0.109μc/m2～2.19μc/m2。

（3）在相同摩擦速度下，静电产生的多少与样品材质的电阻大小是弱相关，与样品的结构参数是强相关。