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抗靜電劑種類有哪些?抗靜電劑工業使用方法

發布日期:2019-03-15

抗靜電劑資訊導讀:抗靜電劑是添加在塑料之中或涂敷于模塑制品的表面,以達到減少靜電積累目的的一類添加劑。

抗靜電劑是什么

任何物體都帶有本身的靜電荷,這種電荷可以是負電荷也可以是正電荷,靜電荷的聚集使到生活或者工業生產受到影響甚至危害,將聚集的有害電荷導引/消除使其不對生產/生活造成不便或危害的化學品稱為抗靜電劑。

通常根據使用方法的不同,抗靜電劑可分為內加型和外涂型兩大類,用于塑料的主要是內加型抗靜電劑。也可按抗靜電劑的性能分為暫時性的和永久性的兩大類。

抗靜電劑分類

根據使用方式的不同, 抗靜電劑可以分為外涂型和內混型兩種。

外涂型抗靜電劑

外涂型抗靜電劑是指涂在高分子材料表面所用的一類抗靜電劑。一般用前先用水或乙醇等將其調配成質量分數為 0、5 %~2、0 %的溶液 ,然后通過涂布、噴涂或浸漬等方法使之附著在高分子材料表面 , 再經過室溫或熱空氣干燥而形成抗靜電涂層。此種多為陽離子型抗靜電劑 , 也有一些為兩性型和陰離子型抗靜電劑。

內混型抗靜電劑

內混型抗靜電劑是指在制品的加工過程中添加到樹脂內的一類抗靜電劑。常將樹脂和添加其質量的0、3 %~3、0 %的抗靜電劑先機械混合后再加工成型。此種以非離子型和高分子永久型抗靜電劑為主 , 陰、陽離子型在某些品種中也可以添加使用。各種抗靜電劑分子除可賦予高分子材料表面一定的潤滑性、降低摩擦系數、抑制和減少靜電荷產生外 , 不同類型的抗靜電劑不僅化學組成和使用方式不同 , 而且作用機理也不同。
根據用法的不同,表面活性抗靜電劑有兩種,即外用的和內用的。

外用的抗靜電劑

外用的、或局部的抗靜電劑是通過噴撒、擦搽或浸漬而施于聚合物的表面。這種外用抗靜電劑雖然適用于多種聚合物,但它們的效力只是暫時的,事后與溶劑接觸或與它物磨擦很容易失掉。

內用抗靜電劑

內用抗靜電劑則是在聚合物加工過程中摻合于其中。這樣的表面活性抗靜電劑能夠補充因搬運處理而被磨蝕的抗靜電功能。這種內用抗靜電劑的作用有賴于噴霜。這里噴霜的意思是指加入于樹脂中的內用抗靜電劑部分地向聚合物表面遷移的過程。因此,內用抗靜電劑具有長期的抗靜電保護作用。

表面活性抗靜電劑可分為陽離子型的、陰離子型的和非離子型的。

陽離子抗靜電劑

通常是些長鏈的烷基季銨、磷或鏻鹽,以氯化物作平衡離子。它們在極性基質中,如硬質聚氯乙烯和苯乙烯類聚合物中效果很好,但對其熱穩定性有不良影響。這類抗靜電劑通常不得用于與食物接觸的物品中;而且抗靜電效果僅為乙氧基化胺類之類內用抗靜電劑的1/5到1/10。

陰離子抗靜電劑

通常是些烷基磺酸、磷酸或二硫代氨基甲酸的堿金屬鹽,也是主要用于聚氯乙烯和苯乙烯類樹脂中;它們在聚烯烴類樹脂中的應用效果與陽離子抗靜電劑相似。在陰離子抗靜電劑中,烷基磺酸鈉已廣泛應用于苯乙烯系樹脂、聚氯乙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯和聚碳酸酯中。

非離子型抗靜劑

如乙氧基化脂肪族烷基胺代表著最大的一類抗靜電劑。它們廣泛地應用于聚乙烯、聚丙烯、ABS和其他苯乙烯系聚合物中。生產銷售的有好幾種乙氧基化烷基胺,其區別在于烷基鏈的長度和不飽和度的大小。乙氧基化烷基胺是很有效的抗靜電劑,即使是在相對濕度低的情況下亦然,而且長期有效。這類抗靜電劑已獲聯邦食品醫藥管理局批準,應用于與食品間接接觸的物品中,其他商業上有價值的非離子型抗靜電劑還有乙氧基化烷基酸胺,如乙氧基月桂酷胺,及甘油一硬脂酸酯(GMS)。乙氧基月桂酷胺適用于在濕度小的環境里使用的聚乙烯和聚丙烯,而且要求有速效長效的抗靜電功能的場合。GMS類抗靜電劑則只考慮用于加工過程中的靜電保護。盡管GMS向聚合物表面遷移的速度快,但它不能像乙氧基化烷基胺或乙氧基化烷基酸胺那樣發揮持久的抗靜電作用。


抗靜電劑工作原理

外涂型抗靜電劑的作用機理

此類抗靜電劑加到水里 , 抗靜電劑分子中的親水基就插入水里 , 而親油基就伸向空氣。當用此溶液浸漬高分子材料時 , 抗靜電劑分子中的親油基就會吸附于材料表面。浸漬完后干燥 , 脫出水分后的高分子材料表面上 , 抗靜電劑分子中的親水基都向著空氣一側排列 , 易吸收環境水分 , 或通過氫鍵與空氣中的水分相結合 , 形成一個單分子導電層 , 使產生的靜電荷迅速泄漏而達到抗靜電目的。

表面活性劑類內混型抗靜電劑的作用機理

在高分子材料成型過程中 , 如果其中含有足夠濃度的抗靜電劑 , 當混合物處于熔融狀態時 , 抗靜電劑分子就在樹脂與空氣或樹脂與金屬 (機械或模具) 的界面形成最稠密的取向排列 , 其中親油基伸向樹脂內部 , 親水基伸向樹脂外部。待樹脂固化后 , 抗靜電劑分子上的親水基都朝向空氣一側排列 , 形成一個單分子導電層。在加工和使用中 , 經過拉伸、摩擦和洗滌等會導致材料表面抗靜電劑分子層的缺損 , 抗靜電性能也隨之下降。但是不同于外涂敷型抗靜電劑 , 經過一段時間之后 , 材料內部的抗靜電劑分子又會不斷向表面遷移 , 使缺損部位得以恢復 , 重新顯示出抗靜電效果。由于以上兩種類型抗靜電劑是通過吸收環境水分 , 降低材料表面電阻率達到抗靜電目的 , 所以對環境濕度的依賴性較大。顯然 , 環境濕度越高 , 抗靜電劑分子的吸水性就越強 , 抗靜電性能就越顯著。

高分子永久型抗靜電劑的作用機理

高分子永久型抗靜電劑是近年來研究開發的一類新型抗靜電劑 , 屬親水性聚合物。當其和高分子基體共混后 , 一方面由于其分子鏈的運動能力較強 , 分子間便于質子移動 , 通過離子導電來傳導和釋放產生的靜電荷; 另一方面 , 抗靜電能力是通過其特殊的分散形態體現的。研究表明: 高分子永久型抗靜電劑主要是在制品表層呈微細的層狀或筋狀分布 , 構成導電性表層 , 而在中心部分幾乎呈球狀分布 , 形成所謂的“芯殼結構”, 并以此為通路泄漏靜電荷。因為高分子永久型抗靜電劑是以降低材料體積電阻率來達到抗靜電效果 , 不完全依賴表面吸水 , 所以受環境的濕度影響比較小。


抗靜電劑使用方法

抗靜電劑的使用方法有涂布法和共混法兩種。涂布法具有見效快、用料省,對抗靜電劑的耐熱性要求低等優點,但抗靜電效果不能持久,經過水洗、摩擦后,抗靜電劑涂層會消失。而共混法具有耐洗滌、耐摩擦,抗靜電效果持久,使用方法簡單等優點。

涂布法操作要點

涂布法操作分清洗配液、涂布和干燥四個工序。
(1) 清洗為了得到均一密實的抗靜電劑涂膜,涂刷抗靜電劑前,必須對塑料表面進行清洗,徹底除去表面灰塵、油脂等。可用1%左右的中性洗滌劑溶液清洗。清洗后需要放置在無塵室內晾干。
(2) 配液用乙醇、酯類或水將抗靜電劑配成0.2~2%濃度的溶液,溶液的濃度在保證抗靜電效果的前提下,盡可能稀一些,因為濃度高的溶液會發粘,容易吸附灰塵。
(3) 涂布根據制品的形狀等選擇涂布方法,常用的涂布方法有直接法、浸漬法和噴涂法等幾種。直接法是用棉布、法蘭絨、毛刷和輥筒等工具將抗靜電劑液涂布在制品上。它簡便有效,使用最廣。浸漬法是將制品浸入抗靜電劑液中,它適用于形狀復雜或數量很大的小型制品。噴涂法是用噴槍將抗靜電劑液噴涂在制品上,它有速度快,效率高,涂膜均勻等優點。
(4) 干燥涂布后的制品應充分干燥,使涂膜層硬化,在溫度30-40℃,濕度60-80%的條件下,大約需要干燥3個小時。干燥后還要在自然環境條件下放置5個小時。

共混法操作要點

共混法是將抗靜電劑與樹脂混合后再加工成型,制成具有抗靜電的制品。常用的抗靜電劑有陽離子型和兩性離子型。抗靜電劑是易吸濕性化臺物,含有一定量的水份。在成塑過程中,少量水份的存在就會造成制品質量下降,故抗靜電劑在加到樹脂前應充分干燥。可在70-80℃的熱風下,干燥4個小時。抗靜電劑的加入量應根據抗靜電劑本身的性能、樹脂的種類,加工條件、制品形態以及對抗靜電效果的要求程度而定,一般加入量為0.3~3%。薄的制品的加入量比厚制品要少。


抗靜電劑使用注意事項

靜電利與弊的利用和防止靜電的危害很多,它的第一種危害來源于帶電體的互相作用。在飛機機體與空氣、水氣、灰塵等微粒摩擦時會使飛機帶電,如果不采取措施,將會嚴重干擾飛機無線電設備的正常工作,使飛機變成聾子和瞎子;在印刷廠里,紙頁之間的靜電會使紙頁粘合在一起,難以分開,給印刷帶來麻煩;在制藥廠里。 由于靜電吸引塵埃,會使藥品達不到標準的純度;在放電視時熒屏表面的靜電容易吸附灰塵和油污,形成一層塵埃的薄膜,使圖像的清晰程度和亮度降低;就在混紡衣服上常見而又不易拍掉的灰塵,也是靜電搗的鬼。
靜電的第二大危害,是有可能因靜電火花點燃某些易燃物體而發生爆炸。漆黑的夜晚,我們脫尼龍、毛料衣服時,會發出火花和“叭叭”的響聲,這對人體基本無害。但在手術臺上,靜電火花會引起麻醉劑的爆炸,傷害醫生和病人;在煤礦,則會引起瓦斯爆炸,會導致工人死傷,礦井報廢。


抗靜電劑結構特征

抗靜電劑一般都具有表面活性劑的特征,結構上極性基團和非極性基團兼而有之。常用的極性基團(即親水基)有:羧酸、磺酸、硫酸、磷酸的陰離子,胺鹽、季銨鹽的陽離子,以及-OH、-O-等基團,常用的非極性基團(即親油基或疏水基)有:烷基、烷芳基等,從而形成了纖維工業常用的五種基本類型的ASA,即胺的衍生物,季銨鹽,硫酸酯、磷酸酯以及聚乙二醇的衍生物。


抗靜電劑制備配方

一般情況下抗靜電劑是在密煉機或擠出機中與顏料和其他助劑一起混配。從技術上講,純抗靜電劑,如乙氧基化烷基胺,還有另外一個優點,那就是在液體注射成型過程中它可以熔融,從而起顏料母料分散劑的作用。抗靜電劑母料可以直接加入到最終加工設備中去。內用抗靜電劑的作用與最終制品的生產加工條件有很大關系。例如,注射成型制品的抗靜電性能取決于模具的溫度。通常,模具的溫度較低時,抗靜電劑遷移較快,從而改善抗靜電性能。評價抗靜電劑效果的測試方法有兩個:表面電阻(率)法和靜電衰變法;這兩種方法都在廣泛地使用。


抗靜電劑發展前景

在我國,隨著人們環保意識的不斷增強,綠色化工已成為今后發展的主要方向。各類低毒、無毒的抗靜電劑將越來越受到食品包裝業、電子產業的青睞,這類抗靜電劑的研究已日益受到關注。
(1)非離子型抗靜電劑 由于非離子型抗靜電劑熱穩定性能好,價格較便宜,使用方便,對皮膚無刺激.是抗靜電基材中不可缺少的抗靜電劑,具有良好的應用前景。
(2)復合型抗靜電劑 復合型抗靜電劑是利用各組分的協調效應原理開發出來的,各組分互補性強,抗靜電效果遠優于單一組分。但要注意各種抗靜電劑之間的對抗作用。如陽離子型和陰離子型的抗靜電劑不能同時使用。
(3)多功能濃縮抗靜電母粒 由于抗靜電劑多為粘稠液體,而且其中一部分為極性聚合物,在塑料中分散困難,帶來使用上的不便。多功能濃縮母粒分散性均勻,操作方便,


抗靜電劑影響因素

分子結構和特征基團性質及添加量

抗靜電劑的效果首先取決于它作為表面活性劑的基本特性―表面活性。表面活性與分中親水基種類、憎水基種類 、分子的形狀 、分子量大小等有關。當抗靜電劑分子在相界面作定向吸附時,就會降低相界面的自由能及水和塑料之間的臨界接觸角。這種吸附作用 ,僅與基體的性質有關 , 而且還與表面活性劑的性質有關 。 根據極性相似規則,表面活性劑分子的碳氫鏈部分傾向與高分子鏈段接觸,極性基團部分傾向與空氣中的水接觸。高分子材料作為疏水材料,抗靜電劑在其表面的主要作用就是形成規則的面向空氣中的水的親水吸附層。

抗靜電劑與聚合物的相容性遵循極性相近相容原理

高分子材料都具有長碳鏈結構,多屬非極性樹脂,有的具有極性端基,增強了極性 。抗靜電劑同時具有憎水基( 非極性 )和親水基( 極性 )。一般憎水基碳鏈越長,與聚合物的相容性越好。親水基若極性很強,則與聚合物的相容性不好;若極性較弱,則親水吸附性較差。相容性太好,抗靜電劑不易遷出,達不到抗靜電效果;相容性不好,遷出太快,持效期太短,影響長期使用。因此在設計和使用抗靜電劑時需要考慮上述因素,通過實驗篩選抗靜電劑的品種及最佳使用量。

其它添加劑的影響

高聚物材料加工時 , 往往要添加一些穩定劑 、 顏料 、 增塑劑 、 潤滑劑 、 分散劑或阻燃劑等助劑 。 這些添加劑與抗靜電劑的相互作用也會對抗靜電效果產生很大影響。例如陰離子型穩定劑會與陽離子型抗靜電劑形成復合物,從而降低各自的效果。潤滑劑通常能很快遷移到高聚物表面上,抑制了抗靜電劑的轉移。若潤滑劑分子層覆蓋在抗靜電劑分子層上,會使抗靜電劑表面濃度降低,顯著影響抗靜電效果 ; 有時由于潤滑劑的影響 , 也會促進抗靜電劑向表面轉移。增塑劑會增加大分子鏈間的距離,使分子運動更為容易 , 提高了高聚物的孔隙率 ,有利于抗靜電劑向制品表面遷移發揮抗靜電作用。

加工過程的影響

聚合物制品的加工方式最終會影響制品中高分子鏈的規整程度 、 結晶度 、 結晶形態及有序化程度。若高聚物在熔融狀態下成型后,立即在低于其玻璃化溫度的室溫下進行冷卻 , 抗靜電劑就很難擴散到制品表面 , 從而沒有足夠的抗靜電效果 。 若制品在高于玻璃化溫度的溫度下冷卻 , 由于大分子鏈段運動有助于抗靜電劑擴散 , 這樣不僅制品能呈現出足夠抗靜電效果,而且即使用摩擦或水洗除去表面上的抗靜電劑,也能較迅速恢復其抗靜電效果。


抗靜電劑

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