陳 蘭, 華偉杰, 尤寅峰

(江蘇省紡織研究所股份有限公司,江蘇 無錫 214024)

眾所周知靜電是兩物體摩擦、分離后在各自物體上帶的靜止電荷，如從帶幾千伏、幾十千伏高電位的物體發(fā)生脈沖刷形成放電或火花放電時(shí)，則瞬時(shí)產(chǎn)生幾安培的電流，會(huì)形成各種災(zāi)害。不同摩擦帶電方式產(chǎn)生的電壓(見表1)[1]。人體在進(jìn)行各種活動(dòng)時(shí)，服裝上的摩擦電壓值己超過了許多靜電敏感器件的靜電放電損壞閾值(見表2)[1]，因此在半導(dǎo)體集成電路生產(chǎn)過程中，由于人體操作產(chǎn)生摩擦而引起靜電放電，往往使脆弱的集成電路擊穿而損壞。

表1 不同摩擦方式所產(chǎn)生的靜電壓

表2 靜電對(duì)部分電子器件的擊穿電壓

化纖長絲面料由于具有高絕緣性能會(huì)加劇電荷積累，而純棉織物，雖然具有相對(duì)較好的導(dǎo)電性，但僅在空氣濕度到達(dá)50%以上，才能一定程度上減少靜電危害，并且棉織物為短纖差評(píng)產(chǎn)品，不能在凈化室使用。美國在大型通訊機(jī)系統(tǒng)的裝配當(dāng)中，檢測(cè)出有故障的集成電路的1/3為靜電放電擊穿而損壞。 穿著絕緣鞋的人體假定帶了1.5 kV的靜電,放電時(shí)足以使市場(chǎng)上出售的雙極性集成電路和CMOS集成電路全部擊穿或產(chǎn)生異常。低摩擦電壓防靜電面料及制品的研發(fā)是電子行業(yè)發(fā)展的必然要求。

在電子制造環(huán)境潔凈室中，除了來自于生產(chǎn)過程的粉塵或微塵以外，微污染源80%來源于人體，它包括人體在潔凈環(huán)境中由于皮膚掉屑和出汗的生理現(xiàn)象，成為一個(gè)最大的污染源。面料或服裝的防塵性和抗靜電性之間存在著密切的關(guān)系，人體或服裝產(chǎn)生的靜電也會(huì)吸附塵埃造成污染。這種微塵污染會(huì)對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生較大的影響，造成產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、返工率高等問題。例如，在薄膜電晶體液晶片生產(chǎn)過程中，微塵會(huì)污染電子線路，破壞電路的完整性；1 Mbit容量的集成電路芯片內(nèi)部的激光刻線是1 μm，1 μm的塵埃粒子就能夠?qū)λ纬善茐?；在集成電路制造生產(chǎn)中，制造空間潔凈度為100級(jí)時(shí)(大于等于5 μm微粒含量25個(gè)/m3)，成品率接近100%；制造空間潔凈度為1 000級(jí)(大于等于5 μm微粒含量2 500個(gè)/m3)時(shí)，成品率僅有65%[2]。因此，降低潔凈室內(nèi)最大的發(fā)塵源成了重要任務(wù)，而工作服裝的防塵性能也成為電子行業(yè)所關(guān)注的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

1 實(shí)現(xiàn)低摩擦電壓、高過濾率途徑

面料獲取低摩擦電壓有下面4種途徑[3-6]：(1)利用抗靜電整理劑對(duì)纖維或織物進(jìn)行后整理，此類方法的抗靜電效果難以長久保存，耐洗滌性能差，且在低濕度環(huán)境中不顯示抗靜電性能；(2)對(duì)成纖高聚物進(jìn)行共混、共聚、接枝改性引入親水性極性基團(tuán)，或在纖維內(nèi)部添加抗靜電劑，制取抗靜電纖維，但纖維電阻較高、強(qiáng)度較低且受環(huán)境濕度的影響；(3)以纖維或織物為基體，通過物理、機(jī)械、化學(xué)等途徑，在纖維表面涂敷固著金屬、碳黑、導(dǎo)電高分子等導(dǎo)電物質(zhì)，可獲得較低的電阻率，但在摩擦和反復(fù)洗滌后皮層導(dǎo)電物質(zhì)較易剝落；(4)在織物中混紡或嵌織導(dǎo)電纖維，利用電場(chǎng)引起自身電暈放電使靜電中和，抗靜電性能不受環(huán)境濕度的影響，其中金屬導(dǎo)電纖維耐化學(xué)腐蝕、耐熱、導(dǎo)電性能強(qiáng)，但紡紗性能差，因此一般多用于地毯面料；導(dǎo)電高分子型纖維由于紡絲困難，價(jià)格較高，因此難以獲得廣泛使用；導(dǎo)電型金屬化合物纖維牢度好，具有除臭、抗菌等附加功能，但是成本較高且電磁屏蔽能力一般；碳黑系復(fù)合纖維因具備耐化學(xué)藥品、耐熱性能好、導(dǎo)電性能強(qiáng)等優(yōu)良特質(zhì)而被廣泛使用，但是提高碳黑組份雖能改善纖維導(dǎo)電能力，但纖維可紡性和機(jī)械性能下降。

為使面料具有高過濾效率目前有2種方法[7-9]，一種方法采用細(xì)旦纖維或超細(xì)纖維與導(dǎo)電纖維復(fù)合并網(wǎng)，這樣原料單纖維多而細(xì)，與同樣線密度的原料比較比表面積大，有利于提高面料過濾率，同時(shí)選用合理的組織結(jié)構(gòu)和高密度織造。但由于機(jī)織織造經(jīng)緯線之間必須保留一定的間隙才能完成，因此過濾效率不可能達(dá)到很高要求。另一種方法是通過后整理的高收縮獲得，這種方法的前提是原材料必須采用高收縮纖維。

國內(nèi)外典型防靜電潔凈面料的性能見表3。

表3 國內(nèi)外典型防靜電潔凈面料的性能

續(xù)表3

2 產(chǎn)品規(guī)格、工藝路線和工藝參數(shù)

2.1 產(chǎn)品原料的篩選

紡織品抗靜電技術(shù)的關(guān)鍵在于低阻、長效、普適的新型導(dǎo)電纖維的研制和應(yīng)用技術(shù)研究。使用碳黑進(jìn)行復(fù)合紡絲制備導(dǎo)電纖維是最佳選擇。碳黑粉末制造成本低廉，使用安全性高；復(fù)合紡絲法制得纖維中導(dǎo)電組分沿纖維軸向連續(xù)，易于電荷逸散，抗靜電效果持久；所得導(dǎo)電纖維易于織造。提高碳黑的含量和降低粒度有利于纖維的導(dǎo)電性能，但碳黑在聚合物基體中難以均勻分散、紡絲液流動(dòng)性差、紡絲困難，纖維力學(xué)性能惡化。制造導(dǎo)電復(fù)合纖維的技術(shù)關(guān)鍵在于提高導(dǎo)電物質(zhì)在基體中的分散性，攻克含高導(dǎo)電碳黑復(fù)配和熔體高強(qiáng)穩(wěn)定紡絲成形關(guān)鍵技術(shù)，制備兼具良好導(dǎo)電能力和穩(wěn)定力學(xué)性能的纖維。

普通導(dǎo)電碳黑粉末粒徑較大(3～4μm)，在紡制導(dǎo)電復(fù)合纖維中一般含量為20%～30%，得到的導(dǎo)電纖維表面電阻為106～108Ω,經(jīng)由導(dǎo)電性物質(zhì)、高聚物和分散劑等助劑組成導(dǎo)電紡絲母粒,在獲得所需的纖維電阻時(shí),纖維的機(jī)械物理性能同時(shí)也滿足紡織加工和后道服裝正常穿著的需要。

同時(shí)通過設(shè)計(jì)了復(fù)合纖維的結(jié)構(gòu)，以降低碳黑在纖維中形成導(dǎo)電通路所需要的濃度，提高纖維的導(dǎo)電能力。本產(chǎn)品摒棄了傳統(tǒng)導(dǎo)電纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)所使用的皮芯結(jié)構(gòu)、單點(diǎn)或多點(diǎn)內(nèi)切圓結(jié)構(gòu)、三明治式夾心結(jié)構(gòu)等等，單纖維中導(dǎo)電部分為扇形(以單纖維中心為圓心)，使扇形導(dǎo)電部分的圓弧面始終外露于纖維表面，導(dǎo)電部分在纖維表面所占比例增大并能滲透到單纖維中心，以確保纖維具有良好的導(dǎo)電性。

2.2 產(chǎn)品規(guī)格、工序流程、生產(chǎn)工藝參數(shù)和技術(shù)措施

(1)設(shè)計(jì)產(chǎn)品規(guī)格

傳統(tǒng)的導(dǎo)電纖維等間距嵌條、嵌格的方法[10-12]進(jìn)行織造，雖然織造工藝簡(jiǎn)單，但使得織物中靜電泄露和逸散通道減少，難以減小面料的表面電荷并降低摩擦電壓。因此，本產(chǎn)品基于對(duì)防靜電性和防塵性的雙重要求，創(chuàng)新性的將高比表面積的細(xì)旦或超細(xì)滌綸纖維與導(dǎo)電纖維復(fù)合并捻制備抗靜電長絲紗，使得同樣線密度紗線中單纖維細(xì)度降低、數(shù)量增加，增大了比表面積提高了微塵過濾率。

紗線結(jié)構(gòu)參數(shù)及紡制工藝對(duì)面料防靜電、防塵性能的影響，如調(diào)整碳黑導(dǎo)電纖維、細(xì)旦或超細(xì)纖維線密度及單絲數(shù)量，并捻后絲線捻度等參數(shù)，測(cè)試面料的表面電荷量、摩擦電壓、微塵過濾率以選取最佳參數(shù)。經(jīng)緯原料采用83.3 dtex/72F FDY+22.2 dtex/3F導(dǎo)電絲，紗線捻度為800 T/m，考慮到捻度太小織造時(shí)容易起毛，反之捻度太大將影響摩擦電壓和過濾率；并捻防靜電絲中導(dǎo)電纖維單絲線密度選擇7.3 dtex/F，防靜電并捻長絲不但兼具了導(dǎo)電纖維及超細(xì)纖維的優(yōu)良特性，同時(shí)改善了紗線的可織性。

優(yōu)選織物結(jié)構(gòu)參數(shù)、織造工藝參數(shù)。組織結(jié)構(gòu)選用最為緊密的平紋組成。上機(jī)經(jīng)緯密度盡可能緊密：上機(jī)經(jīng)密63根/cm；上機(jī)緯密34根/cm。盡量減少面料紗線之間的空隙，提高面料的防靜電和防塵功能；整經(jīng)、織造等工序中，需要良好的設(shè)備狀態(tài)和合理的工藝參數(shù)以減少紗線的損傷和毛羽的產(chǎn)生。

(2)產(chǎn)品后整理、熱軋致密工藝參數(shù)及設(shè)備條件

由于機(jī)織織造經(jīng)緯線之間必須保留一定的間隙才能完成，因此過濾效率不可能達(dá)到很高要求?；瘜W(xué)試劑的使用也能達(dá)到目的但不利于安全健康。因此本產(chǎn)品利用物理方法對(duì)防靜電面料進(jìn)行整理，通過優(yōu)化染色和整理工藝，進(jìn)一步封閉面料中的空隙，增加面料的致密性和緊密度。

(3)工藝流程

工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程

(4)產(chǎn)品目標(biāo)

產(chǎn)品相應(yīng)技術(shù)要求：①防靜電性能：洗前、洗100次后均符合GB12014-2009防靜電服標(biāo)準(zhǔn)“A”級(jí)，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電阻為1×105～1×107Ω；②摩擦電壓：(洗前)≤50 V，(洗100次后)≤100 V；③過濾性能：過濾率≥90%(0.5 μm)。

3 結(jié)語

(1)低摩擦電壓、高過濾率耐久防靜電面料的研發(fā)，首創(chuàng)經(jīng)緯每根紗線均采用高濃度含碳黑纖維與細(xì)旦或超細(xì)纖維進(jìn)行復(fù)合加工而制得抗靜電長纖維；

(2)可以根據(jù)各類客戶的需求，采用不同參數(shù)組合形式的進(jìn)行加工；

(3)選用結(jié)構(gòu)緊密的組織結(jié)構(gòu)、經(jīng)緯紗線結(jié)構(gòu)，在不影響織造的前提下盡可能提高經(jīng)緯密度。精選前道加工路線和織造上機(jī)加工工藝參數(shù)，為產(chǎn)品具有低電壓、高過濾率性能做好鋪墊工作；

(4)后整理進(jìn)一步提高布面平整度、緊密度。添加熱軋致密后整理工序，使面料進(jìn)一步熱收縮致密、纖維截面扁平化增加比表面積，提升面料平整度和緊密度，從而實(shí)現(xiàn)降低摩擦電壓、提高過濾率的目的；

(5)耐久性低摩擦電壓、高過濾率防靜電面料為防靜電高性能產(chǎn)品，產(chǎn)品主要用于制作生產(chǎn)大型集成電路高級(jí)別凈化室用凈化服。