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塑料用抗静电剂的研究与开发

2007-9-27 19:21:02互联网 点击数: 【字体:

    众所周知,塑料具有较好的电绝缘性能,因而广泛应用于工业生产和日常生活的各个领域。但塑料表面的高电阻率往往使其容易产生静电积累,从而引起吸尘 电击或火花放电等不良现象,不利于塑料制品的加工和使用。如塑料薄膜加工过程中常因静电而发生卷曲和粘附,电子计算机及其它电子产品因使用塑料壳体所带来的静电损害等等。轻则出现各种质量问题,严重时还会引起燃烧或爆炸等恶性事故。因此,塑料的抗静电问题已经引起人们的高度重视。[1、2]

    塑料的抗静电处理方法很多,如机械法、湿度调节法和物理化学改性法等。[3]由干前两种方法受设备或环境条件的制约,因此目前普遍采用添加抗静电剂的化学改性方法。即将抗静电剂加入到树脂中或涂瞅于塑料表面,从而降低塑料制品的表面电阻率,减轻或消散塑料在加工和使用过程中的静电积累。

    2 抗静电剂的种类及其特性

    塑料用抗静电剂通常是一些表面活性剂,其基率特征是同一分子结构中含有亲水性和亲油性两种基团。根据分子中亲水性基团能否电离,可分为离子型和非离子型,离子型中又可分为阳离子型、阴离子型和两性离子型。表l列出了抗静电剂的种类及其适用树脂 [4]。

    其中,阳离子型抗静电剂的抗静电性能优良,但耐热性相对较差,而且对皮肤有害,因此一般用作外部涂敷型。阴离子型的耐热性和抗静电效果都比较好,但与树脂的相容性较差 并对制品的透明性有影响。非离子型抗静电剂的相容性和耐热性能良好,对制品的物性无不良影响,但用量相对较大。两性离子型的最大特点是既能与阳离子型又能与阴离子型抗静电剂配合使用,抗静电效果类似千阳离子型,但耐热性能不如非离子型。高分子型目前尚未广泛使用,国外一般用作外部涂敷型抗静电剂。

   3 抗静电剂的使用技术与作用机理
   3.1使用技术

    根据添加方式不同,塑料抗静电剂的使用可分为外部涂敷法和内部混炼法两种。外部涂敷法即在塑料表面涂上一层抗静电剂,从而使其起到表面抗静电作用 具体步骤是t先用水、乙醇或醋酸乙酯等溶剂将抗静电剂配制成0.5~2.0 浓度的溶液.然后直接喷涂、浸渍或涂剥塑料表面,再经室温或热空气干燥而形成抗静电涂层。该法的优点是操作简单,用量较少,并且不影响制品的成型加工性能。缺点是使用寿命较短.经过水洗或摩擦后,抗静电馀层容易脱落或消失,因此是一种暂时性的抗静电处理方法 国外曾采用高分子型表面活性剂作为抗静电涂层,在一定程度上改善了塑料抗静电性能的持久性内部混炼法则是将抗静电剂与树脂经机械混合后再加工成型,抗静电剂分子由塑料内部向表面迁移,并在表面形成均匀的抗静电层。若表面的抗静电剂困水洗或擦落后,内部抗静电分子还可以移向表面,从而恢复萁抗静电性能,因此又稚为“永久性”抗静电剂,这种技术目前已被广泛采用。

    3.2 作用机理

    无论是外部涂敷法还是内部混炼法,塑料用抗静电剂的作用机理主要表现在两个方面:一是在塑料表面形成导电层,从而降低其表面电阻率,使已经产生的静电荷迅速泄漏;二是赋予塑料表面具有一定的润滑性,降低摩擦系数.从而抑制和减少静电荷的产生。

    抗静电剂的作用效果与降低塑料表面电阻率之间有着直接的关系。由于抗静电剂中的亲油性基团与树脂有较强的亲和力,使其能渗透或扩散到树脂内部;而亲水性基团则在塑料表面形成导电层,或通过氢键与空气中的水分相结合,从而降低表面电阻率,加速静电荷的泄隔。极性较强的抗静电剂即使不吸附水分。也具有很好的导电性,因而具有持久的抗静电睦能。


    4 影响抗静电效果的因素

    影响抗静电剂使用效果的因素有很多,除了其本身的分子结构外,还受塑料性能和环境条件等其它因素的影响,主要表现在以下几个方面。

    4.1 抗青争电剂与塑料的相容性

    内部混炼型抗静电剂与塑料之问的相容性对塑料的抗静电效果有直接影响。相容性太好,由于分子间引力使抗静电荆分子迁移困难,增加用量又会影响到塑料的其它物性。相容性太差。抗静电剂容易析出塑料表面,造成渗出过剩,这不仅影响制品的外观和加工性能,而且缩短抗静电的有效期限。因此,在实际使用过程中.要求选用的抗静电剂与塑料之间具有适度的相容性,当塑料表面的抗

    静电剂被损耗完后,内部的抗静电分子又能及时渗出表面,从而恢复抗静电性能。

    采用外部涂敷法时,若两者的相容性过好.则抗静电剂分子容易向塑料内部迁移.表面抗静电剂的含量相应减少,同样会降低塑料的抗静电作用效果。

    4.2 塑料的玻璃化温度

    塑料玻璃化转变温度(Tg)的高低直接影响到抗静电剂分子的迁移速度。当Tg低于塞温时,由于链段分子的运动,使内部抗静电剂分子容易向表面迁移.如PE和PP等塑料的抗静电性能比较容易维持。对于Tg高于室温的塑料.如PS、pvc、ABS等.由于在室温条件下其链段分子已处于冻结状态,抗静电剂很难迁移到塑料表面。表3列出了不同Tg的塑料经水洗后抗静电性能的恢复情况。[7]

    4.3 塑料的结晶性

    通常,内部混艨型抗静电剂分子存在于塑料的非结晶部分,并且处于微胶粒状的混合状态.因此塑料的结晶性对抗静电荆分子的表面迁移也有很大影响.结晶度越高.表面迁移越困难,则抗静电效果越差。塑料结晶性对抗静电效果的影响见表4。

    4.4 其它因素的影响

    环境温度越高,塑料链段分子的运动越剧烈,有利于抗静电剂向表面迁移,则抗静电效果越好 空气中的相对湿度越大.塑料的抗静电性能也越好.因此,如果在塑料表面附有一薄层水相,便能起到泄漏静电荷的作用此外,抗静电剂与塑料中其它助荆之间的相互作用也会影响其抗静电性能。如抗静电剂与润滑剂的同时加入,抗静电剂与无机阻燃剂的复合使用等必须考虑它们之间的相互影响。

    5 抗静电剂研究的新进展

    5.1 国外抗静电剂的发展状况

    由于抗静电剂是塑料加工中不可缺少的添加剂,因此,抗静电剂在国外的发展很快。尤其是美国、西欧和日本等发达国家,无论是抗静电剂的生产量还是消耗量均居世界前列。口 目前,研究人员正致力于研制开发新型抗静电剂。如美国Witco公司生产一种牌号为Markstat—AI 一26的季胺盐类抗静电剂,具有极好的抗静电性能,且对PVC的热稳定性无损害。Hoechst公司开发的一种粒状抗静电剂,属于脂肪族阴离子磺酸盐,牌号为hostastat HSI,适用干F's、ABS和PVC等多种塑料。井能改善制品的流动性,色料分散性和共混物的相容性。kenrich石化公司研制的牌号为Kenstat的抗静电剂,其抗静电效果与大气湿度无关.并且不会使制品表面起霜,使用量小(约为0.1 )。此外,日本第一工业制药公司生产的', 叉 、y IPE132,PEI39,日本松本油脂公司的TB109以及日本亍 才 油脂公司的 才天夕、y I-313等,都是性能优良的抗静电剂.总的看来,国外塑料用抗静电剂的发展趋向于持久、耐热、适用性广和品种系列化。如AC1公司的抗静电剂系列产品可以保持很长时间的后效作用,美国菲泽公司生产的Autistat68适用于PE、PP和PS等多种树脂,耐热温度高达240 C。Nortech公司研制的X【 D1045FI、XI D7103F1和XI D1053F2三种抗静电浓缩母料则可用于电子产品包装的低、中、高密度PE薄膜以及注射或吹塑成型的塑料制品中。甍国和日本的抗静电剂在产品类别上都逐渐形成系列化。此外,便于计量和操作加工的固体抗静电剂品种也在逐渐增加。

    5.2 国内抗静电剂的开发动向

    我国对塑料用抗静电剂的研制工作起步较晚,但近年来有关研究单位和生产单位在抗静电剂新品种的开发应用方面已逐渐重视,井取得了一定的进展。表5列出了目前国内塑料用抗静电剂的主要生产单位及其产品。

    此外,上海塑料制品二十一厂采用国产原料最近开发成功聚烯烃抗静电母料,可用于吹塑、注射、挤出等多种成型工艺,其表面电阻≤l0 n。具有较好的抗静电效果,且不影响制品的机械性能。相对说来,国内抗静电剂的研究还处于发展阶段,现有产品的种类牌号远不如国外的多,而且持久抗静电性能也不够理想。

    军械工程学院静电研究所新近研制的I 一H型抗静电改性剂则具有显著的抗静电作用效果。这种掺杂渗透型改性剂与通常的抗静电剂有所不同.尤其适合于PVC、PE和ABS塑料的抗静电改性处理,被改性的塑料制品适当稳定一段时期后,其表面电阻率从l0 12~10 14n下降到l0 4 ~10 9n.即使水洗或擦拭也不会失去抗静电性能,因而具有持久抗静电效果。表6和表7分别列出了I 一H型抗箭电改性剂对PVC和PE抗静电性能的影响。[9]

    6 结语

      塑料用抗静电剂在国外已经成为一种广泛采用的塑料掭加剂,随着对电子产品和食品包装等抗静电性能要求的日益提高,抗静电剂的需求量也越来越太。我国在这方面的技术水平与应用研究尚有一定的差距。为此,在不断完善现有抗静电剂品种的基础上,应加强系列化产品的研制工作,努力开发抗静电剂的新品种,尤其是抗静电浓缩母料和具有多种功能的产品,积极发展高分子型抗静电剂,应用技术也从使用单一抗静电剂向同时多种复合使用发展,从而进一步扩大抗静电剂的应用范围,促进我国塑料抗静电研究向更高的水平发展   参考文献

    [1]ModernP]asucs,1991,68(9):74
    [2]Modern Plastics.1992,69(9):81
    [3]Liu SH etM,Vacuumt 1989t 39;271
    [4]杜仕国,化工时刊,1995,(2):23~25
    [5]赵择卿,高分子材料抗静电技术,北京:纺织工业出版杜,199l
    [6]珏英鸿,塑料手册,北京:兵器工业出版社,1991
    [7]陈样俭.塑料通讯,1981,(3)t 26~29
    [8]李志学.现代塑料加工应用.1993,5(4):38~40
    [9]杜仕国等,南京大学学报,1995,31(专辑):277~181。

 



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