纺织物理第4章概要ppt课件.ppt

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1、高等纺织材料学,杜赵群（东华大学纺织学院）2013年-2014年第1学期,高等纺织材料学,第四章 纤维的电学性质,第一节 纤维的导电性,导电：带电粒子（或载流子）的定向移动；1. 纤维导电的一般形式自由电子的定向移动-金属；电离离子的定向移动电解溶液、电离气体；带电粒子：电子与空穴、正负离子；纤维的本质导电性表征指标：电导率 = Nq （S/cm 西门子/厘米） N载流子数目，q电荷， 迁移速率，R电阻，vI电流，V电压，S导电材料的截面积，l导电材料的长度载流子移动速度电流密度,一、纤维的导电机理,第一节 纤维的导电性,2. 纤维的导电机理 自由电子、离子或空穴？ 纤维为高聚物，大分子链由共

2、价键形成，无自由电子；能被电离的可能只有大分子头端，然分子本身难运动。混杂在纤维材料中的低分子物质可能被电离和运动，但数量少，故纤维高分子理论上为绝缘体。 通常高分子材料的电导率10-20 S/cm，为绝缘体。但实际是 10-9 S/cm，即一般在10-15 S/cm 10-9 S/cm。一是，实际值高于理论估算值，原因为纤维大分子上存在一些不稳定的极性基团和原子，并非所有电子都牢固束缚在分子和原子上，形成载流子（电子和离子)；二是，在外界电场、温度和压力作用下会增多，载流子数目增加。,第一节 纤维的导电性,3. 纤维导电机理的验证 导电主要物质来自于：水分、杂质、低分子物质，以电离为主。 纤

3、维导电主要机制：离子导电。电子导电与离子导电区别,第一节 纤维的导电性,二、影响纤维导电性的因素1. 从电导率公式电离离子数N看N为被离解的载流子对数，n0为可以被电离的离子数，电离度a=n/n0, = Nq,根据质量作用原理，,A为平衡常数，是总体积对离子占有体积的比；k为玻尔兹曼常数；T为绝对温度。纤维导电的必要条件值电离度，取决于分子的电离能、温度。,根据纤维结构的熵S变化，因为在电场E中，中性粒子将发生离解和运动，纤维分子的构象熵w变化，,由热力学原理，考虑正、负离子对称性，纤维的自由能F变化方程为：,令：,第一节 纤维的导电性,（1）n0为材料固有的极性或可被电离的离子数，与纤维中的

4、含水、含杂量有关；（2）T为环境温度，上升，被电离的离子数增加，电导率上升，电阻下降；（3） 为介电常数，越大，离子数越多，导电越好；（4） E0为真空状态的电离能，即粒子的最小逸出能，与材料组成元素有关，越小，N值越大。,又因为E = E0/，E0为真空中的电离能， 为纤维介电常数，则被电离的载流子数目N为：,可得：,第一节 纤维的导电性,二、影响纤维导电性的因素2. 从电导率公式离子迁移速率看 离子迁移与热运动有关，已离解离子受周围原子作用，一般在固定位置上振动（振动频率为v）。当热运动超过周围的束缚，才能迁移至相邻的位置，其迁移的能量成为离子活化能（u)。 根据玻尔兹曼统计概率，当温度为

5、T时，离子热运动能超过u的概率为e-u/kT。 所以，单位体积内的离子在单位时间内发生的迁移次数P为, = Nq,在无电场时，这种迁移在x、y、z的正、反方向上均等为：,在外加电场E时，叠加作用使得原来原子间的作用位能曲线倾斜，离子顺着电场方向迁移所需克服的位垒减少了u，即,a为每次迁移的距离,第一节 纤维的导电性,离子在某方向上的正、反向逆移次数的差异为：,在一般不太强的电场作用下， ukT，则,每个离子单位时间内在电场方向迁移的平均有效次数为Px/n，每次迁移的距离为a，所以单位时间内迁移的距离，即为离子的迁移速度v，,或迁移率，v= E，,从上式看出，纤维材料的导电性受离子的自振频率v、

6、所带电荷量q、一次迁移（单位位垒间）距离的平法a2、离子发生迁移的活化能u以及温度的影响。,第一节 纤维的导电性,3. 从通常因素看,纤维的结构因素（1）纤维的相对分子量或聚合度，纤维大都为线型大分子，故相对分子质量大聚合度大分子链长电子通道的连续性强电子导电性好； 而正由于相对分子质量大端基数、游离基的分子少离子导电少。纤维以离子导电为主，故相对分子质量增大，导电性下降；（2）纤维聚集态结构，随结晶度和取向度增加纤维自由体积减少，各向异性增大离子导电性下降，导电各向异性增大。尽管紧密结构和直通通道对电子导电有利，但纤维导电主要机制为离子导电。,杂质与空隙： 杂质增加有利于可电离的离子数增加，

7、提高纤维导电性；空隙增加，一是离子的迁移提供较多空间或通道，运动速度提高；二是有利于水分子进入和极性分子在空隙表面留存，有利于导电粒子的增加，提高导电性。,第一节 纤维的导电性,3. 从通常因素看,温度： Hearle讨论了纤维素纤维和羊毛与蚕丝，得出电阻R与温度T的关系：,积分可得,a、b、c为常数，M为含水率， R0为含水率为0时的电阻。,第一节 纤维的导电性,3. 从通常因素看,温度：典型棉纤维质量比电阻Rm与环境温度的实测曲线如下图4-3；Sharman得出电导率的对数值lg与温度的反比值1/T存在近似线性关系，且不同回潮率W的lg- -1/T曲线是近似平行的（如图4-4）。,第一节

8、纤维的导电性,相对含水的作用：Hearl得到质量比电阻Rm、含水率M的关系，其中n、K为常数。,与相对数湿度的关系：质量比电阻Rm、相对湿度RH的关系，其中a、b为常数。,三、纤维导电性的测量与表征根据比电阻定义和表征方法，比电阻分为表面比电阻、体积比电阻和质量比电阻。(1) 表面比电阻s 电流在通过纤维表面时，所呈现出的电子，为单位长度上施加的电压（电场强度E）与单位宽度流过的电流（电流线密度）的比值，其测量对象一般为薄膜或纤维层，如图4-7，即s是单位长度上的电压（U/L）与单位宽度上流过的电流（I/H）之比，单位欧姆。,第一节 纤维的导电性,纤维的表面比电阻 与平行纤维轴方向传导的表面比

9、电阻 和垂直纤维轴方向传导的表面比电阻 （纤维间的点接触和面接触的导电）影响，,本质上完全测量表面比电阻，理论和实用上的表征较为困难，在于无法避免电荷向内层迁移。但对导电主要机制为表面的可采用。 对纤维网，表面比电阻与纤维的排列方式有关，如下表。,第一节 纤维的导电性,(2) 体积比电阻v 体积比电阻是指单位长度上所施加的电压U（电场强度E），相对于单位截面上所流过的电流（电流密度）I之比，其值是电阻率，单位cm。是电流通过纤维体积内时所呈现出的电阻值。式中，S为纤维体的截面积，cm2；l为两电板间的距离，cm；R为纤维的电阻。,第一节 纤维的导电性,体积比电阻即电阻率的表达概念。对单纤维理论

10、可以，但测量极为困难。常采用纤维集合体填入截面积为S和长度为l的箱体时，存在填充密度（或空隙率）的影响，引入孔隙率，则纤维体积Vf与箱体体积V关系：,W为纤维质量，为纤维密度，所以纤维体积比电阻：,纤维密度较难测量，如何回避？,(3) 质量比电阻m 考虑纤维材料比电阻测量的方便，引入质量比电阻m概念，即单位长度上的电压（U/L）与单位线密度纤维上流过的电流(I/(W/L)之比，单位是欧姆克厘米2(g/cm2)。式中，为纤维的密度，gcm3，W是纤维的质量g。纤维材料的质量比电阻可以通过称取纤维重量W和代入电极间距离L值，直接求得，还可除以纤维的密度，求得体积比电阻。从表中可以看出，棉纤维的质量

11、比电阻较小，羊毛较高，合成纤维更高。在纺织加工过程中，质量比电阻高的纤维容易产生静电现象。一般纺织纤维质量比电阻的对数值在7以下为好，否则该采取防静电措施；9以上必须采取防静电措施。在纺纱过程中，羊毛纤维从和毛开始就要加油，合成纤维在制造时就要加纺丝油剂，主要为了降低纤维的质量比电阻，防止静电。,第一节 纤维的导电性,纤维导电性：指电场作用下自由电子或离子的定向移动； 纤维介电性能：在电场作用下舒服电荷运动的宏观表现。特征是外加电场作用下电介质的偶极化。节电性能可用节点常数表示；在外交电场作用下的动态节电性能可用复节点常数表示。本节主要介绍介电常数、介电损耗，影响介电常数的因素和介电击穿性能。

12、一、介电常数表征材料的介电性。可用以下两种方法定义：（1）两块相距d，截面积A的电极板间材料的电容值C；（2）用相距为r的两个电荷Q1、Q2间的相互吸引力F表示。,第二节 纤维的介电性能,真空条件下，上式为：,相对介电系数表示材料的介电性能：,通常，材料介电常数越大，材料电容越大，贮电能力越高，其能力用极化度P表示：,第二节 纤维的介电性能,V为极板间的电压降（Ed）E为电场强度；Q0、Q分别为真空和有介质时的电荷量，Q为极化产生的电荷量。,由上式可知，介电常数是与纤维分子极化度P值有关的物理常数，而分子极化度从分子结构角度上说，是指分子在电场作用下的偶极矩的变化。,1. 介电常数定义 一般指

13、相对介电常数，是介质中的介电系数与真空的介电系数比值。反映材料在电场中被极化的程度。,2. 极化与介电性 介电材料在电场中被极化，极化基团或分子或原子沿外加电场作用方向排列，形成电极相反的反向电场，造成外加电场作用降低，电容板电压降低，电容增加。,引入极化率a，外加电场作用下单一分子的偶极矩为：,第二节 纤维的介电性能,V为极板间的电压降（Ed）E为电场强度；Q0、Q分别为真空和有介质时的电荷量，Q为极化产生的电荷量。,a为分子的极化率，ae为电子极化率，aa为原子极化率，ap为偶极取向极化率（ ），ai为界面极化率，或称迁移极化率。E1作用在分子上的综合电场强度， Ec为自由电荷的极化电场，

14、Ed为其他偶极矩产生的附加电场，Ep为被极化电荷产生的电场，Es为球面电荷产生的电场，Em为球内分子诱导偶极产生的电场。 则极化度：,极化度P：单位体积内分子偶极矩的矢量总和，若材料单位体积的分子数为N，极性分子在外加电场作用下的平均偶极距为 ，则,（矢量和为 ）,第二节 纤维的介电性能,E为作用于电介质的外加电场；E1为电介质分子上受到的局部电场。当电介质为气体是，EE1；当为液体或固体，分子考得很近，分子极化后形成的诱导偶极相互影响，则E不等于E1. 由Lorentz模型可得：,其中，为纤维的密度，M为相对分子质量； 为阿伏加德罗常数； a/30为摩尔极化溶度,第二节 纤维的介电性能,3.

15、 介电常数的频率特性 在交变电场中，介电常数与极化率a的关系为：,a为频率趋向无穷大时的极化率；aS为静态电场时的极化率；为松弛时间，w0为自振角频率。S为静电场时的介电常数； 为光频时的介电常数，为n2，n为纤维的折射率。可得,第二节 纤维的介电性能,a为分子的极化率，ae为电子极化率，aa为原子极化率，ap为偶极取向极化率 ，ai为界面极化率，或称迁移极化率。,4. 极化形式,（1）电子极化： 电子云偏移的极化，使得原来对称偏移的电子云，为偏态分布。极化时间为10-15，与时间无关。,（2）原子极化： 分子中原子骨架发生相对位移或变形引起的极化。使得原来无极性堆成或弱极性对称的原子骨架，变

16、为极性非对称或强极性状态。极化时间为10-13，与时间无关。,第二节 纤维的介电性能,（3）偶极极化： 又称取向极化、德拜（Deybe）极化。作用时间取决于极性分子或官能团的大小和周围的约束条件，极化时间为10-910-2或更长。是极性分子或基团在电场作用下的转动，并沿电场方向排列。作用机制，一是纤维中极性低分子的转动取向极化；一是纤维大分子上的极性基团（主要是侧基）的转动取向排列。,（4）界面极化： 纤维中的游离离子（或可游离的离子）在电场作用下的移动，向着材料的界面迁移和集聚，使得材料在界面处产生与电场作用相反的极化电荷层。这种极化发生在物质的表面，物质内部的结构相界面、空隙表面和复合界面

17、等。由于纤维中存在杂质、低分子物质，可移动的游离粒子则有电子和离子。极化时间一般为1103或更长。,三、介电损耗与介电松弛现象1介电损耗 在交变电场作用下，纤维的极性基团及纤维内部的水分子会发生极化，部分沿着电场方向定向排列，并随电场方向变换作扭转交变取向运动，分子间发生碰撞、摩擦、生热，消耗能量。这种电介质在电场作用下引起发热的能量消耗和电荷的逃逸产生的电能的损耗，称为介电损耗。在交变电压场条件下，介质材料导致介质漏电I1和介质损耗I2，有,第二节 纤维的介电性能,3介电松弛现象与介电损耗谱 介电松弛：材料在交变电场作用下的介电响应及损耗的过程，取决于电场频率。采用介电损耗参数与频率的介电损

18、耗谱表征。 介电损耗谱反映纤维分子中各种极化作用和极化程度的综合值与作用时间（或频率）的相互关系，如纤维分子中的链段、基团、侧基等。,第二节 纤维的介电性能,（1）聚乙烯材料的介电损耗谱 低密度聚乙烯（LDPE)、高密度聚乙烯（HDPE)和线型聚乙烯（LPE)，其密度逐渐增大，侧基逐渐减少，结晶度和熔融温度逐渐增加。,第二节 纤维的介电性能,（2）聚四氟乙烯的介电损耗谱和力学损耗谱不同结晶度的聚四氟乙烯在介电谱（1000Hz）和力学松弛谱（1Hz）具有相应关系。,第二节 纤维的介电性能,三、影响介电常数的因素 1、纤维分子的组成纤通常维分子极性越大，偶极矩越大，极化度越高，介电损耗越大。,第二

19、节 纤维的介电性能,2、纤维的超分子结构纤维超分子结构主要指：如取向结构、结晶结构等集聚态结构； 取向越高，介电各向异性越大；顺分子取向方向的介电常数高于垂直方向的，即排列密度越高，其集合体在此方向的介电常数越大。 结晶度增加，电子极化和原子极化增加，但偶极矩和界面极化困难，后者为主，故介电常数变小。,第二节 纤维的介电性能,3、水分和杂质的影响均为低分子物质，大都为极性分子。,4. 温度的影响 在常规温度（-20-100），温度升高，纤维膨胀，自由体积增大，有利于极性基团和低分子物质的极化，有利于纤维中带电粒子的运动，即有利于取向、界面极化。 温度升高导致极性基团、低分子物质和带电粒子的热运

20、动，又弱化极化。但前者为主，故温度高，介电常数增大。,第二节 纤维的介电性能,5. 施加电压的影响电压增加，填充纤维的极化程度非线性增加，介电常数增加。,第二节 纤维的介电性能,6. 电场频率的影响 一般电场频率增加，纤维介电常数变小，极化趋向于与时间无关的电子、原子极化，而与纤维中的水分和杂质无关。,第二节 纤维的介电性能,6. 电场频率的影响,第二节 纤维的介电性能,6. 电场频率的影响,四、介电击穿性1. 介电强度是一定环境条件下，材料因计划破坏，或力学，或绝缘性质失效的最小电场强度，或用材料不被破坏或失效的最大电场强度表示。,第二节 纤维的介电性能,2.介电击穿原理 本质上是介电状态向

21、导电状态的跃迁过程，其机理有：本征击穿、热击穿和放电击穿。（1）本征击穿 在高压电场作用下，少数载流子高速运动，撞击其他粒子，产生新的载流子，引发雪崩式的载流子及其运动，材料电流急剧上升，温度过热，最终材料被击穿。 解释的说法有：集聚电子击穿；电子崩击穿；场致发射击穿。,（2）热击穿在不太高的电压作用下，由于材料本身电荷运动或介电损耗产生的热量与散热、导热不相等。发热量Q1； 散热量Q2,第二节 纤维的介电性能,（3）放电击穿：高电压（但低于击穿电压）和温度不高条件下，聚合物表面、内部空穴的其他被电离，带电粒子空寂高聚物材料，缺陷扩大，分子解体。,一、静电现象 是由静电荷产生的，指在一定容积或

22、一定表面上所产生的正、负电荷，在没有泄露的情况下，保持不动，带有一定电性的状态。二、静电产生的原因先决条件是电荷集聚，即起电。如接触起电、摩擦起电、变形起电（压电效应）、光电和热电效应等。,第三节 纤维的静电性质,1 接触起电两种物质只要接触，分离后，就会产生静电。,（1）双电层理论因物质表面性质不同，物质接触因诱导取向和界面极化，在表层产生双电层排列，形成表面层与内层不同的电荷和排列，分离时，某物质带走电子，而形成电荷层和极化层。,第三节 纤维的静电性质,（2）功函数理论 电子克服原子核的约束作用，从材料表面逸出所需的最小能量，为逸出功，或功函数。物质功函数不同，相互接触就发生电荷的转移。,

23、电子向功函数大的物质转移。接触时转移电荷与功函数的关系：,对于金属物质，自由电子转移是无疑的。对于高聚物来说，表面极化过程中转移电荷在表面形成分布和取向，单位接触面积上的电荷和功函数为：,第三节 纤维的静电性质,第三节 纤维的静电性质,第三节 纤维的静电性质,2. 摩擦起电 通过挤、压、拉、磨、剥离、粘附等物理机械作用，形成表面的静电荷。其机理：（1）接触电位差理论，即后来的功函数理论；（2）电解和吸附离子理论：电荷的离解或吸附，在于离子浓度梯度、费米能级差和电化学电位差，终止于反电势和离子量的增加。基础是电荷转移基于游离态离子的转移和吸附。（3）物质转移的非对称性：部分剥离、粘合以及温度差引

24、起的扩散，由于非对称性引起电荷的转移和质量的转移，终止于分离和变形停止。,第三节 纤维的静电性质,3. 压电起电一定压力作用下，纤维的变形，尤其是晶格的变形会产生带电现象，是因为电荷量或感应电势的变化。4. 热电效应热使得纤维表面的分子产生强力的布朗运动和降低纤维表面的功函数、费米能级以及价带和禁带作用。这都有利于电荷的逸出，热解离子，纤维表面的晶格发生变化，产生附加电势而带电。,第三节 纤维的静电性质,三、电荷散逸的途径与静电消除1. 电荷的散逸途径（1）空气传导游离载流子向外层空间的转移（或逸出）；空气中游离的带电粒子对纤维材料表面碰撞弹出和带走电荷；空气中带电粒子直接进入材料与纤维带电粒

25、子结合。（2）纤维材料表面的传导带电粒子在表面的扩散，表面隧道效应，表面其他区域中反电性电荷的中和。（3）向纤维材料内部的扩散填补内层电荷空穴与中和，向内层非带电或低浓度区域的扩散。（4）量子隧道效应当分离机理小于2.5nm时，电荷穿过该空隙扩散与中和；虽然金属分离时由于量子隧道效应的电子穿越可以返回；但是对于高聚物与金属或聚合物间的量子隧道作用，仅有十分之一返回。,2. 静电消除的方法(1) 适当提高空气的相对湿度适当提高空气的相对湿可以增加纤维的回潮率，降低纤维的比电阻，增加纤维材料的导电性。增加导电性能够将产生的静电荷及时导走而不产生过多的静电积聚，达到消除静电的作用。对于羊毛和醋酯纤维

26、来说，要使其带电量迅速下降，车间空气的相对湿度一般要提高到65%以上才有效。这个方法在吸湿性差的纤维上应用效果不大，相反还可能恶化劳动条件、锈蚀机器，甚至成纱性能。(2) 使用抗静电剂抗静电油剂主要含有表面活性剂，借助于吸附在纤维上的表面活性剂伸向空气的亲水基团，吸收一部分空气中的水份降低纤维表面比电阻，同时利用抗静电剂中的一些润滑剂降低纤维表面的摩擦系数，从而减少静电荷的产生。采用抗静电油剂的方法是一种暂时抗静电处理方法，不能达到永久处理效果。(3) 采用不同纤维混纺采用不同纤维混纺的主要方法，一是在较易产生静电现象的合成纤维中混入吸湿性较强的天然纤维或粘胶纤维，增加混纺材料的回潮率达到消除

27、静电的作用，一是按起电序列使与摩擦机件摩擦后带正电荷的纤维与摩擦后带负电荷的纤维进行混纺，两种电荷相消而达到消除静电的作用，此概念在穿着中也可应用。,第三节 纤维的静电性质,(4) 增加纤维导电性或采用导电纤维 一种方法是使纤维改性，在制造合成纤维时加入亲水性共聚基团或链节，使合成后的纤维具有一定的回潮率，或者将碳粉、金属粉微粒嵌入涤纶、锦纶纤维表面，也有用复合纺丝法制成含有亲水基团外层的皮芯结构复合纤维，使纤维的导电性得到改善。另一种方法是在纤维材料中添加少量的有机或金属导电纤维，增加纤维材料导电性，从而消除静电现象。例如：在织物中混入重量混纺比为0.2%0.5%、直径为812 m的金属纤维

28、，抗静电效果很好，为永久性。导电纤维或抗静电纤维材料不仅可以有效地防止纺织品的静电产生，而且可以作为电磁屏蔽的纤维制品，如金属纤维、含碳或碳纤维、导电高聚物纤维等，这是利用纤维在受到外界电磁场作用时，纤维内产生感应电流，直接泄漏屏蔽电场，或生成反向的磁场达到电磁屏蔽的效果。(5) 加工机械的接地与尖端放电 在加工中可以尽量地使高速摩擦的器件与地相连，以便快速地泄漏纤维及其制品的电荷。或在纤维及制品通过的部位设置尖端放电针或丝，使纤维材料表面的电荷通过放电迅速散逸。,第三节 纤维的静电性质,四、纤维及其制品的静电性质表征1.静电性的测量如静电荷验电器、静电计、电子静电计、断续式交流电压等。2.

29、静电性的特征参数（1）静电压： 在一定外加电场作用下，经一段时间感应所能达到的最大感应静电压值。（2）半衰期： 纤维材料在缺去外加电场后，静电荷衰减到原值一半，所花的时间。（3）表面电导率,第三节 纤维的静电性质,一、导电高分子及其理论的产生与进展 掺杂AsF5的聚乙炔，以及其他导电高聚物的出现：聚吡咯、聚苯硫醚、聚苯胺、聚苯撑乙烯撑、聚对苯撑等。 意义：新型功能材料，如太阳能电池、半电体器件、充电电池等；促进了凝聚态物理等基础学科的发展。 高聚物载流子特性与金属、半导体、不同高聚物不同。,第四节 导电高聚物的导电性质,二、本征型导电高分子的导电载流子与机制1. 孤波与孤子2. 极化子3. 掺杂,第四节 导电高聚物的导电性质,三、导电高分子的导电模型1. 一维可变程跃迁模型2. 受限涨落诱导隧道模型3. 金属岛模型,第四节 导电高聚物的导电性质,思考问题,