鍺纖維面料的開發及環境因素對其抗靜電性的影響探究

萬殊姝 沈蘭萍 郭晶

摘要： 鍺纖維面料是含鍺面料中最常見的一類，但其機織面料的開發和性能研究較少。文章開發四種含量比的秋冬襯衫用鍺纖維面料，測試其基礎服用性能和抗靜電性能，并基于面料的抗靜電性能，通過改變環境的溫度和濕度，探究面料抗靜電性能的改變，以對其他抗靜電產品的開發起到一定借鑒作用。結果表明，四種含量比的鍺纖維面料的透氣性、懸垂性符合開發目的，同時抗靜電性均可達到GB/T 12703.4—2010中的C級以上技術要求。在50%～80%RH與15～25 ℃條件下，織物的抗靜電性能隨著濕度和溫度的升高而提升，環境溫濕度對于鍺纖維面料的抗靜電性能有明顯影響。

關鍵詞：

鍺纖維;含鍺面料;抗靜電織物;表面電阻率;溫濕度

中圖分類號： TS101.921

文獻標志碼： A

文章編號： 1001-7003（2021）10-0007-05

引用頁碼： 101102

DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2021.10.002（篇序）

Development of germanium fiber fabric and the impact of environmental factorson its antistatic properties

WAN Shushu1， SHEN Lanping1， GUO Jing2

（1.School of Textile Science and Engineering， Xian Polytechnic University， Xian 710048， China; 2.Protective and SafetyTextile R&D Engineer， Shaanxi Yuanfeng Textile Technology Research Co.， Ltd.， Xian 710038， China）

Abstract：

Germanium fiber fabrics are the most common type of germanium-containing fabrics， but the development and properties of its woven fabrics have been seldom studied. In this paper， the germanium fiber fabrics for autumn and winter shirts with four content ratios were developed， their basic properties and antistatic properties were tested. And based on the antistatic properties of the fabrics， the changes in the antistatic properties of the fabrics were explored by changing the temperature and humidity of the environment， in hope of providing a certain reference for the development of other antistatic products. The results show that the air permeability and drape properties of the germanium fiber fabrics with the four content ratios conform to the development goals， and the antistatic properties can meet the technical requirements of GB/T 12703.4-2010 above level C. Under the conditions of 50%-80%RH and 15-25 ℃， the antistatic properties of the fabric are improved with the increase of humidity and temperature. The ambient temperature and humidity have a significant impact on the antistatic properties of germanium fiber fabrics.

Key words：

germanium fiber; germanium-containing fabric; antistatic fabric; surface resistivity; temperature and humidity

收稿日期： 2021-01-22;

修回日期： 2021-09-15

基金項目：

作者簡介： 萬殊姝（1996），女，碩士研究生，研究方向為紡織材料改性及功能性紡織材料。通信作者：沈蘭萍，教授，shenlanping@126.com。

使面料含鍺主要有兩種方法，一是通過在紡絲液中添加無機鍺粉，使得纖維被賦予鍺元素的一些特性;二是通過對某些面料進行含鍺后整理，以獲得所需功能。含鍺面料具有符合國家標準的負離子、遠紅外及抗菌性能[1]，而且由于鍺的半導體特性，它還能夠賦予面料一定的抗靜電性，因此含鍺面料是貼身、保健服裝面料的較好選擇。直接使用鍺纖維是常見的使面料含鍺的方法，鍺纖維按照紡絲液的不同又分為滌綸基、黏膠基、錦綸基、丙綸基和牛奶蛋白基等，其中滌綸基最為常見。

化纖織物常見的抗靜電改性方法很多，按階段分有聚合階段改性、紡絲階段改性和后整理三類[2]。劉圓圓等[3]將氧化石墨烯作為改性單體，與聚對苯二甲酸乙二醇酯進行共聚，改性后的纖維體積比電阻較普通滌綸纖維明顯降低。王明序等[4]分別選用淺色導電鈦白和水性聚氨酯作為功能填料和涂層劑，制備了一種聚酯纖維基抗靜電涂層織物，織物表面電阻率在106 Ω以內，且耐水洗、日曬性好。Abdel-Fattah M等[5]研究了不同濃度的Hydroperm親水表面整理劑對滌綸長絲織物的電荷和衰減性能的影響，并證實經過Hydroperm處理后的樣品電荷最初呈指數衰減，然后再呈較慢的衰減，整理后的織物抗靜電性明顯提升。

另外，人體在使用抗靜電面料的過程中，使用狀態和使用條件不可能沒有變化，在正常使用下，抗靜電面料的功能發揮如何，主要受環境的影響。謝勇[6]發現溫度會影響鍍銀纖維嵌織織物的導電性能，溫度越高織物的電阻越小。吳遜等[7]使用單甘酯等4種非離子型抗靜電劑與聚丙烯熔融混合，制備獲得抗靜電薄膜，并發現薄膜的抗靜電效果明顯受到環境濕度的影響。

本文紡制四種含量比的鍺纖維/棉混紡紗，并按照開發秋冬貼身襯衫面料的目的設計面料。在探究鍺纖維面料的常規服用性能以外，進一步研究其抗靜電性能，并通過分別改變環境溫濕度，來了解鍺纖維面料抗靜電性能受環境影響的情況，為鍺纖維面料和其他抗靜電面料的使用及開發提供一定借鑒作用。

1 鍺纖維機織面料的開發

1.1 纖維原料的選取

本文選取的滌綸基鍺纖維（上海奧領紡織新材料有限公司）為如圖1所示的散纖維形態，另一種原料棉（市售）為普梳棉條形態。鍺纖維紡絲液中含有的鍺粉添加劑電鏡照如圖2所示，鍺纖維原料規格如表1所示。

由圖2可以看出，由于添加的鍺粉尺寸為納米級，因此部分纖維易產生團聚現象。添加劑與紡絲液共混后紡絲，鍺粉分布在纖維內部和表面。其中，纖維表面大部分鍺粉分布情況如圖3（a）所示，小部分出現圖3（b）的團聚現象。

1.2 鍺纖維紗線的設計

本文開發的鍺纖維紗線主要用于生產具有抗靜電、負離子和遠紅外等功能的襯衫面料，因此其紗線的規格和成分均需在保證紗線具備功能性的同時，也能保證一定的舒適性。利用棉纖維與鍺纖維混紡，可以賦予紗線親膚舒適性，尤其在一定程度上可以改善織物的濕熱舒適性。本文開發的四種鍺纖維紗線含量比及規格如表2所示，獲得的紗線如圖4所示。

由圖4可以看出，隨著紗線中鍺纖維含量的增加，紗線毛羽明顯降低。紗線中纖維越短，會更容易外露產生毛羽，鍺纖維長度為38 mm（大于棉纖維長度），加之棉纖維自身的天然轉曲特性，相比鍺纖維更難加捻抱合，因此紗線中棉含量越大，紗線毛羽越多。紗線的毛羽會在一定程度上影響鍺纖維面料的厚度、透氣等性能。

1.3 鍺纖維機織面料的設計

本文選取襯衫面料常用組織平紋作為織物組織。分別使用四種含量比的雙合股紗線作為經緯紗，得到100/0、75/25、50/50、25/75四種含量比的鍺纖維/棉混紡織物。四種織物的經、緯緊度分別為60%、55%，經、緯密度分別為277 根/10 cm和254 根/10 cm。

2 性能測試

2.1 懸垂性

按照GB/T 23329—2009《紡織品織物懸垂性的測定》的方法B：圖像處理法，使用YG811L型織物動態懸垂性風格儀（青島山紡儀器有限公司）進行測試。試樣加持盤直徑為12 cm，試樣直徑為24 cm，每塊織物取3塊試樣，正、反兩面均進行測試，取平均值。

2.2 透氣性

按照GB/T 5453—1997《紡織品織物透氣性的測定》的測試方法，使用YG461數字式織物透氣量儀（寧波紡織儀器廠）進行測試。實驗用的噴嘴口徑為4.0 mm、實驗面積為20.0 cm2、壓差為100 Pa，每個試樣的不同部位各測試10次，取平均值。

2.3 抗靜電性

測試抗靜電的方法有很多種，其表征指標也有很多項，一般實驗室最常用的是比電阻和半衰期[8]。本文按照GB/T 12703.4—2010《紡織品靜電性能的評定第4部分：電阻率》的測試方法，使用YG（B）406型織物電阻率測試儀（溫州市大榮紡織儀器有限公司）進行測試。純棉及鍺纖維織物實驗電壓為100 V，滌綸實驗電壓為250 V。每個試樣測試3次，取平均值。

當探究溫度和濕度對面料抗靜電性能影響時，分別將四種鍺纖維面料放置在實驗設計的相應溫、濕度（20 ℃、25 ℃、30 ℃及50%RH、60%RH、70%RH、80%RH）下進行12 h以上的調濕后，再進行表面電阻率的測試。

3 鍺纖維機織面料的基礎服用性能

3.1 懸垂性

鍺纖維面料的懸垂系數測試結果如表3所示。由表3可以看出，鍺纖維/棉的含量比對于面料懸垂性影響較小。鍺纖維含量越多，織物的靜態懸垂系數會變大，即懸垂性下降。面料懸垂性主要受到纖維原料、織物組織結構、面密度等因素的影響[9]。四種混紡比織物只有原料是不同的，一般纖維的密度與其初始模量的比值越大，則該纖維織物懸垂性越好（鍺纖維初始模量約為7 N/dtex，棉纖維初始模量約為6 N/dtex），因此鍺纖維含量越多，織物的懸垂性越差。四種鍺纖維面料的懸垂性中等，屬于常見滌綸型襯衫面料懸垂系數的范圍[10-13]，能夠滿足本文的開發目的。

3.2 透氣性

鍺纖維面料的透氣性結果如圖5所示。由圖5可以看出，四種鍺纖維面料的透氣性較好?；趩我蛩胤讲罘治龇▽祿M行顯著性檢驗后，發現隨鍺纖維含量的提升，面料透氣性更好。分析認為，紗線毛羽會隨機分布在織物表面及紗線交織孔隙處，影響空氣透過織物。四種織物是由四種混紡比的紗線制成，而紗線毛羽指數是隨鍺纖維的增加而減小的，因此織物中鍺纖維越多，影響透氣率的毛羽越少，織物的透氣性就越好。另外，鍺纖維分布著鍺粉微粒，這使得鍺纖維表面凹凸不平，也在一定程度上使纖維間隙增大，進而提升了透氣性。

4 鍺纖維面料抗靜電性能與溫濕度環境對其的影響

4.1 鍺纖維面料抗靜電性能評級

面料表面電阻率越大，說明其抗靜電性能越差。表4為鍺纖維面料在國標規定溫、濕度下的表面電阻率。由表4可以看出，鍺纖維/棉混紡織能達到GB/T 12703.4—2010中C級技術要求，其中含量比為25/75的面料可以到達B級要求。純鍺纖維面料的抗靜電性能均明顯差于其他含量比，當織物中引入一定含量（25%～75%）的棉纖維時，織物的抗靜電性能即有幅度較大的提升。鍺纖維中發揮其功能性依靠的就是鍺元素，鍺原子序數為32，與硅同族，具有4s24p2的外層電子排布，其導電性能介于金屬與非金屬之間。將其引入聚酯纖維中，能有效改善聚酯纖維導電性能差的現象，但鍺纖維主體主要還是聚酯成分，無機鍺粉的含量僅為80 ppm左右。因此，鍺纖維的導電性能可以顯著優于普通滌綸纖維，但差于棉纖維，棉纖維具有較好吸濕性，相應抗靜電性能也較好。

4.2 溫度對抗靜電性能的影響

圖6是鍺纖維面料在不同溫度下的電阻率值。由圖6可以看出，在相同濕度下，四種鍺纖維面料的抗靜電性能均隨著溫度的升高而增強。同時在鍺含量更高的面料中，隨溫度升高，電阻率下降更明顯。分析認為，鍺纖維面料中發揮抗靜電功能是鍺，鍺作為一種常見的半導體，材料的電阻率易受到溫度、光照等外界因素的影響。鍺原子最外層有4個電子，并且這4個電子分別與相鄰的4個鍺原子的電子形成共價電子

對，共價鍵中的電子相互束縛，相對穩定，但當溫度升高時，由于其熱運動，部分電子掙脫束縛形成自由電子，留下帶正電的空穴，載流子數量增多，導電性會明顯改善，宏觀上使得鍺纖維面料的表面電阻率下降，相應抗靜電性能提升。

4.3 濕度對抗靜電性能的影響

圖7是鍺纖維面料在不同濕度下的電阻率。由圖7可以看出，在相同溫度、不同濕度的情況下，鍺纖維面料的抗靜電性能均隨著濕度的升高而提升。造成該現象的原因主要是織物表面存在一層微觀的親水薄膜，而環境相對濕度能夠影響該層薄膜的形成、厚度、面積等，進而影響織物表面電荷的傳導[14]?？轨o電性能受到環境相對濕度影響如此明顯的原因主要有兩個：一個是除純鍺纖維面料外，其他三種面料內均含棉纖維，而棉纖維有較多親水基團，在調濕12 h內有足夠時間與環境中的水分子結合，水分子在織物表面形成一層連通完整的導電液膜，能夠及時逸散靜電電荷，降低織物電阻率。而當織物處于濕度較小的環境中時，能夠與織物結合的水分子數量大幅減少，使織物形成導電液膜，且大多也都相互孤立、無法連貫。第二個原因是織物內的孔隙，包括經緯紗交織的孔隙及紗線內纖維間的孔隙都可以存儲水分。在濕度越高的環境中，織物孔隙中存儲的水分也越多。這些原因都使得面料的抗靜電性能受到環境相對濕度的影響。

5 結 論

本文開發了不同含量比的滌綸基鍺纖維/棉混紡紗，并制成四種鍺纖維機織面料，且測試其透氣性、懸垂性和抗靜電性。再分別改變測試環境的溫度和相對濕度，探究四種鍺纖維面料在不同環境下抗靜電性能的變化情況。得出以下結論：

1） 四種含量比的鍺纖維面料均具有較好的透氣性、懸垂性，能夠滿足秋冬襯衫面料的開發要求。

2） 鍺纖維面料的抗靜電性能受到環境溫度的影響，溫度越高其抗靜電性能越好，這主要是由于發揮功能性材料——鍺自身的半導體特性決定。

3） 環境濕度也會影響鍺纖維面料抗靜電性能發揮效果，環境濕度越大面料的抗靜電性能越好?？椢飪让薜挠H水特性及織物空隙決定了鍺纖維面料的儲水能力，濕度越大的環境下，面料的儲水能力有更好的發揮，因此抗靜電性能更好。

4） 本文開發的鍺纖維面料具有較好的服用性能，同時符合國標規定的C級以上的技術要求，具有良好的抗靜電性。同時本文開發的鍺纖維面料主要用于秋冬服用面料，根據實驗，發現在不同的溫濕度環境（常見的秋冬面料貼身時的溫濕度）下也具有較好的抗靜電性能，面料尤其適合較為濕潤地區的秋季使用。

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