Quan dos sòlids amb diferents estats físics entren en contacte i es freguen entre si, les seves respectives superfícies experimenten una redistribució de càrrega. Després de la nova separació, cada superfície sòlida portarà un excés de càrrega positiva (o negativa) en comparació amb abans del contacte, que s'anomena electricitat estàtica. Per caracteritzar la conductivitat d'un material s'utilitza el concepte de resistivitat. La resistivitat de volum és la relació entre el gradient de potencial paral·lel a la direcció del corrent a la superfície del material i el corrent per unitat d'amplada a la superfície. En general, els polímers són materials d'alt aïllament amb alta resistivitat elèctrica, de manera que un cop carregats, és difícil eliminar-los. A la vida diària, quan es camina sobre un terra de plàstic, la fricció entre la sola de la sabata i el terra pot fer que el cos humà es carregui. En casos greus, si la mà entra en contacte amb una maneta o objecte de la porta, també pot produir secreció, provocant una sensació de formigueig; Es produeix un accident de descàrrega elèctrica durant una cirurgia mèdica. A la indústria electrònica, l'electrificació humana pot trencar fàcilment els circuits, causant danys als circuits integrats; La indústria tèxtil provoca l'agregació de fibres, etc.
Hi ha dos mètodes per eliminar l'electricitat estàtica dels polímers
(1) Afegiu farcits conductors, com ara metall, fibra de carboni i carboni. Aquest mètode requereix una gran quantitat de farciment. La disminució sobtada de la conductivitat del farciment ha d'arribar a un cert percentatge per aconseguir un efecte antiestàtic. El color i la qualitat dels productes amb una gran quantitat d'addicions seran molt limitats. Per exemple, la conductivitat del PP farcit de negre de carboni només canvia significativament quan el percentatge arriba al 15%. En aquest moment, el color del material ja no pot complir els requisits de múltiples i bonics materials. Els farcits metàl·lics augmenten la qualitat dels materials. Els farcits de fibra metàl·lica són de baixa qualitat, però són propensos a trencar-se i oxidar-se durant el processament, cosa que els fa més cars.
(2) Afegeix agents antiestàtics per activar la superfície i millorar la conductivitat de la superfície: 1. Els agents antiestàtics recoberts de superfície tenen una durabilitat baixa i es perden fàcilment a causa de la fricció i el rentat, proporcionant només efectes antiestàtics temporals o a curt termini. 2. Els agents antiestàtics mixts tenen una alta durabilitat, però requereixen uns requisits elevats per als agents antiestàtics.
Agent antiestàtic
La generació d'electricitat estàtica a les superfícies de plàstic pot causar diversos problemes, com ara dificultar la producció, espurnes que provoquen explosions i danys als circuits integrats dels dispositius electrònics. El mètode general per eliminar l'electricitat estàtica és utilitzar tensioactius, com ara agents antiestàtics, per reduir la resistència superficial dels polímers. A causa de la higroscopicitat d'aquests additius, absorbeixen la humitat de l'atmosfera a la superfície del polímer, formant una fina pel·lícula conductora que elimina ràpidament l'electricitat estàtica. L'aigua juga un paper important en aquest procés. Amb l'augment de la humitat atmosfèrica, la conductivitat superficial del polímer també millora, provocant una ràpida pèrdua de càrrega estàtica i produint un bon rendiment antiestàtic.
Segons els diferents ús, hi ha dos tipus d'agents antiestàtics tensioactius, a saber, externs i interns. Els agents antiestàtics externs o locals s'apliquen a la superfície dels polímers mitjançant polvorització, neteja o impregnació. Tot i que aquest agent antiestàtic extern és adequat per a diversos polímers, la seva eficàcia és només temporal i és fàcil perdre-la després del contacte amb dissolvents o la fricció amb altres substàncies. S'afegeixen agents antiestàtics interns durant el processament del polímer. Aquest tipus d'agent antiestàtic tensioactiu pot complementar la funció antiestàtica que s'ha erosionat a causa de la manipulació. L'efecte d'aquest agent antiestàtic intern depèn de la polvorització de gelades. El significat de polvorització de gelades aquí es refereix al procés en què l'agent antiestàtic intern afegit a la resina migra parcialment a la superfície del polímer. Per tant, els agents antiestàtics interns tenen un efecte de protecció antiestàtica a llarg termini.
Els agents antiestàtics de superfície es poden dividir en tipus catiònics, aniònics i no iònics.
Els agents antiestàtics catiònics solen ser sals d'amoni quaternari d'alquil de cadena llarga, fòsfor o plom, amb clorurs com a ions d'equilibri. Funcionen bé en matrius polars com el clorur de polivinil rígid i els polímers basats en estirè, però tenen un impacte negatiu en la seva estabilitat tèrmica. Aquest tipus d'agent antiestàtic normalment no es permet utilitzar en articles en contacte amb aliments; I l'efecte antiestàtic és només d'1/5 a 1/10 del dels agents antiestàtics interns com les amines etoxilades.
Els agents antiestàtics aniònics solen ser sals de metalls alcalins d'àcid alquil sulfònic, àcid fosfòric o ditiocarbamat, i s'utilitzen principalment en resines de clorur de polivinil i estirè; El seu efecte d'aplicació en resines de poliolefines és similar al dels agents antiestàtics catiònics. L'alquilsulfonat de sodi s'ha utilitzat àmpliament en resines a base d'estirè, clorur de polivinil, tereftalat de polietilè i policarbonat com a agent antiestàtic aniònic.
Els agents antiestàtics no iònics com les alquilamines alifàtiques etoxilades representen la classe més gran d'agents antiestàtics. S'utilitzen àmpliament en polietilè, polipropilè, ABS i altres polímers basats en estirè. Actualment es produeixen i venen diverses alquilamines etoxilades, amb la diferència de la longitud de la cadena alquilica i el grau d'insaturació. L'etoxialquilamina és un agent antiestàtic molt eficaç, fins i tot en condicions d'humitat relativa baixa, i és efectiu durant molt de temps. Aquest tipus d'agent antiestàtic ha estat aprovat per la Federal Food and Drug Administration per al seu ús en articles que entren en contacte indirecte amb els aliments. Altres agents antiestàtics no iònics de valor comercial inclouen l'alquilamina etoxilada, com la lauroilamina etoxilada i el monoestearat de glicerol (GMS). L'etoxilauril amina és adequada per a polietilè i polipropilè utilitzats en ambients amb poca humitat i requereix funcions antiestàtiques ràpides i de llarga durada. Els agents antiestàtics GMS només es consideren per a la protecció electrostàtica durant el processament. Tot i que el GMS migra ràpidament a la superfície dels polímers, no pot exercir efectes antiestàtics de llarga durada com l'alquilamina etoxilada o l'alquilamina etoxilada.
Es poden barrejar fins a un 75% de grups alquils etoxilats i polímers líquids o de baix punt de fusió per formar un masterbatch concentrat. Aquests masterbatches són productes esfèrics de flux lliure que són fàcils de transportar, mentre que es dispersen fàcilment durant la barreja. Els avantatges del masterbatch d'alquilamina etoxilada es poden resumir de la següent manera:
(1) Bona dispersibilitat, amb l'addició de materials actius predispersos.
(2) Un petit producte en forma de bola amb bona transportabilitat i flux lliure, fàcil de mesurar i barrejar.
(3) Bon rendiment de processament, amb menys lliscament del cargol a l'extrusora.
La selecció i la dosificació dels agents antiestàtics depenen de les propietats del polímer, els mètodes de processament, les condicions de processament, els tipus i quantitats d'altres additius, la humitat relativa i l'ús final del polímer. El temps necessari per obtenir un efecte antiestàtic suficient varia, i la velocitat i la durada de la protecció antiestàtica es poden augmentar augmentant la concentració de l'agent antiestàtic. No obstant això, l'ús excessiu d'agents antiestàtics pot provocar una superfície relliscosa del producte final, que pot danyar el rendiment d'impressió o unió. Els farcits i pigments inorgànics no tractats poden adsorbir molècules d'agents antiestàtics a les seves superfícies, reduint així l'eficàcia dels agents antiestàtics. Aquest fenomen es pot compensar augmentant la quantitat d'agent antiestàtic utilitzat. Tanmateix, per als productes que entren en contacte amb els aliments, la quantitat d'agents antiestàtics afegits ha de complir amb les regulacions de la Federal Food and Drug Administration (vegeu el Codi de regulacions federals, 21 (21CFR)). (Codi de regulacions federals, títol 21 (21CFR)).
Quan s'utilitza polietilè, l'elecció de l'agent antiestàtic d'alquilamina etoxilada ha de tenir en compte la seva forma física, com ara pasta, líquid, partícules petites o sòlid. Si l'amina de sèu etoxilada no es pot tractar a causa de la seva naturalesa en pasta, es pot utilitzar oleamina etoxilada líquida. En condicions de processament a alta temperatura (per sobre de 180 graus), es pot seleccionar estearftalamina etoxilada. Si es requereix un efecte antiestàtic d'acció ràpida, es pot seleccionar laurilamina etoxilada. Els problemes a tenir en compte quan s'utilitza polipropilè són similars als que s'utilitzen quan s'utilitza polietilè. Independentment del tipus de resina que s'utilitzi, cal tenir en compte els límits reguladors de la Federal Food and Drug Administration per a diversos usos. Quan s'utilitza per a polímers a base d'estirè, es recomana triar amina de coco etoxilada o un dels seus masterbatches adequats.
Mescla i processament
En general, els agents antiestàtics es barregen amb pigments i altres additius en una mescladora o extrusora. Tècnicament parlant, els agents antiestàtics purs, com ara l'alquilamina etoxilada, tenen un altre avantatge, que és que es poden fondre durant l'emmotllament per injecció líquida, actuant així com a dispersants per al masterbatch de pigments. El masterbatch d'agent antiestàtic es pot afegir directament a l'equip de processament final. L'efecte dels agents antiestàtics interns està estretament relacionat amb les condicions de producció i processament del producte final. Per exemple, el rendiment antiestàtic dels productes modelats per injecció depèn de la temperatura del motlle. En general, quan la temperatura del motlle és baixa, l'agent antiestàtic migra ràpidament, millorant així el rendiment antiestàtic.
Hi ha dos mètodes de prova per avaluar l'eficàcia dels agents antiestàtics: mètode de resistència superficial (taxa) i mètode de desintegració electrostàtica; Tots dos mètodes s'utilitzen àmpliament.
D'acord amb la definició d'ASTMD257-78, la resistivitat superficial d'un material és la relació entre el gradient de potencial i el corrent que passa per l'amplada unitat de la superfície del material, que generalment està relacionada amb la forma geomètrica de la mostra. Col·loqueu dos elèctrodes al mateix costat de la superfície de la mostra de plàstic i apliqueu corrent continu als elèctrodes; Mesura el corrent que passa per la mostra i calcula la resistència; A continuació, representeu els resultats de la mesura de la resistivitat superficial en ohms.
Segons la definició del Mètode de prova federal 4046, la decadència electrostàtica es refereix a la velocitat de descàrrega de les càrregues induïdes. Col·loqueu la mostra (normalment una placa fina o pel·lícula) entre dos elèctrodes, amb una distància de diversos mil·límetres entre els elèctrodes i la superfície de la mostra. Un elèctrode està connectat a la font d'alimentació i l'altre elèctrode està connectat a l'amperímetre i la gravadora. El canvi de camp elèctric causat per la càrrega induïda per un elèctrode a la superfície de la mostra es mesura per l'altre elèctrode. Les mostres antiestàtiques mostraran decadència de les càrregues induïdes. La vida mitjana de decadència (en segons) és el temps que triga una càrrega a decaure a la meitat respecte al seu valor inicial.
Un altre mètode de prova estàndard àmpliament utilitzat a la indústria és l'estàndard nord-americà, que s'utilitza per envasar productes electrònics. L'elecció del mètode adequat depèn de l'ús final del plàstic que cal provar.
La resistivitat elèctrica del propi plàstic és de 1014 ohms. Quan s'afegeixen agents antiestàtics segons la quantitat que es mostra a la taula A, la resistivitat elèctrica pot disminuir de 1013 a 109 ohms. Si volem reduir encara més la resistivitat, només podem confiar en la millora de la conductivitat, com ara l'ús de negre de carboni conductor.
La tecnologia d'embalatge antiestàtica s'està desenvolupant per emfatitzar les preocupacions ambientals. L'alquilamina etoxilada àmpliament utilitzada ara s'envasa en envasos a granel reutilitzables. Els proveïdors tendeixen a produir agents antiestàtics amb una concentració més alta, que es poden diluir segons les necessitats de processament després de ser lliurats als usuaris. L'objectiu de fer-ho és reduir el cost del tractament de residus sòlids. Mitjançant el desenvolupament d'agents antiestàtics d'alta concentració, els fabricants poden enviar més agents antiestàtics alhora i reduir el nombre d'envasos d'embalatge que han de ser manipulats pels usuaris.
Tècnicament parlant, una gran part del treball d'investigació i desenvolupament encara gira al voltant del mercat d'envasos de productes electrònics. La laurilamida etoxilada, comunament vista com un agent antiestàtic lliure d'amines, s'utilitza habitualment en aquesta àrea. La quantitat de lauril amina etoxilada que s'utilitza en pel·lícules de LDPE i LLDPE de modelat per bufat també està augmentant, ja que el seu efecte antiestàtic també és millor en condicions de baixa humitat. També es poden comprar el concentrat i el masterbatch d'aquest producte. S'ha aplicat estearoftalamina etoxilada (que conté cadenes alquils de 18 carbonis totalment saturades) en la producció de pel·lícules de polipropilè orientades biaxialment. En aquest procés de producció, les altes temperatures de processament requereixen agents antiestàtics per tenir una alta estabilitat tèrmica.