锗纤维面料的开发及环境因素对其抗静电性的影响探究

万殊姝 沈兰萍 郭晶

摘要： 锗纤维面料是含锗面料中最常见的一类，但其机织面料的开发和性能研究较少。文章开发四种含量比的秋冬衬衫用锗纤维面料，测试其基础服用性能和抗静电性能，并基于面料的抗静电性能，通过改变环境的温度和湿度，探究面料抗静电性能的改变，以对其他抗静电产品的开发起到一定借鉴作用。结果表明，四种含量比的锗纤维面料的透气性、悬垂性符合开发目的，同时抗静电性均可达到GB/T 12703.4—2010中的C级以上技术要求。在50%～80%RH与15～25 ℃条件下，织物的抗静电性能随着湿度和温度的升高而提升，环境温湿度对于锗纤维面料的抗静电性能有明显影响。

关键词：

锗纤维;含锗面料;抗静电织物;表面电阻率;温湿度

中图分类号： TS101.921

文献标志码： A

文章编号： 1001-7003（2021）10-0007-05

引用页码： 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

基金项目：

作者简介： 万殊姝（1996），女，硕士研究生，研究方向为纺织材料改性及功能性纺织材料。通信作者：沈兰萍，教授，shenlanping@126.com。

使面料含锗主要有两种方法，一是通过在纺丝液中添加无机锗粉，使得纤维被赋予锗元素的一些特性;二是通过对某些面料进行含锗后整理，以获得所需功能。含锗面料具有符合国家标准的负离子、远红外及抗菌性能[1]，而且由于锗的半导体特性，它还能够赋予面料一定的抗静电性，因此含锗面料是贴身、保健服装面料的较好选择。直接使用锗纤維是常见的使面料含锗的方法，锗纤维按照纺丝液的不同又分为涤纶基、黏胶基、锦纶基、丙纶基和牛奶蛋白基等，其中涤纶基最为常见。

化纤织物常见的抗静电改性方法很多，按阶段分有聚合阶段改性、纺丝阶段改性和后整理三类[2]。刘圆圆等[3]将氧化石墨烯作为改性单体，与聚对苯二甲酸乙二醇酯进行共聚，改性后的纤维体积比电阻较普通涤纶纤维明显降低。王明序等[4]分别选用浅色导电钛白和水性聚氨酯作为功能填料和涂层剂，制备了一种聚酯纤维基抗静电涂层织物，织物表面电阻率在106 Ω以内，且耐水洗、日晒性好。Abdel-Fattah M等[5]研究了不同浓度的Hydroperm亲水表面整理剂对涤纶长丝织物的电荷和衰减性能的影响，并证实经过Hydroperm处理后的样品电荷最初呈指数衰减，然后再呈较慢的衰减，整理后的织物抗静电性明显提升。

另外，人体在使用抗静电面料的过程中，使用状态和使用条件不可能没有变化，在正常使用下，抗静电面料的功能发挥如何，主要受环境的影响。谢勇[6]发现温度会影响镀银纤维嵌织织物的导电性能，温度越高织物的电阻越小。吴逊等[7]使用单甘酯等4种非离子型抗静电剂与聚丙烯熔融混合，制备获得抗静电薄膜，并发现薄膜的抗静电效果明显受到环境湿度的影响。

本文纺制四种含量比的锗纤维/棉混纺纱，并按照开发秋冬贴身衬衫面料的目的设计面料。在探究锗纤维面料的常规服用性能以外，进一步研究其抗静电性能，并通过分别改变环境温湿度，来了解锗纤维面料抗静电性能受环境影响的情况，为锗纤维面料和其他抗静电面料的使用及开发提供一定借鉴作用。

1 锗纤维机织面料的开发

1.1 纤维原料的选取

本文选取的涤纶基锗纤维（上海奥领纺织新材料有限公司）为如图1所示的散纤维形态，另一种原料棉（市售）为普梳棉条形态。锗纤维纺丝液中含有的锗粉添加剂电镜照如图2所示，锗纤维原料规格如表1所示。

由图2可以看出，由于添加的锗粉尺寸为纳米级，因此部分纤维易产生团聚现象。添加剂与纺丝液共混后纺丝，锗粉分布在纤维内部和表面。其中，纤维表面大部分锗粉分布情况如图3（a）所示，小部分出现图3（b）的團聚现象。

1.2 锗纤维纱线的设计

本文开发的锗纤维纱线主要用于生产具有抗静电、负离子和远红外等功能的衬衫面料，因此其纱线的规格和成分均需在保证纱线具备功能性的同时，也能保证一定的舒适性。利用棉纤维与锗纤维混纺，可以赋予纱线亲肤舒适性，尤其在一定程度上可以改善织物的湿热舒适性。本文开发的四种锗纤维纱线含量比及规格如表2所示，获得的纱线如图4所示。

由图4可以看出，随着纱线中锗纤维含量的增加，纱线毛羽明显降低。纱线中纤维越短，会更容易外露产生毛羽，锗纤维长度为38 mm（大于棉纤维长度），加之棉纤维自身的天然转曲特性，相比锗纤维更难加捻抱合，因此纱线中棉含量越大，纱线毛羽越多。纱线的毛羽会在一定程度上影响锗纤维面料的厚度、透气等性能。

1.3 锗纤维机织面料的设计

本文选取衬衫面料常用组织平纹作为织物组织。分别使用四种含量比的双合股纱线作为经纬纱，得到100/0、75/25、50/50、25/75四种含量比的锗纤维/棉混纺织物。四种织物的经、纬紧度分别为60%、55%，经、纬密度分别为277 根/10 cm和254 根/10 cm。

2 性能测试

2.1 悬垂性

按照GB/T 23329—2009《纺织品织物悬垂性的测定》的方法B：图像处理法，使用YG811L型织物动态悬垂性风格仪（青岛山纺仪器有限公司）进行测试。试样加持盘直径为12 cm，试样直径为24 cm，每块织物取3块试样，正、反两面均进行测试，取平均值。

2.2 透气性

按照GB/T 5453—1997《纺织品织物透气性的测定》的测试方法，使用YG461数字式织物透气量仪（宁波纺织仪器厂）进行测试。实验用的喷嘴口径为4.0 mm、实验面积为20.0 cm2、压差为100 Pa，每个试样的不同部位各测试10次，取平均值。

2.3 抗静电性

测试抗静电的方法有很多种，其表征指标也有很多项，一般实验室最常用的是比电阻和半衰期[8]。本文按照GB/T 12703.4—2010《纺织品静电性能的评定第4部分：电阻率》的测试方法，使用YG（B）406型织物电阻率测试仪（温州市大荣纺织仪器有限公司）进行测试。纯棉及锗纤维织物实验电压为100 V，涤纶实验电压为250 V。每个试样测试3次，取平均值。

当探究温度和湿度对面料抗静电性能影响时，分别将四种锗纤维面料放置在实验设计的相应温、湿度（20 ℃、25 ℃、30 ℃及50%RH、60%RH、70%RH、80%RH）下进行12 h以上的调湿后，再进行表面电阻率的测试。

3 锗纤维机织面料的基础服用性能

3.1 悬垂性

锗纤维面料的悬垂系数测试结果如表3所示。由表3可以看出，锗纤维/棉的含量比对于面料悬垂性影响较小。锗纤维含量越多，织物的静态悬垂系数会变大，即悬垂性下降。面料悬垂性主要受到纤维原料、织物组织结构、面密度等因素的影响[9]。四种混纺比织物只有原料是不同的，一般纤维的密度与其初始模量的比值越大，则该纤维织物悬垂性越好（锗纤维初始模量约为7 N/dtex，棉纤维初始模量约为6 N/dtex），因此锗纤维含量越多，织物的悬垂性越差。四种锗纤维面料的悬垂性中等，属于常见涤纶型衬衫面料悬垂系数的范围[10-13]，能够满足本文的开发目的。

3.2 透气性

锗纤维面料的透气性结果如图5所示。由图5可以看出，四种锗纤维面料的透气性较好。基于单因素方差分析法对数据进行显著性检验后，发现随锗纤维含量的提升，面料透气性更好。分析认为，纱线毛羽会随机分布在织物表面及纱线交织孔隙处，影响空气透过织物。四种织物是由四种混纺比的纱线制成，而纱线毛羽指数是随锗纤维的增加而减小的，因此织物中锗纤维越多，影响透气率的毛羽越少，织物的透气性就越好。另外，锗纤维分布着锗粉微粒，这使得锗纤维表面凹凸不平，也在一定程度上使纤维间隙增大，进而提升了透气性。

4 锗纤维面料抗静电性能与温湿度环境对其的影响

4.1 锗纤维面料抗静电性能评级

面料表面电阻率越大，说明其抗静电性能越差。表4为锗纤维面料在国标规定温、湿度下的表面电阻率。由表4可以看出，锗纤维/棉混纺织能达到GB/T 12703.4—2010中C级技术要求，其中含量比为25/75的面料可以到达B级要求。纯锗纤维面料的抗静电性能均明显差于其他含量比，当织物中引入一定含量（25%～75%）的棉纤维时，织物的抗静电性能即有幅度较大的提升。锗纤维中发挥其功能性依靠的就是锗元素，锗原子序数为32，与硅同族，具有4s24p2的外层电子排布，其导电性能介于金属与非金属之间。将其引入聚酯纤维中，能有效改善聚酯纤维导电性能差的现象，但锗纤维主体主要还是聚酯成分，无机锗粉的含量仅为80 ppm左右。因此，锗纤维的导电性能可以显著优于普通涤纶纤维，但差于棉纤维，棉纤维具有较好吸湿性，相应抗静电性能也较好。

4.2 温度对抗静电性能的影响

图6是锗纤维面料在不同温度下的电阻率值。由图6可以看出，在相同湿度下，四种锗纤维面料的抗静电性能均随着温度的升高而增强。同时在锗含量更高的面料中，随温度升高，电阻率下降更明显。分析认为，锗纤维面料中发挥抗静电功能是锗，锗作为一种常见的半导体，材料的电阻率易受到温度、光照等外界因素的影响。锗原子最外层有4个电子，并且这4个电子分别与相邻的4个锗原子的电子形成共价电子

对，共价键中的电子相互束缚，相对稳定，但当温度升高时，由于其热运动，部分电子挣脱束缚形成自由电子，留下带正电的空穴，载流子数量增多，导电性会明显改善，宏观上使得锗纤维面料的表面电阻率下降，相应抗静电性能提升。

4.3 湿度对抗静电性能的影响

图7是锗纤维面料在不同湿度下的电阻率。由图7可以看出，在相同温度、不同湿度的情况下，锗纤维面料的抗静电性能均随著湿度的升高而提升。造成该现象的原因主要是织物表面存在一层微观的亲水薄膜，而环境相对湿度能够影响该层薄膜的形成、厚度、面积等，进而影响织物表面电荷的传导[14]。抗静电性能受到环境相对湿度影响如此明显的原因主要有两个：一个是除纯锗纤维面料外，其他三种面料内均含棉纤维，而棉纤维有较多亲水基团，在调湿12 h内有足够时间与环境中的水分子结合，水分子在织物表面形成一层连通完整的导电液膜，能够及时逸散静电电荷，降低织物电阻率。而当织物处于湿度较小的环境中时，能够与织物结合的水分子数量大幅减少，使织物形成导电液膜，且大多也都相互孤立、无法连贯。第二个原因是织物内的孔隙，包括经纬纱交织的孔隙及纱线内纤维间的孔隙都可以存储水分。在湿度越高的环境中，织物孔隙中存储的水分也越多。这些原因都使得面料的抗静电性能受到环境相对湿度的影响。

5 结 论

本文开发了不同含量比的涤纶基锗纤维/棉混纺纱，并制成四种锗纤维机织面料，且测试其透气性、悬垂性和抗静电性。再分别改变测试环境的温度和相对湿度，探究四种锗纤维面料在不同环境下抗静电性能的变化情况。得出以下结论：

1） 四种含量比的锗纤维面料均具有较好的透气性、悬垂性，能够满足秋冬衬衫面料的开发要求。

2） 锗纤维面料的抗静电性能受到环境温度的影响，温度越高其抗静电性能越好，这主要是由于发挥功能性材料——锗自身的半导体特性决定。

3） 环境湿度也会影响锗纤维面料抗静电性能发挥效果，环境湿度越大面料的抗静电性能越好。织物内棉的亲水特性及织物空隙决定了锗纤维面料的储水能力，湿度越大的环境下，面料的储水能力有更好的发挥，因此抗静电性能更好。

4） 本文开发的锗纤维面料具有较好的服用性能，同时符合国标规定的C级以上的技术要求，具有良好的抗静电性。同时本文开发的锗纤维面料主要用于秋冬服用面料，根据实验，发现在不同的温湿度环境（常见的秋冬面料贴身时的温湿度）下也具有较好的抗静电性能，面料尤其适合较为湿润地区的秋季使用。

参考文献：

[1]俞春华， 乔鹏娟， 董文洪， 等. 含锗面料的负离子、远红外及抗菌性能测试[J]. 丝绸， 2017， 54（12）： 17-20.

YU Chunhua， QIAO Pengjuan， DONG Wenhong， et al. The test of negative ions， far-infrared and antibacterial properties of germanium-containing fabric[J]. Journal of Silk， 2017， 54（12）： 17-20.

[2]李珊珊， 乔辉， 胡蝶， 等. 聚酯纤维抗静电改性的研究进展[J]. 现代化工， 2017， 37（9）： 17-20.

LI Shanshan， QIAO Hui， HU Die， et al. Research progress in antistatic modification for polyester fiber[J]. Modern Chemical Industry， 2017， 37（9）： 17-20.

[3]刘圆圆， 马晓飞， 胡红梅， 等. 氧化石墨烯共聚改性PET纤维的制备及表征[J]. 产业用纺织品， 2019， 37（6）： 25-32.

LIU Yuanyuan， MA Xiaofei， HU Hongmei， et al. Preparation and characterization of modified PET fibers by graphene oxide copolymerization[J]. Technical Textiles， 2019， 37（6）： 25-32.

[4]王明序， 许子傲， 葛明桥， 等. 浅色聚酯纤维基抗静电涂层织物的制备及其性能研究[J]. 涂料工业， 2020， 50（7）： 23-28.

WANG Mingxu， XU Ziao， GE Mingqiao， et al. Preparation and properties of light color coated antistatic polyester fiber-based fabrics[J]. Paint & Coatings Industry， 2020， 50（7）： 23-28.

[5]SEYAM A F M， JASTI V K， OXENHAM W， et al. The role of hydrophilic finishes in frictional electrification and charge decay of woven fabric from polyester[J]. The Journal of The Textile Institute， 2020， 111（1）： 1-9.

[6]謝勇. 镀银纤维嵌织织物抗静电性能研究[D]. 杭州： 浙江理工大学， 2014.

XIE Yong. Research on the Anti-Static Properties of Embedded Silver-Plated Woven Fabrics[D]. Hangzhou： Zhejiang Sci-Tech University， 2014.

[7]吴逊， 丁永红， 俞强. 几种非离子型抗静电剂在聚丙烯薄膜中的应用研究[J]. 中国塑料， 2014， 28（4）： 92-96.

WU Xun， DING Yonghong， YU Qiang. Application of several non-ionic antistatic agents in polypropylene film[J]. China Plastics， 2014， 28（4）： 92-96.

[8]潘文丽， 赵晓伟. 纺织品抗静电性能的测试标准[J]. 印染， 2017， 43（18）： 43-47.

PAN Wenli， ZHAO Xiaowei. Testing standards for electrostatic properties of textiles[J]. China Dyeing & Finishing， 2017， 43（18）： 43-47.

[9]李新彤， 高哲， 顾洪阳， 等. 针织西服面料的挺括风格研究[J]. 纺织学报， 2020， 41（11）： 53-58.

LI Xintong， GAO Zhe， GU Hongyang， et al. Study on stiffness style of knitted suit fabrics[J]. Journal of Textile Research， 2020， 41（11）： 53-58.

[10]魏艳红， 刘新金， 李文静， 等. 几种不同组织结构的衬衫面料保形性研究[J]. 丝绸， 2020， 57（1）： 20-25.

WEI Yanhong， LIU Xinjin， LI Wenjing， et al. Study on shape preservation of shirt fabrics with several different weave structures[J]. Journal of Silk， 2020， 57（1）： 20-25.

[11]韩燕娜. 织物弯曲性与悬垂性测试新方法[J]. 丝绸， 2019， 56（4）： 30-34.

HAN Yanna. A new testing method for fabric bending & draping behavior[J]. Journal of Silk， 2019， 56（4）： 30-34.

[12]陈彩云. 仿丝绸处理对涤纶织物悬垂性的影响[J]. 丝绸， 2018， 55（9）： 15-20.

CHEN Caiyun. Influence of silk-like finishing on polyester fabric drapability[J]. Journal of Silk， 2018， 55（9）： 15-20.

[13]刘莹. 有机棉男衬衫面料后整理及服用性能研究[D]. 上海： 东华大学， 2018.

LIU Ying. Research on Finishing Process and Wearing Characteristics of Organic Cotton Mens Shirt Fabric[D]. Shanghai： Donghua University， 2018.

[14]张卫玲， 张健飞. 毛织物抗静电整理及其影响因素[J]. 纺织学报， 2009， 30（3）： 72-75.

ZHANG Weiling， ZHANG Jianfei. Antistatic finishing of wool fabric and its influencing factors[J]. Journal of Textile Research， 2009， 30（3）： 72-75.