Коли дві тверді речовини з різними агрегатними станами вступають у контакт і тертя одна об одну, на їхніх відповідних поверхнях відбувається перерозподіл зарядів. Після повторного відокремлення кожна тверда поверхня буде нести надлишок позитивного (або негативного) заряду порівняно з до контакту, що називається статичною електрикою. Для характеристики електропровідності матеріалу використовують поняття питомого опору. Питомий об’ємний опір – це відношення градієнта потенціалу, паралельного напрямку струму на поверхні матеріалу, до струму на одиницю ширини на поверхні. Як правило, полімери є високоізоляційними матеріалами з високим питомим електричним опором, тому, коли вони заряджені, їх важко усунути. У повсякденному житті під час ходьби по пластиковій підлозі тертя між підошвою взуття та підлогою може призвести до заряджання тіла людини. У важких випадках, якщо рука торкається дверної ручки або предмета, це також може спричинити виділення, викликаючи відчуття поколювання; Під час медичної операції стався ураження електричним струмом. В електронній промисловості електризація людини може легко порушити схеми, спричинивши пошкодження інтегральних схем; Текстильна промисловість викликає агрегацію волокон тощо.
Є два способи усунення статичної електрики в полімерах
(1) Додайте електропровідні наповнювачі, такі як метал, вуглецеве волокно та вуглець. Цей спосіб вимагає великої кількості наповнювача. Раптове зниження провідності наповнювача має досягати певного відсотка, щоб досягти антистатичного ефекту. Колір і якість продуктів з великою кількістю додавання будуть сильно обмежені. Наприклад, провідність ПП, наповненого технічним вуглецем, суттєво змінюється лише тоді, коли відсоток досягає 15%. У цей час колір матеріалу більше не може відповідати вимогам багатьох і красивих матеріалів. Металеві наповнювачі підвищують якість матеріалів. Наповнювачі з металевих волокон мають низьку якість, але схильні до руйнування та окислення під час обробки, що робить їх дорожчими.
(2) Додавання антистатичних засобів для активації поверхні та покращення поверхневої провідності: 1. Антистатичні засоби з поверхневим покриттям мають низьку міцність і легко втрачаються через тертя та миття, забезпечуючи лише тимчасовий або короткочасний антистатичний ефект. 2. Змішані антистатики мають високу довговічність, але вимагають високих вимог до антистатиків.
Антистатик
Генерація статичної електрики на пластикових поверхнях може спричинити різноманітні проблеми, наприклад перешкоду виробництву, іскри, що спричиняють вибухи, і пошкодження інтегральних схем електронних пристроїв. Загальним методом видалення статичної електрики є використання поверхнево-активних речовин, таких як антистатики, для зменшення опору поверхні полімерів. Завдяки гігроскопічності таких добавок вони вбирають вологу з атмосфери на поверхні полімеру, утворюючи тонку провідну плівку, яка швидко усуває статичну електрику. Важливу роль у цьому процесі відіграє вода. Зі збільшенням вологості повітря поверхнева провідність полімеру також покращується, спричиняючи швидку втрату статичного заряду та забезпечуючи хороші антистатичні властивості.
Відповідно до різного використання, існує два типи поверхнево-активних антистатиків, а саме зовнішні та внутрішні. Зовнішні або місцеві антистатики наносять на поверхню полімерів шляхом розпилення, протирання або просочення. Хоча цей зовнішній антистатик підходить для різних полімерів, його ефективність лише тимчасова, і її легко втратити після контакту з розчинниками або тертя об інші речовини. Внутрішні антистатики додаються під час обробки полімеру. Цей тип поверхнево-активного антистатичного агента може доповнювати антистатичну функцію, яка була порушена через використання. Дія цього внутрішнього антистатичного засобу залежить від морозного обприскування. Значення розпилення морозу тут відноситься до процесу, під час якого внутрішній антистатичний агент, доданий до смоли, частково мігрує на поверхню полімеру. Таким чином, внутрішні антистатики мають тривалий антистатичний ефект захисту.
Поверхнево-активні антистатики можна розділити на катіонні, аніонні та неіонні.
Катіонні антистатики зазвичай являють собою довголанцюгові солі четвертинного амонію, фосфору або свинцю з хлоридами як рівноважними іонами. Вони добре працюють у полярних матрицях, таких як твердий полівінілхлорид і полімери на основі стиролу, але негативно впливають на їх термічну стабільність. Цей тип антистатики зазвичай не дозволяється використовувати в предметах, що контактують з їжею; А антистатичний ефект становить лише від 1/5 до 1/10 ефекту внутрішніх антистатиків, таких як етоксильовані аміни.
Аніонні антистатики зазвичай являють собою солі лужних металів алкілсульфонової кислоти, фосфорної кислоти або дитіокарбамату і в основному використовуються в полівінілхлоридних і стирольних смолах; Ефект їх застосування в поліолефінових смолах подібний ефекту катіонних антистатиків. Алкілсульфонат натрію широко використовується в смолах на основі стиролу, полівінілхлориду, поліетилентерефталату та полікарбонату як аніонний антистатик.
Неіонні антистатики, такі як етоксильовані аліфатичні алкіламіни, представляють найбільший клас антистатиків. Вони широко використовуються в поліетилені, поліпропілені, АБС та інших полімерах на основі стиролу. Існує кілька етоксильованих алкіламінів, які зараз виробляються та продаються, з різницею в довжині алкільного ланцюга та ступенем ненасиченості. Етоксіалкіламін є високоефективним антистатиком, навіть в умовах низької відносної вологості, і діє протягом тривалого часу. Цей тип антистатичного засобу схвалено Федеральним управлінням з контролю за продуктами й ліками для використання в предметах, які непрямо контактують з харчовими продуктами. Інші комерційно цінні неіонні антистатики включають етоксильований алкіламін, такий як етоксильований лауроіламін, і моностеарат гліцерину (GMS). Етоксилауриламін підходить для поліетилену та поліпропілену, що використовується в середовищах з низькою вологістю, і вимагає швидких і тривалих антистатичних функцій. Антистатичні засоби GMS розглядаються лише для електростатичного захисту під час обробки. Хоча GMS швидко мігрує на поверхню полімерів, він не може мати тривалий антистатичний ефект, як етоксильований алкіламін або етоксильований алкіламін.
Для утворення концентрованої маткової суміші можна змішувати до 75% рідини або етоксилованих алкільних груп і полімерів з низькою температурою плавлення. Ці маткові суміші є сипучими сферичними продуктами, які легко транспортувати та легко диспергувати під час змішування. Переваги маткової суміші етоксильованого алкіламіну можна підсумувати наступним чином:
(1) Хороша здатність до диспергування з додаванням попередньо диспергованих активних матеріалів.
(2) Невеликий продукт у формі кулі з хорошою транспортабельністю та вільним потоком, який легко вимірювати та змішувати.
(3) Хороша продуктивність обробки з меншим ковзанням шнека в екструдері.
Вибір і дозування антистатиків залежать від властивостей полімеру, методів обробки, умов обробки, видів і кількості інших добавок, відносної вологості і кінцевого використання полімеру. Час, необхідний для отримання достатнього антистатичного ефекту, змінюється, а швидкість і тривалість антистатичного захисту можна збільшити шляхом збільшення концентрації антистатичного агента. Однак надмірне використання антистатичних засобів може призвести до слизької поверхні кінцевого продукту, що може погіршити якість друку або склеювання. Необроблені неорганічні наповнювачі та пігменти можуть адсорбувати молекули антистатиків на своїх поверхнях, тим самим знижуючи ефективність антистатиків. Це явище можна компенсувати збільшенням кількості використовуваного антистатика. Однак для продуктів, які контактують з харчовими продуктами, кількість доданих антистатичних речовин має відповідати нормам Федерального управління з контролю за продуктами й ліками (див. Кодекс федеральних правил, 21 (21CFR)). (Кодекс федеральних правил, розділ 21 (21CFR)).
При використанні поліетилену вибір етоксильованого алкіламінового антистатика повинен враховувати його фізичну форму, таку як паста, рідина, дрібні частинки або тверда речовина. Якщо етоксильований жирний амін неможливо обробити через його пастоподібність, можна використовувати рідкий етоксильований олеамін. За умов високотемпературної обробки (вище 180 градусів) можна вибрати етоксильований стеарфталамін. Якщо потрібен швидкий антистатичний ефект, можна вибрати етоксильований лауриламін. Питання, які необхідно враховувати при використанні поліпропілену, подібні до тих, що виникають при використанні поліетилену. Незалежно від типу смоли, що використовується, слід враховувати нормативні обмеження Федерального управління з контролю за якістю харчових продуктів і медикаментів для різних застосувань. При використанні для полімерів на основі стиролу рекомендується вибрати етоксильований кокосовий амін або одну з відповідних маткових сумішей.
Змішування та обробка
Як правило, антистатики змішують з пігментами та іншими добавками в міксері або екструдері. Технічно кажучи, чисті антистатики, такі як етоксильований алкіламін, мають ще одну перевагу, яка полягає в тому, що вони можуть плавитися під час лиття під тиском рідини, таким чином діючи як диспергатори для маткової суміші пігменту. Маткову суміш антистатичного агента можна безпосередньо додавати до обладнання для кінцевої обробки. Дія внутрішніх антистатиків тісно пов’язана з умовами виробництва та обробки кінцевого продукту. Наприклад, антистатичні властивості виробів, виготовлених під тиском, залежать від температури прес-форми. Зазвичай, коли температура прес-форми низька, антистатичний агент швидко мігрує, тим самим покращуючи антистатичні характеристики.
Існує два методи тестування для оцінки ефективності антистатичних засобів: метод поверхневого опору (швидкості) і метод електростатичного розпаду; Обидва способи широко використовуються.
Згідно з визначенням ASTMD257-78, питомий поверхневий опір матеріалу – це відношення градієнта потенціалу до струму, що проходить через одиницю ширини поверхні матеріалу, що зазвичай пов’язано з геометричною формою зразка. Розташуйте два електроди з однієї сторони поверхні пластикового зразка та подайте на електроди постійний струм; Виміряти силу струму, що проходить через зразок, і розрахувати опір; Потім представити результати вимірювання питомого поверхневого опору в Омах.
Згідно з визначенням Федерального методу випробувань 4046, електростатичний розпад відноситься до швидкості розряду індукованих зарядів. Помістіть зразок (зазвичай тонку пластину або плівку) між двома електродами на відстані в декілька міліметрів між електродами та поверхнею зразка. Один електрод підключають до джерела живлення, а другий — до амперметра та самописця. Зміна електричного поля, викликана зарядом, індукованим одним електродом на поверхні зразка, вимірюється іншим електродом. Антистатичні зразки демонструватимуть розпад індукованих зарядів. Період напіврозпаду (у секундах) — це час, потрібний заряду для розпаду вдвічі від початкового значення.
Іншим широко використовуваним стандартним методом тестування в промисловості є американський стандарт, який використовується для упаковки електронних виробів. Вибір відповідного методу залежить від кінцевого використання пластику, який необхідно перевірити.
Питомий електричний опір самого пластику становить 1014 Ом. При додаванні антистатичних речовин відповідно до кількості, зазначеної в таблиці А, питомий електричний опір може зменшитися до 1013-109 Ом. Якщо ми хочемо ще більше зменшити питомий опір, ми можемо покладатися лише на покращення провідності, наприклад, за допомогою електропровідної сажі.
Технологія антистатичного пакування розробляється, щоб підкреслити екологічні проблеми. Широко використовуваний етоксильований алкіламін тепер упаковується в багаторазові контейнери. Постачальники, як правило, виробляють антистатичні засоби з вищою концентрацією, які можна розбавити відповідно до потреб обробки після доставки користувачам. Мета цього – здешевити переробку ТПВ. Розробляючи антистатичні агенти високої концентрації, виробники можуть відправляти більше антистатичних агентів одночасно та зменшити кількість пакувальних контейнерів, які мають обробляти користувачі.
Технічно кажучи, багато досліджень і розробок все ще обертаються навколо ринку упаковки електронних продуктів. Етоксильований лауриламід, який зазвичай розглядається як антистатик без амінів, зазвичай використовується в цій галузі. Кількість етоксильованого лауриламіну, що використовується в плівках LDPE та LLDPE для видувного формування, також зростає, оскільки його антистатичний ефект також кращий за умов низької вологості. Також можна придбати концентрат і маткову суміш цього продукту. Етоксильований стеарофталамін (містить повністю насичені 18 вуглецевих алкільних ланцюгів) був застосований у виробництві біаксіально орієнтованих поліпропіленових плівок. У цьому виробничому процесі високі температури обробки вимагають антистатичних засобів, які мають високу термічну стабільність.