湿度对皮革导电性影响的实验研究

张武勤

1.郑州大学电气工程学院，河南郑州 450001

2.郑州师范高等专科学校物理系，河南郑州 450044

湿度对皮革导电性影响的实验研究

张武勤1，2

1.郑州大学电气工程学院，河南郑州 450001

2.郑州师范高等专科学校物理系，河南郑州 450044

本文对皮革中的载流子进行了分析，通过实验来测量山羊皮革在不同湿度下的电导率，然后对实验结果进行理论分析，得出了皮革的电导率随湿度变化而变化的基本情况。

湿度；皮革；电导率

0 引言

皮革是由动物皮经过一系列物理与化学加工处理形成的一种柔软、坚韧、耐磨、耐腐蚀的特殊物质，皮革同时也是一种天然高分子材料，具有高分子材料的低电导率、低介电常数等特性。长期以来人们已经对它的化学、力学、热学特性进行了深入的研究，但是关于皮革的电学特性却研究得很少。陕西科技大学的张方辉老师等已经从皮革材料中含有大量电子和极性基团出发，探讨了皮革材料电子位移极化与偶极子转向极化的规律，得出了光频下介电常数、折射率以及偶极子转向极化率的数学表达式，分析了影响这些物理量的具体因素。考虑到皮革内含有多种元素和带电基团，而且在皮革加工过程中，这些元素和带电基团的种类和数量都在发生变化，所以关于皮革材料电学特性的研究对于揭示皮革材料本身的结构、特性和制革过程的基本规律，以及皮革在电学方面的应用都将有积极的意义。

1 皮革中的载流子分析

皮革生皮主要成分是胶原蛋白，这些胶原蛋白通过形成许许多多长短、粗细不等的胶原纤维相互编织而成，属于多孔性疏松物质。皮革加工即是对皮革的胶原纤维进行碱膨胀、软化、鞣制、染色加脂、表面涂饰等。

根据原皮的结构以及皮革的加工过程可知，皮革材料既没有能够产生自由电子的禁带结构，也没有能够产生自由电子的金属键。但是皮革分子中存在着酸性或碱性基团，在皮革加工过程中 要 引 入NH2+、Na+、Ca2+、Cr3+、H+等 阳 离 子 以 及 Cl-、COO-、SO4

2-、OH-等阴离子，阳离子通常与皮革中的酸性基团结合而阴离子则与皮革中的碱性基团结合。这种结合都很不牢固，在水分子作用下就容易形成自由离子或离子基团，在电场作用下，这些离子或离子基团发生定向移动，从而使皮革材料产生导电性。

由此可见，皮革材料的载流子主要为加工过程中与皮革高分子基团结合产生的带电离子或带电离子基团。对皮革导电性的研究实际就是对皮革材料加工过程形成的带电粒子以及带电粒子基团与皮革胶原纤维结合特性的研究。由于高分子多层次的结构和多种分子运动的特点，使其呈现出远比小分子更多的性能。皮革作为一种人工加工改良的高分子材料，在不同的湿度条件下，皮革内部的离子电离数目、种类以及皮革分子结构均会发生改变，使载流子的数目发生变化，从而影响了皮革的电导率。

2 实验过程

2.1 实验样品及仪器

本实验中研究的内容是测量3种不同鞣制方法处理的山羊皮革在不同湿度下的电导率，实验条件和实验仪器如下所示：

1）3 种不同鞣制方法处理的山羊皮革：铬鞣山羊皮革、植鞣山羊皮革、铬植复合鞣山羊皮革，形状为圆形，厚度如表1所示（专用皮革厚度测量仪测量样品的厚度，用游标卡尺测量铜电极的直径，电极为铜电极略小于皮革样品）：

表1 实验中样品的尺寸

2）恒温恒湿试验机：台湾宝大国际仪器股份有限公司生产的PT-2090A型恒温恒湿试验机，测试前，分别将皮革放在恒温恒湿试验机中静置24小时，使其达到开始时所需要的温度和湿度，准备测试；

3）直流电源：德江无线电仪器厂生产的WYJ-302B2型晶体管直流稳压电源，其量程为3V-30V十档，可满足的0V～30V电压需求；

4）检流计：浙江建德星火仪器厂所生产的AC15/1型直流复射式检流计，其分度值＜1.5×10-9安/分度，内阻＜500Ω；

5）万用表：LINI-T UT58A、UT39C。

2.2 实验电路

测试的电路原理图如图1所示：

检流计与皮革样品串联，直流电压表与两者的串联电路并联，最后与直流电源构成闭合回路。实验时把待测样品放在两块铜电极之间，为了保证电极与待测样品之间实现良好的接触，电极必须有一定的压力，电极上方放置质量为200g的砝码。

对于每个电流值I，电压值U，我们利用：

即可计算出待测样品的电阻率与电导（R：待测样品的电阻；U：待测样品两端施加的电压；I：流过待测样品的电流。ρ：待测样品的电阻率；γ：待测样品的电导率。 L：待测样品的厚度；S：待测样品的面积）。

2.3 实验结果

湿度为26%～80%时的铬鞣山羊皮革、植鞣山羊皮革、铬植复合鞣山羊皮革的电导率与湿度的关系曲线如图2。

3 实验理论分析

根据皮革吸水性的理论，在一定温度下，革中的水分含量随着相对湿度的减小而减小，或者说湿度越大，皮革中的水分子越多。皮革是由许多粗细不等的胶原纤维编织而成的，属于多孔性疏松物质，它的吸水性很大程度上取决于皮革孔率的大小，但与皮革纤维组织的紧密度，皮革中的油脂含量以及填充物质也有关系。如果皮革内油脂含量高，则会降低皮革的吸水性。通常状态下，皮革中含有—定量的水分，以3种形式存在，即胶原的侧链上各种极性基与水以氢键形式结合形成化学结合水；胶原纤维所构成的网状结构的毛细管中凝结着毛细管水；纤维间隙的凝结水。以上3种水分其含量均取决于周围空气的湿度和温度。

图2 铬鞣、植鞣、铬植复合鞣山羊皮革的电导率与湿度的关系曲线

由图1可知，随着湿度的增大，皮革中的水分也逐渐增多。3种皮革中，植鞣山羊皮革的增长较快，其次是铬植鞣山羊皮革，最后是铬鞣山羊皮革。电导率的增加大致可分为3个阶段：湿度在26%～55%之间时，曲线较平缓，电导率的增值较小，这时的水在皮革中存在的形式是胶原的侧链上的各种极性基团与水以氢键形式结合形成的化学结合水；假定一定湿度下皮革中正负离子的浓度为n+=n-=N，这些离子运动中一部分发生碰撞复合成中性分子，复合速度为：Z=βn+n-=βN2，（β为复合系数）当施加电场时，另有一部分电荷漂移到基板上形成电流，此离子数为 ：n′d=+βN2d外界电离因素产生的离子很少，故漂移到极板过程中来不及复合，β几乎等于零对电流大小没有贡献，即上式中的 ΒN2d可以忽略不计 ，故得到 ：n′d=或J=n′qd=Js，电流密度与外电场无关，电流密度J保持不变。湿度在55%～70%范围间，此时水分是以皮质部分的毛细管水而存在，皮质就是皮革中的蛋白质，即胶原纤维，水就存在于胶原纤维中所构成的网状结构的毛细管中，称为毛细管水，电导率开始有了较大的增长；湿度在70%以上时，3种皮革的电导率迅速增加，吸收的水分进入纤维间隙，成为凝结水，即自由水，可以自由流动，是良好的溶剂，此时自由水会溶解皮革中的一些离子或离子基团，使它们参与导电，所以皮革的导电率开始迅速的增加，满足指数规矩即：n=n0eγ，故电导率为J=βq（n0eγ）2-n′qd。

4 结论

皮革的电导率随湿度的变化，因皮革中水的存在形式随湿度的的变化而分三个阶段以不同速率增加，第一个阶段，湿度在26%～55%之间，水分是极性基团的结合水，电导率增长缓慢，曲线较平缓；第二个阶段，湿度在55%～70%之间，水分是胶原纤维的毛细管水，电导率开始有较大的增长，曲线斜率变大；第三个阶段，湿度在70%以上，水分是纤维间隙可以流动的自由水，电导率迅速增加。

[1]孙立蓉，罗晓民，张方辉.皮革材料电子位移极化规律与 折射率的理论研究[J].中国皮革,2005，34(15)：32-34.

[2]孙立蓉，罗晓民，张方辉.皮革材料偶极子转向极化的理 论研究[J].陕西科技大学学报，2005，23(5)：41-44.

O441.6

A

1674-6708（2010）28-0111-02