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添加抗静电剂提高高分子材料表面电导率

2007-7-21 21:57:03互联网 点击数: 【字体:

    抗静电剂是一类添加在树脂或涂布于高分子材料表面以防止或消除静电产生的化学添加剂,添加抗静电剂是提高高分子材料表面电导率的有效方法,而提高高聚物体积电导率可采用添加导电填料、添加抗静电剂或与其它导电分子共混技术等。

    1 添加导电填料。这类方法通常是将各种无机导电填料掺入高分子材料基体中,目前此方法中所使用的无机导电填料主要是碳系填料、金属类填料等。(1)碳系填料。主要包括炭黑、石墨、碳纤维和碳管4大类,该类填料的最大缺点是本身为黑色、添加量大、制品颜色深、可调性差,其中炭黑是天然的半导体材料,其体积电阻率约为0.1-10ΩQ·cm。原料易得,导电性能持久稳定,可大幅度调整高分子材料的电阻率(1-108Ω.cm)。因此,由碳黑填充制成的复合型导电高分子材料是目前用途最广、用量最大的一种导电材料。(2)金属类填料。主要包括金属粉末(Ag、Cu、Al、Ni等)金属纤维(铜纤维、铝纤维、合金纤维)和金属氧化物(SnO、CuO、ZnO等)采用金属粉末填充时存在添加量大、易发生热氧化和对基体力学性能产生较大影响,产品性能不稳定等缺点。但由于纤维状填料彼此接触几率更大,因此可获得较高的导电率。

    2 与结构型导电高分子材料共混。导电高分子材料中的高分子(或聚合物)是由许多小的重复出现的结构单元组成,当在材料两端加上一定的电压,材料中就有电流通过,即具有导体的性质,凡同时具备上述两项性质的材料称为导电高分子材料。与金属导体不同,它属于分子导电物质,按其结构特征和导电机理可以分为3类:①载流子为自由电子的电子导电聚合物,其结构特征是分子内含有大量的共轭电子体系,为载流子/自由电子的离域提供迁移的条件。②载流于能在聚合物分子间迁移的正负离子的离子导电聚合物,其分子的亲水性好、柔性好。③以氧化-还原反应为电子转移机理的氧化还原型导电聚合物,其导电能力完全是由在可逆氧化-还原反应中电子在分子间的转移而产生的。这类结构的导电高分子材料主要包括聚苯胺、聚乙炔、聚吡啶、聚对苯撑、聚噻吩、聚喹啉、聚对苯硫醚等共轭性高分子,这些高分于由于结构中含有共轭双键,π电子可以在分子链上自由运动,载流子迁移率很大。因而这类材料具有高的电导率。从根本上讲,此类导电高分子材料本身就可以作为抗静电材料,但由于这类高分子一般分子刚性大、不溶不熔、成型困难、易氧化和稳定性差,无法直接单独应用,一般作导电填料与其它高分子基体进行共混,制成抗静电复合型材料,这类抗静电高分子复合材料具有较好的相容性,效果更好更持久。

    3 添加抗静电剂法。根据抗静电剂分子的差别,可分为有机小分子、抗静电剂和永久抗静电剂(主要是亲水性高聚物)两大类。(1)有机小分予抗静电剂。有机小分子抗静电剂是一类具有表面活性剂特征结构的有机物质,其结构通式为R-Y-X,其中R为亲油基团,x为亲水基团,Y为连接基。分子中非极性部分的亲油基和极性部分的亲水基之间应具有适当的平衡与高分子材料要有一定的相容性,C12以上的烷基是典型的亲油基团,羟基、羧基、磺酸基和醚键是典型的亲水基团,此类有机小分子抗静电剂可分为阳离子型、阴离子型、非离子型和两性离子型4大类。

 (a)阳离子型抗静电剂。阳离子型抗静电剂主要包括胺盐、季铵盐、烷基氨基酸盐等,其中季铵盐最为重要,抗静电效果优秀,对高分子材料有较强的附着力,广泛用作纤维和塑料的抗静电剂,代表品种有月桂酰胺丙基三甲基铵)硫酸甲酯盐、N,N-双(2-羟乙基)-N-(3’-十二烷氧基-2’-羟基丙基)甲铵硫酸甲酯盐、三羟乙基甲基季铵硫酸甲酯盐以及N,N-十六烷基乙基吗啉硫酸乙酪盐等。

(b)阴离子型抗静电剂。这类抗静电剂分子活性部分主要是阴离子,其中包括烷基磺酸盐、硫酸盐、磷酸衍生物、高级脂肪酸盐、羧酸盐及聚合型阴离子抗静电剂,该类产品主要用于化纤油剂和油品的抗静电剂,在塑料工业中除某些烷基磷酸酯和烷基硫酸酯用于PVC和聚烯烃作为内部抗静电剂使用,大部分用作外部抗静电使用。

(c)非离子型抗静电剂。这类抗静电剂分子本身不带电荷,而且极性很小。通常非离子型抗静电剂具有一个较长的亲油基,与树脂有良好的相容剂,同时毒性低,具有良好的加工性和热稳定性,是合成材料理想的内部抗静电剂,主要聚乙二醇酯或醚类,多元醇脂肪酸酯、脂肪酸烷醇酰胺、脂肪胺乙氧基醚等化合物,此类化合物分子中烷基链长以及极性集团的数量,对发挥最佳抗静电效果至关重要。

(d)两性型抗静电剂。从广义上看两性抗静电剂是指抗静电分子结构中同时具有两种或两种以上离子性质的抗静电剂,主要有季铵羧酸内盐、咪唑啉金属盐等。通常,两性抗静电剂主要是指分子结构中同时具有阳离子亲水基和阴离子亲水基这样一类的离子型抗静电剂,分子结构中的亲水基团在水溶液中产生解离,在某些介质中表现为阴离子表面活性剂的特性,在某些介质中又表现为阳离子表面活性剂的特征,此类抗静电剂与高分子材料有良好的相容性,较好的耐热性,是一类性能优异的内部用抗静电剂。

(2)永久性抗静电剂。永久性抗静电剂是一类相对分子质量大的亲水性高聚物,它们与基体树脂有较好的相容性,因而效果稳定、持久、性能较好。它们在基体高分子中的分散程度和分散状态对基体树脂抗静电性能有显著影响。亲水性聚合物在特殊相容剂存在下,经较低的剪切力拉伸作用后,在基体高分子表面呈微细的筋状,即层状分散结构,而中心部分呈球状分布,这种"蕊壳"结构中的亲水性聚合物的层状分散状态能有效地降低共混物表面电阻,并且具有永久性抗静电性能。
 



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