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怎么使用抗静电剂?抗静电剂分类和作用原理及使用方法

发布日期:2019-03-15


抗静电剂资讯导读:抗静电剂是添加在塑料之中或涂敷于模塑制品的表面,以达到减少静电积累目的的一类添加剂。


抗静电剂是什么

任何物体都带有本身的静电荷,这种电荷可以是负电荷也可以是正电荷,静电荷的聚集使到生活或者工业生产受到影响甚至危害,将聚集的有害电荷导引/消除使其不对生产/生活造成不便或危害的化学品称为抗静电剂。

通常根据使用方法的不同,抗静电剂可分为内加型和外涂型两大类,用于塑料的主要是内加型抗静电剂。也可按抗静电剂的性能分为暂时性的和永久性的两大类。

抗静电剂分类

根据使用方式的不同, 抗静电剂可以分为外涂型和内混型两种。

外涂型抗静电剂

外涂型抗静电剂是指涂在高分子材料表面所用的一类抗静电剂。一般用前先用水或乙醇等将其调配成质量分数为 0、5 %~2、0 %的溶液 ,然后通过涂布、喷涂或浸渍等方法使之附着在高分子材料表面 , 再经过室温或热空气干燥而形成抗静电涂层。此种多为阳离子型抗静电剂 , 也有一些为两性型和阴离子型抗静电剂。

内混型抗静电剂

内混型抗静电剂是指在制品的加工过程中添加到树脂内的一类抗静电剂。常将树脂和添加其质量的0、3 %~3、0 %的抗静电剂先机械混合后再加工成型。此种以非离子型和高分子永久型抗静电剂为主 , 阴、阳离子型在某些品种中也可以添加使用。各种抗静电剂分子除可赋予高分子材料表面一定的润滑性、降低摩擦系数、抑制和减少静电荷产生外 , 不同类型的抗静电剂不仅化学组成和使用方式不同 , 而且作用机理也不同。
根据用法的不同,表面活性抗静电剂有两种,即外用的和内用的。

外用的抗静电剂

外用的、或局部的抗静电剂是通过喷撒、擦搽或浸渍而施于聚合物的表面。这种外用抗静电剂虽然适用于多种聚合物,但它们的效力只是暂时的,事后与溶剂接触或与它物磨擦很容易失掉。

内用的抗静电剂

内用抗静电剂则是在聚合物加工过程中掺合于其中。这样的表面活性抗静电剂能够补充因搬运处理而被磨蚀的抗静电功能。这种内用抗静电剂的作用有赖于喷霜。这里喷霜的意思是指加入于树脂中的内用抗静电剂部分地向聚合物表面迁移的过程。因此,内用抗静电剂具有长期的抗静电保护作用。

表面活性抗静电剂可分为阳离子型的、阴离子型的和非离子型的。

阳离子抗静电剂

通常是些长链的烷基季铵、磷或鏻盐,以氯化物作平衡离子。它们在极性基质中,如硬质聚氯乙烯和苯乙烯类聚合物中效果很好,但对其热稳定性有不良影响。这类抗静电剂通常不得用于与食物接触的物品中;而且抗静电效果仅为乙氧基化胺类之类内用抗静电剂的1/5到1/10。

阴离子抗静电剂

通常是些烷基磺酸、磷酸或二硫代氨基甲酸的碱金属盐,也是主要用于聚氯乙烯和苯乙烯类树脂中;它们在聚烯烃类树脂中的应用效果与阳离子抗静电剂相似。在阴离子抗静电剂中,烷基磺酸钠已广泛应用于苯乙烯系树脂、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚碳酸酯中。

非离子型抗静剂

如乙氧基化脂肪族烷基胺代表着最大的一类抗静电剂。它们广泛地应用于聚乙烯、聚丙烯、ABS和其他苯乙烯系聚合物中。生产销售的有好几种乙氧基化烷基胺,其区别在于烷基链的长度和不饱和度的大小。乙氧基化烷基胺是很有效的抗静电剂,即使是在相对湿度低的情况下亦然,而且长期有效。这类抗静电剂已获联邦食品医药管理局批准,应用于与食品间接接触的物品中,其他商业上有价值的非离子型抗静电剂还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)。乙氧基月桂酷胺适用于在湿度小的环境里使用的聚乙烯和聚丙烯,而且要求有速效长效的抗静电功能的场合。GMS类抗静电剂则只考虑用于加工过程中的静电保护。尽管GMS向聚合物表面迁移的速度快,但它不能像乙氧基化烷基胺或乙氧基化烷基酸胺那样发挥持久的抗静电作用。


抗静电剂工作原理

外涂型抗静电剂的作用机理

此类抗静电剂加到水里 , 抗静电剂分子中的亲水基就插入水里 , 而亲油基就伸向空气。当用此溶液浸渍高分子材料时 , 抗静电剂分子中的亲油基就会吸附于材料表面。浸渍完后干燥 , 脱出水分后的高分子材料表面上 , 抗静电剂分子中的亲水基都向着空气一侧排列 , 易吸收环境水分 , 或通过氢键与空气中的水分相结合 , 形成一个单分子导电层 , 使产生的静电荷迅速泄漏而达到抗静电目的。

表面活性剂类内混型抗静电剂的作用机理

在高分子材料成型过程中 , 如果其中含有足够浓度的抗静电剂 , 当混合物处于熔融状态时 , 抗静电剂分子就在树脂与空气或树脂与金属 (机械或模具) 的界面形成最稠密的取向排列 , 其中亲油基伸向树脂内部 , 亲水基伸向树脂外部。待树脂固化后 , 抗静电剂分子上的亲水基都朝向空气一侧排列 , 形成一个单分子导电层。在加工和使用中 , 经过拉伸、摩擦和洗涤等会导致材料表面抗静电剂分子层的缺损 , 抗静电性能也随之下降。但是不同于外涂敷型抗静电剂 , 经过一段时间之后 , 材料内部的抗静电剂分子又会不断向表面迁移 , 使缺损部位得以恢复 , 重新显示出抗静电效果。由于以上两种类型抗静电剂是通过吸收环境水分 , 降低材料表面电阻率达到抗静电目的 , 所以对环境湿度的依赖性较大。显然 , 环境湿度越高 , 抗静电剂分子的吸水性就越强 , 抗静电性能就越显著。

高分子永久型抗静电剂的作用机理

高分子永久型抗静电剂是近年来研究开发的一类新型抗静电剂 , 属亲水性聚合物。当其和高分子基体共混后 , 一方面由于其分子链的运动能力较强 , 分子间便于质子移动 , 通过离子导电来传导和释放产生的静电荷; 另一方面 , 抗静电能力是通过其特殊的分散形态体现的。研究表明: 高分子永久型抗静电剂主要是在制品表层呈微细的层状或筋状分布 , 构成导电性表层 , 而在中心部分几乎呈球状分布 , 形成所谓的“芯壳结构”, 并以此为通路泄漏静电荷。因为高分子永久型抗静电剂是以降低材料体积电阻率来达到抗静电效果 , 不完全依赖表面吸水 , 所以受环境的湿度影响比较小。


抗静电剂使用方法

抗静电剂的使用方法有涂布法和共混法两种。涂布法具有见效快、用料省,对抗静电剂的耐热性要求低等优点,但抗静电效果不能持久,经过水洗、摩擦后,抗静电剂涂层会消失。而共混法具有耐洗涤、耐摩擦,抗静电效果持久,使用方法简单等优点。

涂布法操作要点

涂布法操作分清洗配液、涂布和干燥四个工序。
(1) 清洗为了得到均一密实的抗静电剂涂膜,涂刷抗静电剂前,必须对塑料表面进行清洗,彻底除去表面灰尘、油脂等。可用1%左右的中性洗涤剂溶液清洗。清洗后需要放置在无尘室内晾干。
(2) 配液用乙醇、酯类或水将抗静电剂配成0。2~2%浓度的溶液,溶液的浓度在保证抗静电效果的前提下,尽可能稀一些,因为浓度高的溶液会发粘,容易吸附灰尘。
(3) 涂布根据制品的形状等选择涂布方法,常用的涂布方法有直接法、浸渍法和喷涂法等几种。直接法是用棉布、法兰绒、毛刷和辊筒等工具将抗静电剂液涂布在制品上。它简便有效,使用最广。浸渍法是将制品浸入抗静电剂液中,它适用于形状复杂或数量很大的小型制品。喷涂法是用喷枪将抗静电剂液喷涂在制品上,它有速度快,效率高,涂膜均匀等优点。
(4) 干燥涂布后的制品应充分干燥,使涂膜层硬化,在温度30-40℃,湿度60-80%的条件下,大约需要干燥3个小时。干燥后还要在自然环境条件下放置5个小时。

共混法操作要点

共混法是将抗静电剂与树脂混合后再加工成型,制成具有抗静电的制品。常用的抗静电剂有阳离子型和两性离子型。抗静电剂是易吸湿性化台物,含有一定量的水份。在成塑过程中,少量水份的存在就会造成制品质量下降,故抗静电剂在加到树脂前应充分干燥。可在70-80℃的热风下,干燥4个小时。抗静电剂的加入量应根据抗静电剂本身的性能、树脂的种类,加工条件、制品形态以及对抗静电效果的要求程度而定,一般加入量为0.3~3%。薄的制品的加入量比厚制品要少。


抗静电剂使用注意事项

静电利与弊的利用和防止静电的危害很多,它的第一种危害来源于带电体的互相作用。在飞机机体与空气、水气、灰尘等微粒摩擦时会使飞机带电,如果不采取措施,将会严重干扰飞机无线电设备的正常工作,使飞机变成聋子和瞎子;在印刷厂里,纸页之间的静电会使纸页粘合在一起,难以分开,给印刷带来麻烦;在制药厂里。 由于静电吸引尘埃,会使药品达不到标准的纯度;在放电视时荧屏表面的静电容易吸附灰尘和油污,形成一层尘埃的薄膜,使图像的清晰程度和亮度降低;就在混纺衣服上常见而又不易拍掉的灰尘,也是静电捣的鬼。
静电的第二大危害,是有可能因静电火花点燃某些易燃物体而发生爆炸。漆黑的夜晚,我们脱尼龙、毛料衣服时,会发出火花和“叭叭”的响声,这对人体基本无害。但在手术台上,静电火花会引起麻醉剂的爆炸,伤害医生和病人;在煤矿,则会引起瓦斯爆炸,会导致工人死伤,矿井报废。


抗静电剂结构特征

抗静电剂一般都具有表面活性剂的特征,结构上极性基团和非极性基团兼而有之。常用的极性基团(即亲水基)有:羧酸、磺酸、硫酸、磷酸的阴离子,胺盐、季铵盐的阳离子,以及-OH、-O-等基团,常用的非极性基团(即亲油基或疏水基)有:烷基、烷芳基等,从而形成了纤维工业常用的五种基本类型的ASA,即胺的衍生物,季铵盐,硫酸酯、磷酸酯以及聚乙二醇的衍生物。


抗静电剂制备配方

一般情况下抗静电剂是在密炼机或挤出机中与颜料和其他助剂一起混配。从技术上讲,纯抗静电剂,如乙氧基化烷基胺,还有另外一个优点,那就是在液体注射成型过程中它可以熔融,从而起颜料母料分散剂的作用。抗静电剂母料可以直接加入到最终加工设备中去。内用抗静电剂的作用与最终制品的生产加工条件有很大关系。例如,注射成型制品的抗静电性能取决于模具的温度。通常,模具的温度较低时,抗静电剂迁移较快,从而改善抗静电性能。评价抗静电剂效果的测试方法有两个:表面电阻(率)法和静电衰变法;这两种方法都在广泛地使用。


抗静电剂发展前景

在我国,随着人们环保意识的不断增强,绿色化工已成为今后发展的主要方向。各类低毒、无毒的抗静电剂将越来越受到食品包装业、电子产业的青睐,这类抗静电剂的研究已日益受到关注。
(1)非离子型抗静电剂 由于非离子型抗静电剂热稳定性能好,价格较便宜,使用方便,对皮肤无刺激.是抗静电基材中不可缺少的抗静电剂,具有良好的应用前景。
(2)复合型抗静电剂 复合型抗静电剂是利用各组分的协调效应原理开发出来的,各组分互补性强,抗静电效果远优于单一组分。但要注意各种抗静电剂之间的对抗作用。如阳离子型和阴离子型的抗静电剂不能同时使用。
(3)多功能浓缩抗静电母粒 由于抗静电剂多为粘稠液体,而且其中一部分为极性聚合物,在塑料中分散困难,带来使用上的不便。多功能浓缩母粒分散性均匀,操作方便,


抗静电剂影响因素

分子结构和特征基团性质及添加量

抗静电剂的效果首先取决于它作为表面活性剂的基本特性―表面活性。表面活性与分中亲水基种类、憎水基种类 、分子的形状 、分子量大小等有关。当抗静电剂分子在相界面作定向吸附时,就会降低相界面的自由能及水和塑料之间的临界接触角。这种吸附作用 ,仅与基体的性质有关 , 而且还与表面活性剂的性质有关 。 根据极性相似规则,表面活性剂分子的碳氢链部分倾向与高分子链段接触,极性基团部分倾向与空气中的水接触。高分子材料作为疏水材料,抗静电剂在其表面的主要作用就是形成规则的面向空气中的水的亲水吸附层。

抗静电剂与聚合物的相容性遵循极性相近相容原理

高分子材料都具有长碳链结构,多属非极性树脂,有的具有极性端基,增强了极性 。抗静电剂同时具有憎水基( 非极性 )和亲水基( 极性 )。一般憎水基碳链越长,与聚合物的相容性越好。亲水基若极性很强,则与聚合物的相容性不好;若极性较弱,则亲水吸附性较差。相容性太好,抗静电剂不易迁出,达不到抗静电效果;相容性不好,迁出太快,持效期太短,影响长期使用。因此在设计和使用抗静电剂时需要考虑上述因素,通过实验筛选抗静电剂的品种及最佳使用量。

其它添加剂的影响

高聚物材料加工时 , 往往要添加一些稳定剂 、 颜料 、 增塑剂 、 润滑剂 、 分散剂或阻燃剂等助剂 。 这些添加剂与抗静电剂的相互作用也会对抗静电效果产生很大影响。例如阴离子型稳定剂会与阳离子型抗静电剂形成复合物,从而降低各自的效果。润滑剂通常能很快迁移到高聚物表面上,抑制了抗静电剂的转移。若润滑剂分子层覆盖在抗静电剂分子层上,会使抗静电剂表面浓度降低,显著影响抗静电效果 ; 有时由于润滑剂的影响 , 也会促进抗静电剂向表面转移。增塑剂会增加大分子链间的距离,使分子运动更为容易 , 提高了高聚物的孔隙率 ,有利于抗静电剂向制品表面迁移发挥抗静电作用。

加工过程的影响

聚合物制品的加工方式最终会影响制品中高分子链的规整程度 、 结晶度 、 结晶形态及有序化程度。若高聚物在熔融状态下成型后,立即在低于其玻璃化温度的室温下进行冷却 , 抗静电剂就很难扩散到制品表面 , 从而没有足够的抗静电效果 。 若制品在高于玻璃化温度的温度下冷却 , 由于大分子链段运动有助于抗静电剂扩散 , 这样不仅制品能呈现出足够抗静电效果,而且即使用摩擦或水洗除去表面上的抗静电剂,也能较迅速恢复其抗静电效果。


抗静电剂

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