Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

3.2 Природа процесса электризации текстильных материалов

Основы математического моделирования определяются первоначально представлениями процесса электризации текстильных материалов в рамках системы «Человек - Одежда - Среда».

Явление статической электризации, возникающее в процессах изготовления текстильных материалов и изделий из них, а также при эксплуатации готовых изделий, ведет к снижению качества продукции, доставляет неудобства в работе, нарушает технологические процессы производства, а при возникновении электрического разряда представляет угрозу человеку и может приводить к несчастным случаям. Именно поэтому еще на этапе проектирования защитной антиэлектростатической одежды, основным видом которой является костюм (куртка, брюки (полукомбинезон)), необходимо строго следовать требованиям, устанавливаемыми ГОСТ 12.4.124-83 «ССБТ. Средства защиты от статического электричества» [48].

Электризация одежды неизбежна, так как в условиях эксплуатации текстильные материалы постоянно испытывают воздействия в виде трения кожных покровов с текстильными изделиями и материалов пакета одежды между собой [96]. В результате динамического взаимодействия на контактирующих поверхностях накапливаются электрические заряды. Именно поэтому ткань прилипает к телу, вызывая неприятные ощущения и дискомфорт; волокна скатываются в шарики, одежда теряет ряд физико-механических свойств и привлекательный внешний вид; к одежде притягивается пыль, способствуя быстрому и чрезмерному загрязнению. А разность потенциалов поля, созданного образовавшимися на изделии электростатическими зарядами, провоцирует угрозу жизни человека в результате искрения [5, 18].

Величина накапливающегося заряда зависит от электрических свойств (электрическая проводимость вещества (Ом), энергия связи носителей заряда в веществе (эВ), диэлектрическая проницаемость вещества), температуры (К), влажности окружающей среды (%) и состояния материалов (строение ткани, загрязнения и извитость волокон, влажность), которые в совокупности определяют электрическое сопротивление материала [2, 8, 11, 102]. Причем наличие разного рода загрязнений и увлажнение материала уменьшают электризуемость одежды. Влажность ткани в определенной степени зависит от ее гигроскопичности [103]. Наиболее гигроскопичными являются хлопчатобумажные и льняные ткани. За счет этого они хорошо впитывают испарения тела и практически никогда не электризуются. А вот капрон, нейлон, шерсть и шелк накапливают положительные заряды (ткани перечислены в порядке убывания склонности к электризации). Нитрон, лавсан и ацетатные волокна накапливают отрицательные заряды.

Важными факторами, влияющими на электризацию, являются влажность воздуха и скорость относительного движения контактирующих поверхностей. Причем при относительной влажности воздуха 85 % и более процесс электризации практически не проявляется, так как электрическое сопротивление увлажненной ткани уменьшается, и возникающий фрикционный электростатический заряд быстро уменьшается в результате обычной проводимости [21]. При незначительной влажности воздуха, когда электрическое сопротивление ткани велико, стекание электрического заряда с наэлектризованной одежды происходит посредством искрового разряда между ней и металлическими, диэлектрическими частями оборудования или землей. Энергия такой электрической искры может оказаться достаточной для воспламенения горючей или взрывоопасной смеси [6, 104].

Способность электризоваться может быть снижена или вовсе устранена [105 - 107]. Способы устранения опасности возникновения электростатических зарядов, посредством коллективных и индивидуальных средств защиты рассмотрены во второй главе.

Исследователи явления электризации [2, 8, 108, 109] выделяют четыре способа образования электростатических зарядов на поверхностях диэлектриков: контактная, фрикционная, индукционная и емкостная электризации. При эксплуатации текстильных изделий в основном реализуются три первых варианта.

В случае контактной электризации человек приобретает заряды при соприкосновении с поверхностью наэлектризованного предмета (перераспределение зарядов вследствие разности работ выхода носителей заряда столь незначительно, что им пренебрегаем). Такое прикосновение приводит к перетеканию части заряда с предмета на тело человека и приобретению им определенного электрического потенциала.

Фрикционная электризация - это накопление электростатического заряда на поверхностях контактирующих материалов при их относительном перемещении. Механизм фрикционной электризации является наиболее сложным. Это вызвано как сложностью самого процесса трения, так и его многосторонним влиянием на процесс электризации. Оба процесса, контактная и фрикционная электризации, происходят в динамике, когда на контактных площадках кратковременно развиваются большие давления и температуры, происходят значительные деформации взаимного сцепления, установление и разрушение адгезионных связей поверхностей, возможны химические реакции, наблюдаются механические колебания в широком диапазоне частот (от звуковых до ультразвуковых). Процесс трения полимеров сопровождается электронной эмиссией [110]. Сложность перечисленных явлений объясняет отсутствие в настоящее время единой микроскопической теории процесса трения и теории электризации [111].

Индуктивный механизм заряжения заключается в следующем: человек, не контактируя с заряженным телом, приобретает наведенный заряд в сильном внешнем электростатическом поле.

В наиболее неблагоприятных условиях, когда происходит длительный контакт человека с наэлектризованной поверхностью (например, при носке одежды), тело человека может приобрести потенциал относительно земли до 5 кВ, при этом возможны электрические разряды при приближении практически до соприкосновения с металлическими предметами. Например, при снятии наэлектризованной одежды из сильно электризующихся материалов на теле остается заряд, создающий потенциал относительно земли до10 кВ.

Таким образом, в условиях эксплуатации текстильных изделий происходит электризация тканей, являющихся по физической природе диэлектриками. Создание безопасных для жизнедеятельности человека условий подразумевает изучение процесса электризации, устранение причин возникновения электростатических зарядов и предотвращение опасностей, связанных с данным явлением путем математического моделирования и последующей оптимизации пакетов материалов антиэлектростатической одежды.