塑料抗靜電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和應用范圍
1 前言
塑料因其優(yōu)良的絕緣性和耐水性，在電氣和電子工業(yè)領域得到了廣泛的應用。但是由于其體積電阻較大，在生產(chǎn)和應用中，極易產(chǎn)生靜電積累而導致吸塵、電擊(放電)、燃燒甚至爆炸，給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活帶來危害。
因此，如何減少和消除塑料及其制品的靜電危害，已成為目前急需解決的技術(shù)課題。抗靜電劑是一種能夠減少或消除塑料產(chǎn)生靜電的一類添加劑。
一般通用塑料的表面電阻高達l0 20Ω，加入抗靜電劑后，可使塑料的表面電阻值降至l0 8Ω以下，從而可大大減少塑料在加工和使用過程中產(chǎn)生的靜電現(xiàn)象。抗靜電劑的使用拓寬了塑料的應用領域。
2 塑料產(chǎn)生靜電的原因
塑料在與其他物體接觸、摩擦并分離后，由于不能將產(chǎn)生的電荷傳遞出去，從而使表面積累了靜電荷。
不同塑料產(chǎn)生靜電荷的難易程度與其表面電阻有關，表面電阻越大，漏電越少，表面靜電障礙程度也越大。當靜電障礙嚴重時，積累的電荷就會產(chǎn)生靜電現(xiàn)象。如產(chǎn)生火花、發(fā)出噼啪聲響等。
不同塑料產(chǎn)生電荷的難易程度是不同的，尼龍、聚苯乙烯、有機玻璃等最易產(chǎn)生電荷；聚烯烴及PVC較難產(chǎn)生電荷，氟塑料是最難產(chǎn)生靜電的一種塑料。
3 抗靜電劑的作用
機理抗靜電劑的結(jié)構(gòu)通式為R-Y-x，其中R為親油基團，x為親水基團，Y為連接基。
分子中非極性部分的親油基和極性部分的親水基之間應具有適當?shù)钠胶猓c高分子材料要有一定的相容性，C12以上的烷基是典型的親油基團。
羥基、羧基、磺酸基和醚鍵是典型的親水基。抗靜電劑主要是表面活性劑，按使用方法分為外處理型和內(nèi)添加型兩種。
3.1 外部抗靜電劑
外部抗靜電劑都涂敷在材料的表面，以水、醇或其他有機溶劑作為溶劑或分散劑。當抗靜電劑加到水中的時候，分子的親油基就會伸向空氣．水界面的空氣一面；而親水基則向著水，隨著濃度的增加，親油基相互平行最后達到最稠密的排列。
在這種溶液系統(tǒng)中處理纖維和塑料表面，抗靜電劑分子的親油基就會吸附在纖維或塑料表面，將其干燥處理后就會形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這樣，處理物表面的親水基就會比較容易吸附環(huán)境的微量水分，形成一個導電層，加速了表面電荷的泄漏。
外部抗靜電劑涂在塑料表面，時效短，是一種暫時的抗靜電方法，因此其應用面不廣。但是在一些塑料中(如PET、PC、聚砜、聚丙烯酸酯)，一直使用外部抗靜電劑，部分原因是這些塑料需要的加工溫度非常高，而且不能破壞某些特性(如聚丙烯酸甲酯和PC的透明性)。
3.2 內(nèi)部抗靜電劑
內(nèi)部抗靜電劑也是一種表面活性劑，只是在塑料加工中添加到樹脂中一起塑化成型。其中抗靜電分子是借助聚合物的鏈段運動而移向表面，吸收空氣中的水分，形成均勻的導電層。當樹脂處于熔融狀態(tài)時，離子型抗靜電劑在樹脂一空氣，或樹脂一金屬(加工機械或模具)的界面形成最稠密的排列。制品成型后，抗靜電劑的極性基(親水基)都向著空氣一側(cè)排列，形成單分子導電層，抗靜電劑的表面活性越強，抗靜電性能越好，內(nèi)部抗靜電效果持久。
4 抗靜電技術(shù)及其應用
塑料制品是否帶電或帶電的多少可用體積電阻或表面電阻來評價。通常體積電阻在l0 8Ωcm以下為良導體，l0nΩcln以上為絕緣體，l0Ωcm以下表面帶電較少，l0Ωcm以上顯著帶電，工業(yè)上主要通過下述幾種途徑消除靜電。
4.1 添加抗靜電劑
通過添加抗靜電劑，使制品表面吸濕性增加，形成單分子層的導電膜，從而加快了靜電荷的泄漏。以往的內(nèi)添加型抗靜電劑多為低分子化合物，耐久性不理想；目前國內(nèi)外開發(fā)了永久性高分子抗靜電劑。
另一種耐久性抗靜電方法是向疏水性母體樹脂中適當加入親水樹脂，從而形成一種微相分離結(jié)構(gòu)。親水性聚合物組分在塑料表面聚集并形成連續(xù)的層狀分布以構(gòu)成泄電通路，即可達到抗靜電效果，親水性聚合物樹脂目前以聚氧化乙烯(PEO)的共聚物為主。
4.2 添加具有一定導電性能的填料
添加具有一定導電性能的填料，利用其在塑料共混體系中形成的導電通路起抗靜電作用，這種共混物稱為復合型導電高分子材料或?qū)щ姼叻肿雍辖稹?/span>
復合型導電高分子材料的研究方法主要有以下幾種：
(1)導電填料分散復合法在塑料基體中混入導電填料制造出導電的塑料合金，按其填料形狀分類，有顆粒分散系、箔片分散系和纖維分散系三種。以炭黑為代表的顆粒狀填料填充的導電高分子材料，是迄今為止用途最廣泛、用量最大的一種復合導電高分子材料。
劉芳等人[5]以HDPE為基礎樹脂，分別用抗靜電劑和導電炭黑對其進行抗靜電改性研究，結(jié)果表明，采用含有極性乙烯共聚物的復合抗靜電劑配方或含有氯化聚乙烯彈性體的導電炭黑配方，所得的復合材料都具有較好的抗靜電性能及物理性能。膨脹石墨也具有好的抗靜電效果。
楊永芳等人通過溶液插層法研究了聚乙烯，膨脹石墨復合材料的力學性能、電性能。結(jié)果表明，當膨脹石墨填充量為l0份～l5份時，復合材料的體積電阻降為10 8Ωcm以下。
(2)表面處理法包括金屬熱噴涂法、干法鍍層、濕法鍍層和導電涂料法。
(3)導電材料層積復合法將金屬、板、絲氈作為中間層，兩側(cè)再層壓上塑料基體或利用平行擠出方法制成一層為普通樹脂的層制品。
4.3 其他方法
(1)在塑料加工過程中使用導電裝置消除靜電；
(2)增加塑料制品加工和使用過程中的空氣濕度；
(3)通過接枝共聚，改變聚合物結(jié)構(gòu)，使其帶有較多的極性基團或離子化基團，降低電阻，增加導電性；
(4）用強氧化物氧化塑料制品表面或電暈放電處理其表面。
5.1 國內(nèi)發(fā)展狀況
我國對抗靜電劑的研究雖然起步較晚，但發(fā)展較快。目前國內(nèi)抗靜電劑主要以小分子量的陰、陽離子外涂型抗靜電劑為主。
杭州化工研究所開發(fā)的PVC用離子型抗靜電劑S-l5、S-l8，抗靜電效果已達到國外同類產(chǎn)品水平，其化學結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，耐熱性好。s-l8有外潤滑作用，在硬PVC中添加3％ 即有良好的效果。
測試結(jié)果表明，PVC加工后3日，抗靜電劑即可遷移至塑料制品表面，表面電阻降至l0 8Ω，30日后仍保持此電阻值(20c，RH 65％)。李立民等人通過氯代十二烷與二乙醇反應制得烷基二乙醇胺后，再與硫酸二乙酯反應而制得的季胺鹽類陽離子表面活性劑sP-_K，它與其他同類產(chǎn)品(如SH-一105)相比，具有抗靜電效果好、加工工藝簡便、耐溫性能好等優(yōu)點。
近年來，我國還研制開發(fā)出了應用效果較好的椰子油烷基聚氧乙烯醚類聚烯烴抗靜電劑，以高碳醇、環(huán)氧氯丙烷、乙二醇為原料合成的KF-203型PVC抗靜電劑，磷酸酯氧化胺抗靜電劑，PVDC薄膜用崳酰胺抗靜電劑，L-H型抗靜電劑，HKD-520型聚烯烴抗靜電劑母粒等。
5.2 國外發(fā)展狀況
世界發(fā)達國家十分重視抗靜電劑的研究、生產(chǎn)和使用。80年代初，美、日等國家相繼制定了各種防靜電法規(guī)，防靜電技術(shù)得到了迅速的普及，促進了抗靜電劑的發(fā)展。
美國是抗靜電劑最大的生產(chǎn)和消費國，其產(chǎn)品以非離子型和陽離子表面活性劑為主，主要采用羥乙基化脂肪胺、季胺鹽的化合物、脂肪酸酯類抗靜電劑，用于聚烯烴、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯等。西歐也是生產(chǎn)和消費抗靜電劑的主要地區(qū)。國外主要的抗靜電劑，注重抗靜電劑的復配和抗靜電母粒的開發(fā)。
5.3 市場和應用領域
1996年，全世界共消耗抗靜電劑19600t，其中非離子型(包括脂肪胺類及脂肪酸酯類)為1 1700t，占總量的59．69％；陽離子型(季胺鹽類)為4500t，占22．96％；其他(包括高分子量抗靜電劑)為3400t，占17．35％。
6 抗靜電劑的發(fā)展方向
在我國，隨著人們環(huán)保意識的不斷增強，綠色化工已成為今后發(fā)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(yè)、電子產(chǎn)業(yè)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(wěn)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(xié)調(diào)效應原理開發(fā)出來的，各組分互補性強，抗靜電效果遠優(yōu)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，具有發(fā)展前途。
(4)高分子永久性抗靜電劑 由于高分子永久性抗靜電劑的耐久性好，所以一般用于對抗靜電效果要求嚴格的塑料制品，如家用電器外殼、汽車外殼、電子儀表零部件、精密機械零部件等。
(5) 納米導電填料納米材料的特點就是粒子尺寸小，有效表面積大，這些特點使納米材料具有特殊的表面效應、量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應。納米材料可改變材料原有的性能。例如，電阻材料Sio2制備成納米材料后成為導電材料。
張景昌等人[12]研究了PVC塑料中添加納米siO2制備復合材料的關鍵技術(shù)及PVC樹脂添加納米SiO 后提高塑料抗靜電性能的機理，結(jié)果表明，納米SiO，不僅提高了PVC材料的延展性，而且使PVC的表面電阻降低了7～8個數(shù)量級，使其相對介電常數(shù)明顯增加，為進一步制備用于靜電屏蔽的PVC基納米復合材料奠定了試驗基礎。
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