棉纤维集合体电流弛豫的影响因素

贾高鹏， 曾春梅

(1. 盐城工学院 纺织服装学院， 江苏 盐城 224051； 2. 盐城工业职业技术学院 轻化工程系， 江苏 盐城 224005)

棉纤维集合体电流弛豫的影响因素

贾高鹏1， 曾春梅2

(1. 盐城工学院 纺织服装学院， 江苏 盐城 224051； 2. 盐城工业职业技术学院 轻化工程系， 江苏 盐城 224005)

为测试棉纤维电导性能和回潮率，利用自制散纤维压缩装置以及LabVIEW的电流测试系统，研究了体积密度、电压、相对湿度以及温度对棉散纤维集合体电流驰豫的影响。通过实验发现：随着体积密度的增加，棉纤维集合体电流从峰值到稳定所需时间增加；随着测试电压的升高，纤维电流从峰值到稳定所需时间缩短；随着相对湿度的增加，纤维电流从峰值到稳定的时间缩短；随着温度的升高，纤维电流从峰值到稳定所需时间缩短。为了快速准确地获得纤维电导，测试时间需要根据棉纤维的集合状态，所施加的电压，空气温湿度而定。

棉纤维； 电流驰豫； 影响因素； 电导性

多年来研究人员致力于纤维电导性质的研究并建立了相关的测试标准，开发了相关测试设备。Hearle[1]、 Hersh等[2]对天然纤维和化学纤维的电导性能进行了较为深入的研究。在相关测试设备方面Byler[3]设计出测量原棉回潮率的电阻测试仪，测量时间不超过1 s。Ismail等[4]设计出一种快速检测纤维水分的仪器。目前国内外关于棉花回潮率的电测试设备都强调快速测量[5-6]。GB/T 6102.2—2012《原棉回潮率试验方法 电阻法》、GB/T 1410—2006《固体绝缘材料体积电阻率和表面电阻率试验方法》等建立了绝缘材料和纺织纤维材料电阻测试标准，其中也规定了原棉电阻的测试标准。根据测试标准，测试时间长短因材料本身和外部环境条件而定[7-8]。纤维在恒稳电压的作用下会产生位移电流、电容充电电流、吸收电流以及漏导电流。位移电流是瞬态的，因此纤维在电场中产生的电流是电容充电电流、吸收电流和漏导电流的总和，纤维的电流驰豫现象是三者共同作用的结果。目前鲜有关于纤维电流驰豫影响因素的研究报道。本文利用自制散纤维压缩装置和纤维电流数据采集系统对影响纤维电流驰豫的因素进行系统研究，以期为棉纤维电导、回潮率研究及其相关仪器设计提供参考。

1 实验材料和测试方法

棉纤维：平均长度为29 mm，线密度为2.1 dtex，比强度为2.8 cN/dtex，产地为山东武城。

试样盒放置在与千斤顶相连的活动托架上，上压杆固定。千斤顶的活塞抬升使托架上的试样盒向上运动，上压杆压缩纤维，纤维压缩程度由活塞动程控制，2块矩形极板(6.45 cm×17.0 cm)，放置在纤维盒中，极板间距为6.3 cm。2块极板和标准电阻器、直流稳压电源串联，标准电阻器的电压信号经滤波放大后由数据采集卡输入计算机，计算机对信号进行运算处理后形成纤维的电流信号显示并存储[9]。散纤维集合体电流数据采集示意图如图1所示。

2 结果与讨论

2.1 体积密度对纤维电流的影响

将棉纤维在标准条件(20 ℃、湿度为60%)下吸湿平衡，称取50 g调湿平衡的棉花试样，压缩到不同体积密度，测量在10 V直流电压作用下棉纤维的电流随时间的变化关系，如图2所示。

由图2可知50 g棉纤维在不同体积密度下的电流弛豫情况。当电路开关闭合时棉纤维的所有电子、原子在电场的作用下极化，宏观上产生位移电流，它是一种瞬态电流，在测试中这种电流可忽略；棉纤维与一对极板构成电容器，当电路接通时电源给极板充电形成电容充电电流；在电场的作用下，棉纤维高聚物中偶极基团的极化、微晶体的界面极化以及材料内部的空间电荷效应从宏观上形成吸收电流。而不随时间变化的恒稳电流为棉纤维的漏导电流，棉纤维的电流是这几种电流综合作用的结果。从图2还可看出纤维电流从峰值到趋于稳定需数秒到几十秒不等。随着纤维体积密度的增加，纤维电流从峰值到稳定所需要的时间有所延长。电容器与标准电阻串联形成典型的电容电阻回路，如图3所示。

根据回路电流方程可得电流为

式中：i为标准电阻器的电流，C为电容器电容量，R为标准电容器电阻。

从上式可以看出τ决定电容电阻回路电流的变化情况。对于本文实验标准电阻R为定值，决定电容回路电流衰减的主要因素是电容。Hearle[10]认为棉纤维的介电常数随体积密度的增加而增大，因此随着体积密度的增加，散纤维集合体的电容充电电流随时间的衰减变慢。在压缩过程中随着压缩程度的增加，沿极板间距方向纤维的取向度增加，纤维结构相界面和空隙表面压缩程度的增加对水分子以及其他载流子的转向和迁移起着消极作用，因此压缩程度较大时，吸收电流衰减所需的时间相对要长。在电容充电电流以及吸收电流的共同作用下，随压缩程度的增加纤维电流从峰值到稳定的时间有所延长。

2.2 电压对纤维电流的影响

图4示出50 g棉纤维在体积密度为0.5 g/cm3，相对湿度为60%，不同电压作用下的电流弛豫情况。可以看出电流从峰值衰减至稳定所需时间随电压增大而缩短。对于电容充电电流，电容器的电容与极板间电介质的介电系数成正比，随着电压(电压较低)的升高纤维的介电系数略有增大，随电压的升高标准电阻R的电阻值减小，总体上电压升高对棉纤维电容充电电流的衰减影响不大。同时随着电压的增大，棉纤维分子链中的极性基团和水分子所形成的偶极子以及其他载流子所受沿着电场方向的作用力变大。相对较高的电压有利于羟基(—OH)和水分子沿着电场方向排列，有利于载流子的迁移，使得纤维的吸收电流衰减时间缩短。在2种电流综合作用下，使得棉纤维电流随着测试电压的升高从峰值到稳定所需的时间有所减少。

2.3 相对湿度对纤维电流的影响

图5示出50 g棉纤维集合体在体积密度为0.6 g/cm3、不同相对湿度下的电流弛豫情况。从图可以看出，棉纤维集合体电流随着相对湿度的增加从峰值到稳定所需的时间变短。相对湿度从30%到70%左右时，棉纤维有效介电常数随着相对湿度的增加而增大，且增幅变缓[12]。棉纤维的电阻因含水量不同会下降几个数量级。为满足测试量程，在湿度较大时选用小阻值标准电阻器，因此在测试湿度范围内电容充电电流峰值到稳定的时间随着湿度的增加变化不大。当相对湿度大于60%或者纤维回潮率大于4.2%时，纤维介电常数随湿度增加而突增。标准电阻器的电阻值小于2个数量级，棉纤维电容充电流衰减时间随相对湿度增大略有增加。同时随着相对湿度的增加纤维中吸附的水分子增多，水分子之间逐渐形成三维网络结构，这种结构使纤维中的H+和OH-跳跃迁移，有利于其他载流子在结构相界面和孔隙表面的迁徙。因此随着纤维回潮率的增大，吸收电流的衰减时间缩短。二者共同作用下，随着相对湿度的增加，棉纤维的电流从峰值到稳定所需的时间缩短。

2.4 温度对纤维电流的影响

图6示出在空气相对湿度为52%，40 g棉纤维压缩到0.6 g/cm3,电压为10 V时，不同温度下纤维的电流弛豫。从图可以看出棉纤维电流衰减时间随着温度的增高而缩短。在-20～100 ℃温度范围内，随着温度升高，纤维膨胀有利于棉纤维中大分子的极性基团、水分子和载流子的运动，而纤维分子热运动的增强对纤维的大分子和载流子的运动有干扰作用，在二者共同作用下，棉纤维介电常数随温度的升高略有增大，为满足测试量程，较高温度时选用低阻值的标准电阻器，因此纤维电容充电电流的衰减时间随温度升高略有减少。随着温度的升高，一方面棉纤维分子中带电粒子动能增加，另一方面提高了带电粒子突破壁垒而迁移的概率，纤维的导电性提高。同时温度升高，也利于棉纤维中的带电粒子在纤维的结构相界面、空隙表面迁徙，使得材料吸收电流的衰减时间缩短。因此，随着温度升高棉纤维的电流从峰值到稳定所需的时间减小。

3 结 论

本文利用纤维压缩装置以及电流实时测试系统研究集合体密度、电压、相对湿度以及温度对棉纤维电流非稳态的影响。通过实验发现，体积密度、电压、相对湿度以及温度对棉纤维集合体电流均有影响。棉纤维集合体电流从峰值到稳定所需的时间随着压缩程度的增加有所延长，随着电压的增大而缩短，随着相对湿度的增大而减小，随着温度的升高而缩短。为了在测试过程中获得准确的纤维电导，测试时间需根据纤维所处的压缩状态、测试电压以及环境温湿度来确定。准确测量纤维回潮率的前提是需要获取反映棉花电导的稳态电流,因此必须对被测纤维的体积密度,电压和温度作规定，当纤维回潮率不同时，电流从峰值到稳定时间差异较大，测试时对于较干燥的试样需要测试较长的时间,较潮湿的试样可以选择测试时间短一些。

FZXB

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Factors influencing current relaxation of cotton fiber assembly

JIA Gaopeng1, ZENG Chunmei2

(1.CollegeofTextile&Clothing,YanchengInstituteofTechnology,Yancheng,Jiangsu224051,China； 2.LightChemistryDepartment,YanchengInstituteofIndustryTechnology,Yancheng,Jiangsu224005,China)

In this paper, by means of self-made fiber compression device and current testing system based on LabVIEW, effect of volume density, voltage, relative humidity and temperature on random cotton fiber assembly current relaxation was experimentally investigated. It was found that with volume density increasing, time of random cotton fiber assembly current from peak to stable value reduces to some extent. With the increase of voltage, time of current from peak to stable value decreases. With relative humidity and temperature raising, the time of current from peak to stable value shortens. In order to obtain the accurate fiber conductance, the testing time is considerably selected according to cotton assembly status, testing voltage, relative humidity and temperature.

cotton fiber; current relaxation; influence factor; conductance

10.13475/j.fzxb.20150500104

2015-05-04

2016-03-09

江苏省高校自然科学基金面上项目(13KJD430006)

贾高鹏(1978—)，男，讲师，博士。主要研究方向为纤维电学性质与测试技术。E-mail: jiagaopeng2003@163.com。

TS 101.3

A