| 抗靜電劑在功能母粒中的應(yīng)用 | |||||||||||||||||
| 發(fā)布者：admin 發(fā)布時(shí)間：2017/5/1 閱讀：5727次 | |||||||||||||||||
抗靜電劑在功能母粒中的應(yīng)用 王曉霞 王愛芹 郭路東 孫風(fēng)鵬 孟凡剛 王立偉 （淄博海曼拓邦化工科技有限公司 山東 淄博 255400 濱州市聚力化工有限公司 濱州 博興 256500）
摘要：在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)及日常生活中，靜電危害往往造成重大損失和災(zāi)難。防止聚合物表面產(chǎn)生靜電的方法主要有空氣離子化法、加濕法、金屬接觸放電法、輻射線法、導(dǎo)電物質(zhì)介入法、表面形成吸濕膜法、化學(xué)處理變形法及應(yīng)用抗靜電劑法等。其中，主要應(yīng)用于塑料制品使用過程中的是摻入導(dǎo)電物質(zhì)和添加抗靜電劑。加入的導(dǎo)電物質(zhì)一般為金屬粉或金屬短纖維、導(dǎo)電炭黑、導(dǎo)電聚合物短纖維等，能使制品具有良好的導(dǎo)電性（表面電阻率<106Ω）或抗靜電性（表面電阻率<106~108Ω之間）。金屬化合物的抗靜電效果較好，但是價(jià)格較高，普通制品接受不了。 目前應(yīng)用最多的抗靜電方式是添加抗靜電劑�？轨o電劑是一種能防止產(chǎn)生靜電荷，或能有效的消散靜電荷的以表面活性劑為主體的化學(xué)添加劑�，F(xiàn)代主要使用的抗靜電劑可以根據(jù)表面活性劑的種類分為陽離子、陰離子和非離子化合物，以及外部抗靜電劑。陽離子化合物的活性分子部分通常包括一個(gè)含有長鏈烷基的大體積陽離子（季銨鹽，磷酸鹽或硫酸鹽）。陰離子化合物中的活性分子部分是陰離子，大多數(shù)是硫酸烷基、羧酸鹽、磷酸鹽、二硫化氨基甲酸鹽。堿金屬也經(jīng)常做為陽離子化合物應(yīng)用在塑料行業(yè)中。非離子化合物主要是指具有很低的極性的不帶電的表面活性分子。已經(jīng)被市場驗(yàn)證和廣泛使用的有，聚乙二醇酯或醚、脂肪酸酯或乙醇酰胺、單-或甘油二酯或乙氧基脂肪胺。外部抗靜電劑主要通過水或醇溶液沉積到表面上。陽離子化合物和陰離子化合物在使用過程中，會(huì)降低聚合物的熱穩(wěn)定性并且與非離子化合物相比，要采用5-10倍的添加比例才能具有抗靜電效果，所以現(xiàn)在市面上存在的內(nèi)添加型抗靜電劑已經(jīng)大部分是非離子化合物。由于非離子化合物的產(chǎn)品的外觀狀態(tài)是液體或者具有低軟化點(diǎn)的蠟狀固體。對(duì)于塑料制品的生產(chǎn)廠家，很難直接把非離子化合物直接混料直接吹膜、注塑、擠出。在市場上，大部分抗靜電劑是以功能母粒的形式被大家使用的。
關(guān)鍵詞：陽離子化合物 陰離子化合物 非離子化合物 表面活性劑 長效抗靜電劑 永久抗靜電劑 外部抗靜電劑
一．抗靜電劑的作用機(jī)理
階段1.薄膜在擠壓工程中，抗靜電劑均勻分布在薄膜里面； 階段2.數(shù)小時(shí)或數(shù)天后，抗靜電將覆蓋在表面； 階段3.抗靜電劑產(chǎn)生的親水頭與空氣接觸，從周圍的空氣中吸收水分而起到抗靜電的效果。
二．導(dǎo)電材料和抗靜電材料的表面電阻率的區(qū)別
從抗靜電性能的檢測和評(píng)價(jià)指標(biāo)表面電阻率可用于區(qū)分抗靜電材料和導(dǎo)電材料的區(qū)別，如表所示： 表1.導(dǎo)電材料和抗靜電材料的表面電阻率/Ω(23℃,RH50%)
三. 永久性抗靜電劑
永久性抗靜電劑，抗靜電性能相對(duì)較好且穩(wěn)定持久。基礎(chǔ)樹脂與永久性抗靜電劑之間以合金形式共混，細(xì)微而均勻地分散成線狀或網(wǎng)狀“導(dǎo)電網(wǎng)格”。親水性聚合物（或其共聚物）與基體高分子組成的共混體系的結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)現(xiàn)，親水性聚合物在特殊相容劑存在下，經(jīng)較低的剪切力拉伸后，在基體高分子表面呈微細(xì)的筋狀，即層狀分散結(jié)構(gòu)，而中心部分則接近球狀分布。這種“蕊殼”結(jié)構(gòu)中的親水性聚合物的層狀分散狀態(tài)能有效地降低共混物表面電阻，并且具有永久抗靜電性能。 永久型抗靜電劑可分為離子型和聚醚型兩類。離子型是通過高分子化學(xué)反應(yīng)將小分子鹽類引入高分子側(cè)基得到的，如季銨鹽型和磺酸鹽型。聚醚型如PEG型，包括聚酰胺或聚酯酰胺的聚氧乙烯醚體系，甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯共聚物等；與低分子量的表面活性劑類抗靜電劑相比，永久型抗靜電劑具有抗靜電性能持久，對(duì)空氣的相對(duì)濕度依賴性小，對(duì)制品的表面性能影響小等優(yōu)點(diǎn)。具有良好的永久性和及時(shí)性，并且能夠在低濕度環(huán)境下也具有良好的抗靜電效果。
四．影響抗靜電效果的因素
1.分子結(jié)構(gòu)和特征以及基團(tuán)性質(zhì) 抗靜電劑的效果首先取決于它作為表面活性劑的基本特征--表面活性。 表面活性與分子中親水基種類、憎水基種類、分子的形狀、分子量大小等有關(guān)。當(dāng)抗靜電劑分子在界面上作定向吸附時(shí)，不僅與基體的性質(zhì)有關(guān)，而且還與表面活性劑的性質(zhì)有關(guān)。根據(jù)極性相似規(guī)則，表面活性劑分子的碳?xì)滏湶糠謨A向與高分子鏈段接觸，極性基團(tuán)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(guī)則的面向空氣中的水的親水吸附層。在空氣濕度相同的情況下，親水性好的抗靜電劑分子會(huì)結(jié)合更多的水，使得聚合物表面吸附更多的水，離子電離的條件更充分，從而改善抗靜電效果。 通過質(zhì)子置換，也能發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移。含有羥基或氨基的抗靜電劑，可以通過氫鍵連成鏈狀，在較低的濕度下也能起作用。
2.添加量的影響 抗靜電劑的添加量視制品用途而異。 CMC（臨界膠束濃度）值是表面活性劑表面活性的一種量度。CMC值越小，表面活性劑達(dá)到表面（界面）吸附的濃度越低，或形成膠束所需濃度越低，因此抗靜電性的起效濃度越低。不同結(jié)構(gòu)的抗靜電劑添加量不同，并且隨著制品形式的不同而不同。添加量有一個(gè)范圍。過低，抗靜電效果不明顯，過高，會(huì)影響材料的物理機(jī)械性能。薄片、片材等薄制品的添加量較少，厚制品的添加量則相對(duì)較多。
3.高聚物的結(jié)構(gòu)、玻璃化溫度等的內(nèi)在特征影響 基材樹脂除表面活性劑的結(jié)構(gòu)和性能外，抗靜電性還與高聚物的結(jié)構(gòu)、玻璃化溫度、結(jié)晶性能、介電常數(shù)及表面性能等有關(guān)。表面性能中除表面形狀、多孔性等以外，最主要的是表面能或表面張力。 此外，基材樹脂的結(jié)構(gòu)、結(jié)晶度和取向度（伸長率）、密度、孔隙率對(duì)抗靜電效果也具有較大影響�？轨o電劑只能存在于高聚物的非晶區(qū)域，并在其中活動(dòng)。聚合物分子鏈的規(guī)整性越好，越容易結(jié)晶；結(jié)晶度越大，密度越大，則非結(jié)晶區(qū)越小，抗靜電劑可活動(dòng)的區(qū)域越小，致使其向外遷出困難。對(duì)于聚烯烴，加入抗靜電劑的LDPE在加工后很快就顯現(xiàn)抗靜電效果并達(dá)到平衡。HDPE呈現(xiàn)一定滯后，而PP則很慢才出現(xiàn)抗靜電效果。 高聚物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度會(huì)直接影響抗靜電劑分子向表面遷移。玻璃化溫度低的高聚物，在室溫下其鏈段能“自由”運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)能促進(jìn)鏈段周圍的抗靜電分子遷移至表面。玻璃化溫度高的高聚物，在室溫下鏈段處于“凍結(jié)”狀態(tài)，不利于抗靜電分子遷移。
4.環(huán)境的影響 添加型抗靜電劑發(fā)揮抗靜電效果大多是靠吸附水作為離子的電離場所來進(jìn)行導(dǎo)電，因此空氣濕度的大小將對(duì)抗靜電效果產(chǎn)生較大的影響。
表2.低密度聚乙烯中抗靜電劑的作用效果隨濕度的變化關(guān)系
5.其他添加劑的影響 高聚物材料加工時(shí)，往往要添加一些穩(wěn)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(huì)對(duì)抗靜電效果產(chǎn)生很大影響。例如：陰離子型穩(wěn)定劑會(huì)與陽離子型抗靜電劑形成復(fù)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(zhuǎn)移。
抗靜電劑與各種添加劑的影響大小，事先很難猜測，目前大多數(shù)是通過實(shí)驗(yàn)來選用最合適的抗靜電劑和用量。
五．海曼拓邦推出的抗靜電劑HT-090系列產(chǎn)品 陽離子化合物和陰離子化合物因?yàn)榻档土司酆衔锏臒岱�(wěn)定性，它們的應(yīng)用還是很有限的。 海曼拓邦推出的抗靜電劑HT-090系列產(chǎn)品屬于非離子化合物。非離子化合物由于極性低，這類化合物是聚乙烯或聚丙烯的理想抗靜電劑，因?yàn)樗鼈兊南嗳菪院芎�。由于聚乙烯和聚丙烯的型�?hào)不同，它們的密度、結(jié)晶度及形態(tài)不同，可以通過調(diào)整烷基鏈的長度及羥基或醚基的數(shù)目來選擇每一個(gè)抗靜電劑的最佳化學(xué)結(jié)構(gòu)，所以在具體的塑料中的抗靜電劑都具有高效率。 表3.應(yīng)用對(duì)比
結(jié)論： 海曼拓邦HT-090系列抗靜電劑產(chǎn)品，由于該抗靜電劑非極性鏈段的長度適合，粘度低，極性基團(tuán)的活性強(qiáng)，抗靜電分子不容易局部富集，同時(shí)在加工過程中的高溫和高壓環(huán)境下，不容易增加抗靜電劑分子的動(dòng)能，分子間相互碰撞的機(jī)會(huì)少，降低了在非晶間內(nèi)締合成由親水的極性基團(tuán)構(gòu)成內(nèi)核，親油基和烴基構(gòu)成外層的逆膠束，能較快的到達(dá)臨界濃度。一般在制品中添加本品0.2~3%則能達(dá)到優(yōu)良的抗靜電效果。是目前為止使用效果較好的抗靜電劑之一。
參考文獻(xiàn)：塑料添加劑手冊/[德]R.根赫特 H.米勒主編；成國祥 姚康德等譯—北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000 P611-P616
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