Gdy dwa ciała stałe o różnych stanach fizycznych stykają się i ocierają o siebie, ich powierzchnie ulegają redystrybucji ładunku. Po ponownym rozdzieleniu każda powierzchnia ciała stałego będzie miała nadmiar ładunku dodatniego (lub ujemnego) w porównaniu do stanu sprzed kontaktu, co nazywa się elektrycznością statyczną. Aby scharakteryzować przewodnictwo materiału, stosuje się koncepcję rezystywności. Rezystywność objętościowa to stosunek gradientu potencjału równoległego do kierunku prądu na powierzchni materiału do prądu na jednostkę szerokości na powierzchni. Zasadniczo polimery są materiałami o wysokiej izolacyjności elektrycznej o wysokiej rezystywności elektrycznej, więc gdy zostaną naładowane, trudno je wyeliminować. W życiu codziennym, podczas chodzenia po plastikowej podłodze, tarcie między podeszwą buta a podłogą może spowodować naładowanie ludzkiego ciała. W poważnych przypadkach, jeśli ręka zetknie się z klamką lub przedmiotem, może również spowodować wyładowanie, powodując uczucie mrowienia; Do wypadku z porażeniem prądem dochodzi podczas operacji medycznej. W przemyśle elektronicznym elektryzacja człowieka może łatwo przebić się przez obwody, powodując uszkodzenie układów scalonych; Przemysł tekstylny powoduje agregację włókien itd.
Istnieją dwie metody eliminacji elektryczności statycznej w polimerach
(1) Dodaj przewodzące wypełniacze, takie jak metal, włókno węglowe i węgiel. Ta metoda wymaga dużej ilości wypełniacza. Nagły spadek przewodności wypełniacza musi osiągnąć pewien procent, aby uzyskać efekt antystatyczny. Kolor i jakość produktów z dużą ilością dodatku będą znacznie ograniczone. Na przykład przewodność PP wypełnionego sadzą zmienia się znacząco tylko wtedy, gdy procent osiągnie 15%. W tym momencie kolor materiału nie może już spełniać wymagań wielu i pięknych materiałów. Wypełniacze metalowe zwiększają jakość materiałów. Wypełniacze z włókien metalowych mają niską jakość, ale są podatne na pękanie i utlenianie podczas przetwarzania, co czyni je droższymi.
(2) Dodanie środków antystatycznych w celu aktywacji powierzchni i poprawy jej przewodności: 1. Środki antystatyczne pokryte powierzchnią mają niską trwałość i łatwo ulegają utracie w wyniku tarcia i prania, zapewniając jedynie tymczasowe lub krótkotrwałe efekty antystatyczne. 2. Mieszane środki antystatyczne mają wysoką trwałość, ale wymagają spełnienia wysokich wymagań dotyczących środków antystatycznych.
Środek antystatyczny
Generowanie elektryczności statycznej na powierzchniach z tworzyw sztucznych może powodować różne problemy, takie jak utrudnianie produkcji, iskrzenie powodujące eksplozje i uszkodzenia układów scalonych urządzeń elektronicznych. Ogólną metodą usuwania elektryczności statycznej jest stosowanie środków powierzchniowo czynnych, takich jak środki antystatyczne, w celu zmniejszenia rezystancji powierzchniowej polimerów. Ze względu na higroskopijność takich dodatków, pochłaniają one wilgoć z atmosfery na powierzchni polimeru, tworząc cienką przewodzącą warstwę, która szybko eliminuje elektryczność statyczną. Woda odgrywa ważną rolę w tym procesie. Wraz ze wzrostem wilgotności powietrza poprawia się również przewodność powierzchniowa polimeru, powodując szybką utratę ładunku statycznego i zapewniając dobre właściwości antystatyczne.
Zgodnie z różnymi zastosowaniami istnieją dwa rodzaje powierzchniowo czynnych środków antystatycznych, mianowicie zewnętrzne i wewnętrzne. Zewnętrzne lub lokalne środki antystatyczne są nakładane na powierzchnię polimerów poprzez natryskiwanie, wycieranie lub impregnację. Chociaż ten zewnętrzny środek antystatyczny nadaje się do różnych polimerów, jego skuteczność jest tylko tymczasowa i łatwo ją stracić po kontakcie z rozpuszczalnikami lub tarciu z innymi substancjami. Wewnętrzne środki antystatyczne są dodawane podczas przetwarzania polimerów. Ten rodzaj powierzchniowo czynnego środka antystatycznego może uzupełniać funkcję antystatyczną, która została naruszona w wyniku obsługi. Efekt tego wewnętrznego środka antystatycznego zależy od natryskiwania mrozem. Znaczenie natryskiwania mrozem odnosi się tutaj do procesu, w którym wewnętrzny środek antystatyczny dodany do żywicy częściowo migruje na powierzchnię polimeru. Dlatego wewnętrzne środki antystatyczne mają długotrwały efekt ochrony antystatycznej.
Środki antystatyczne o działaniu powierzchniowo czynnym można podzielić na kationowe, anionowe i niejonowe.
Kationowe środki antystatyczne to zazwyczaj długołańcuchowe alkilowe czwartorzędowe sole amoniowe, fosforowe lub ołowiowe, z chlorkami jako jonami równowagowymi. Dobrze sprawdzają się w polarnych matrycach, takich jak sztywne polimery na bazie polichlorku winylu i styrenu, ale mają negatywny wpływ na ich stabilność termiczną. Tego typu środek antystatyczny zwykle nie jest dozwolony do stosowania w artykułach mających kontakt z żywnością; A efekt antystatyczny stanowi tylko 1/5 do 1/10 efektu wewnętrznych środków antystatycznych, takich jak etoksylowane aminy.
Anionowe środki antystatyczne to zazwyczaj sole metali alkalicznych kwasu alkilosulfonowego, kwasu fosforowego lub ditiokarbaminianu i są głównie stosowane w żywicach polichlorku winylu i styrenu; ich działanie w żywicach poliolefinowych jest podobne do działania kationowych środków antystatycznych. Alkilosulfonian sodu jest szeroko stosowany w żywicach na bazie styrenu, polichlorku winylu, politereftalanie etylenu i poliwęglanie jako anionowy środek antystatyczny.
Niejonowe środki antystatyczne, takie jak etoksylowane alifatyczne alkiloaminy, stanowią największą klasę środków antystatycznych. Są szeroko stosowane w polietylenie, polipropylenie, ABS i innych polimerach na bazie styrenu. Obecnie produkowanych i sprzedawanych jest kilka etoksylowanych alkiloamin, różniących się długością łańcucha alkilowego i stopniem nienasycenia. Etoksyalkiloamina jest wysoce skutecznym środkiem antystatycznym, nawet w warunkach niskiej wilgotności względnej, i jest skuteczna przez długi czas. Ten rodzaj środka antystatycznego został zatwierdzony przez Federal Food and Drug Administration do stosowania w artykułach, które mają pośredni kontakt z żywnością. Inne cenne komercyjnie niejonowe środki antystatyczne obejmują etoksylowaną alkiloaminę, taką jak etoksylowana lauroyloamina i monostearynian glicerolu (GMS). Etoksylauryloamina nadaje się do polietylenu i polipropylenu stosowanych w środowiskach o niskiej wilgotności i wymaga szybkich i długotrwałych funkcji antystatycznych. Środki antystatyczne GMS są brane pod uwagę tylko w celu ochrony elektrostatycznej podczas przetwarzania. Chociaż GMS szybko migruje na powierzchnię polimerów, nie może wywierać długotrwałych efektów antystatycznych, takich jak etoksylowana alkiloamina lub etoksylowana alkiloamina.
Do 75% ciekłych lub niskotopliwych etoksylowanych grup alkilowych i polimerów można zmieszać, aby utworzyć skoncentrowany masterbatch. Te masterbatchy to sypkie, kuliste produkty, które są łatwe w transporcie, a jednocześnie łatwo rozpraszają się podczas mieszania. Zalety masterbatchu etoksylowanego alkiloaminy można podsumować następująco:
(1) Dobra dyspergowalność dzięki dodatkowi wstępnie rozproszonych materiałów czynnych.
(2) Mały produkt w kształcie kuli, łatwy do transportu i swobodnego przepływu, łatwy do odmierzania i mieszania.
(3) Dobra wydajność przetwarzania, mniejszy poślizg ślimaka w wytłaczarce.
Wybór i dawkowanie środków antystatycznych zależą od właściwości polimeru, metod przetwarzania, warunków przetwarzania, rodzajów i ilości innych dodatków, wilgotności względnej i ostatecznego zastosowania polimeru. Czas potrzebny do uzyskania wystarczającego efektu antystatycznego jest różny, a szybkość i czas trwania ochrony antystatycznej można zwiększyć, zwiększając stężenie środka antystatycznego. Jednak nadmierne stosowanie środków antystatycznych może skutkować śliską powierzchnią produktu końcowego, co może uszkodzić druk lub wydajność łączenia. Nieobrobione wypełniacze nieorganiczne i pigmenty mogą adsorbować cząsteczki środka antystatycznego na swoich powierzchniach, zmniejszając w ten sposób skuteczność środków antystatycznych. Zjawisko to można zrekompensować, zwiększając ilość stosowanego środka antystatycznego. Jednak w przypadku produktów, które mają kontakt z żywnością, ilość dodanych środków antystatycznych musi być zgodna z przepisami Federalnej Agencji ds. Żywności i Leków (patrz Federal Regulations Code, 21 (21CFR)). (Codeof Federal Regulations, Title21 (21CFR)).
W przypadku stosowania polietylenu, wybór środka antystatycznego z etoksylowanej alkiloaminy powinien uwzględniać jej formę fizyczną, taką jak pasta, ciecz, małe cząstki lub ciało stałe. Jeśli etoksylowanej aminy łojowej nie można poddać obróbce ze względu na jej pastowatą naturę, można zastosować ciekłą etoksylowaną oleaminę. W warunkach przetwarzania w wysokiej temperaturze (powyżej 180 stopni) można wybrać etoksylowaną stearftalaminę. Jeśli wymagany jest szybki efekt antystatyczny, można wybrać etoksylowaną lauryloaminę. Kwestie, które należy wziąć pod uwagę przy stosowaniu polipropylenu, są podobne do tych przy stosowaniu polietylenu. Niezależnie od rodzaju użytej żywicy, należy wziąć pod uwagę limity regulacyjne Federalnej Agencji ds. Żywności i Leków dla różnych zastosowań. W przypadku stosowania do polimerów na bazie styrenu zaleca się wybór etoksylowanej aminy kokosowej lub jednej z odpowiednich masterbatchów.
Mieszanie i przetwarzanie
Ogólnie rzecz biorąc, środki antystatyczne miesza się z pigmentami i innymi dodatkami w mieszalniku lub wytłaczarce. Mówiąc technicznie, czyste środki antystatyczne, takie jak etoksylowana alkiloamina, mają inną zaletę, mianowicie mogą się topić podczas formowania wtryskowego cieczy, działając w ten sposób jako dyspergatory dla pigmentu masterbatch. Masterbatch środka antystatycznego można dodać bezpośrednio do końcowego sprzętu przetwórczego. Efekt wewnętrznych środków antystatycznych jest ściśle związany z warunkami produkcji i przetwarzania produktu końcowego. Na przykład, właściwości antystatyczne produktów formowanych wtryskowo zależą od temperatury formy. Zazwyczaj, gdy temperatura formy jest niska, środek antystatyczny migruje szybko, poprawiając w ten sposób właściwości antystatyczne.
Istnieją dwie metody testowania służące do oceny skuteczności środków antystatycznych: metoda rezystancji powierzchniowej (wskaźnika) i metoda zaniku elektrostatycznego. Obie metody są szeroko stosowane.
Zgodnie z definicją ASTMD257-78, rezystywność powierzchniowa materiału jest stosunkiem gradientu potencjału do prądu przepływającego przez jednostkę szerokości powierzchni materiału, co jest ogólnie związane z geometrycznym kształtem próbki. Umieść dwie elektrody po tej samej stronie powierzchni próbki z tworzywa sztucznego i przyłóż do elektrod prąd stały; Zmierz prąd przepływający przez próbkę i oblicz rezystancję; Następnie przedstaw wyniki pomiaru rezystywności powierzchniowej w omach.
Zgodnie z definicją Federal Test Method 4046, rozpad elektrostatyczny odnosi się do szybkości rozładowania ładunków indukowanych. Umieść próbkę (zwykle cienką płytkę lub folię) między dwiema elektrodami, w odległości kilku milimetrów między elektrodami a powierzchnią próbki. Jedna elektroda jest podłączona do źródła zasilania, a druga elektroda jest podłączona do amperomierza i rejestratora. Zmiana pola elektrycznego spowodowana ładunkiem indukowanym przez jedną elektrodę na powierzchni próbki jest mierzona przez drugą elektrodę. Próbki antystatyczne będą wykazywać rozpad ładunków indukowanych. Okres półtrwania rozpadu (w sekundach) to czas, w którym ładunek zanika o połowę od swojej początkowej wartości.
Inną powszechnie stosowaną standardową metodą testowania w przemyśle jest standard amerykański, który jest używany do pakowania produktów elektronicznych. Wybór odpowiedniej metody zależy od ostatecznego zastosowania plastiku, który ma zostać przetestowany.
Rezystywność elektryczna samego plastiku wynosi 1014 omów. Po dodaniu środków antystatycznych zgodnie z ilością podaną w Tabeli A, rezystywność elektryczna może zmniejszyć się do 1013 do 109 omów. Jeśli chcemy dalej zmniejszyć rezystywność, możemy polegać jedynie na poprawie przewodności, np. stosując przewodzącą sadzę.
Technologia opakowań antystatycznych jest rozwijana w celu podkreślenia kwestii środowiskowych. Szeroko stosowana etoksylowana alkiloamina jest obecnie pakowana w wielokrotnego użytku pojemniki zbiorcze. Dostawcy mają tendencję do produkcji środków antystatycznych o wyższym stężeniu, które można rozcieńczać zgodnie z potrzebami przetwarzania po dostarczeniu do użytkowników. Celem tego jest obniżenie kosztów przetwarzania odpadów stałych. Dzięki opracowaniu środków antystatycznych o wysokim stężeniu producenci mogą wysyłać więcej środków antystatycznych na raz i zmniejszyć liczbę pojemników opakowaniowych, którymi muszą się posługiwać użytkownicy.
Mówiąc technicznie, wiele prac badawczo-rozwojowych nadal koncentruje się wokół rynku opakowań produktów elektronicznych. Etoksylowany lauryloamid, powszechnie uważany za środek antystatyczny bez aminy, jest powszechnie stosowany w tej dziedzinie. Ilość etoksylowanej lauryloaminy stosowanej w formowanych rozdmuchowo foliach LDPE i LLDPE również wzrasta, ponieważ jej działanie antystatyczne jest również lepsze w warunkach niskiej wilgotności. Koncentrat i masterbatch tego produktu można również kupić. Etoksylowaną stearoftalaminę (zawierającą w pełni nasycone 18-węglowe łańcuchy alkilowe) zastosowano w produkcji dwuosiowo zorientowanych folii polipropylenowych. W tym procesie produkcyjnym wysokie temperatury przetwarzania wymagają, aby środki antystatyczne miały wysoką stabilność termiczną.