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简述塑料抗静电技术的发展现状和应用范围

2007-5-3 0:12:10互联网 点击数: 【字体:

1 前言
    塑料因其优良的绝缘性和耐水性,在电气和电子工业领域得到了广泛的应用。但是由于其体积电阻较大,在生产和应用中,极易产生静电积累而导致吸尘、电击(放电)、燃烧甚至爆炸,给工农业生产和日常生活带来危害。因此,如何减少和消除塑料及其制品的静电危害,已成为目前急需解决的技术课题。抗静电剂是一种能够减少或消除塑料产生静电的一类添加剂。一般通用塑料的表面电阻高达l0 20Ω,加入抗静电剂后,可使塑料的表面电阻值降至l0 8Ω以下,从而可大大减少塑料在加工和使用过程中产生的静电现象。抗静电剂的使用拓宽了塑料的应用领域。
    2 塑料产生静电的原因塑料在与其他物体接触、摩擦并分离后,由于不能将产生的电荷传递出去,从而使表面积累了静电荷。不同塑料产生静电荷的难易程度与其表面电阻有关,表面电阻越大,漏电越少,表面静电障碍程度也越大。当静电障碍严重时,积累的电荷就会产生静电现象。如产生火花、发出噼啪声响等。不同塑料产生电荷的难易程度是不同的,尼龙、聚苯乙烯、有机玻璃等最易产生电荷;聚烯烃及PVC较难产生电荷,氟塑料是最难产生静电的一种塑料。
    3 抗静电剂的作用机理抗静电剂的结构通式为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。抗静电剂主要是表面活性剂,按使用方法分为外处理型和内添加型两种。
    3.1 外部抗静电剂
    外部抗静电剂都涂敷在材料的表面,以水、醇或其他有机溶剂作为溶剂或分散剂。当抗静电剂加到水中的时候,分子的亲油基就会伸向空气.水界面的空气一面;而亲水基则向着水,随着浓度的增加,亲油基相互平行最后达到最稠密的排列,如图2(A、B、C)所示。在这种溶液系统中处理纤维和塑料表面,抗静电剂分子的亲油基就会吸附在纤维或塑料表面,将其干燥处理后就会形成网状结构,这样,处理物表面的亲水基就会比较容易吸附环境的微量水分,形成一个导电层,加速了表面电荷的泄漏。外部抗静电剂涂在塑料表面,时效短,是一种暂时的抗静电方法,因此其应用面不广。但是在一些塑料中(如PET、PC、聚砜、聚丙烯酸酯),一直使用外部抗静电剂,部分原因是这些塑料需要的加工温度非常高,而且不能破坏某些特性(如聚丙烯酸甲酯和PC的透明性)。
    3.2 内部抗静电剂内部抗静电剂也是一种表面活性剂,只是在塑料加工中添加到树脂中一起塑化成型。其中抗静电分子是借助聚合物的链段运动而移向表面,吸收空气中的水分,形成均匀的导电层。当树脂处于熔融状态时,离子型抗静电剂在树脂一空气,或树脂一金属(加工机械或模具)的界面形成最稠密的排列。制品成型后,抗静电剂的极性基(亲水基)都向着空气一侧排列,形成单分子导电层,抗静电剂的表面活性越强,抗静电性能越好,内部抗静电效果持久。
    4 抗静电技术及其应用塑料制品是否带电或带电的多少可用体积电阻或表面电阻来评价。通常体积电阻在l0 8Ωcm以下为良导体,l0nΩcln以上为绝缘体,l0Ωcm以下表面带电较少,l0Ωcm以上显著带电,工业上主要通过下述几种途径消除静电。
    4.1 添加抗静电剂通过添加抗静电剂,使制品表面吸湿性增加,形成单分子层的导电膜,从而加快了静电荷的泄漏。以往的内添加型抗静电剂多为低分子化合物,耐久性不理想;目前国内外开发了永久性高分子抗静电剂。另一种耐久性抗静电方法是向疏水性母体树脂中适当加入亲水树脂,从而形成一种微相分离结构。亲水性聚合物组分在塑料表面聚集并形成连续的层状分布以构成泄电通路,即可达到抗静电效果,亲水性聚合物树脂目前以聚氧化乙烯(PEO)的共聚物为主。
    4.2 添加具有一定导电性能的填料添加具有一定导电性能的填料,利用其在塑料共混体系中形成的导电通路起抗静电作用,这种共混物称为复合型导电高分子材料或导电高分子合金。复合型导电高分子材料的研究方法主要有以下几种:(1)导电填料分散复合法在塑料基体中混入导电填料制造出导电的塑料合金,按其填料形状分类,有颗粒分散系、箔片分散系和纤维分散系三种。以炭黑为代表的颗粒状填料填充的导电高分子材料,是迄今为止用途最广泛、用量最大的一种复合导电高分子材料。刘芳等人[5]以HDPE为基础树脂,分别用抗静电剂和导电炭黑对其进行抗静电改性研究,结果表明,采用含有极性乙烯共聚物的复合抗静电剂配方或含有氯化聚乙烯弹性体的导电炭黑配方,所得的复合材料都具有较好的抗静电性能及物理性能。膨胀石墨也具有好的抗静电效果。杨永芳等人通过溶液插层法研究了聚乙烯,膨胀石墨复合材料的力学性能、电性能。结果表明,当膨胀石墨填充量为l0份~l5份时,复合材料的体积电阻降为10 8Ωcm以下。(2)表面处理法包括金属热喷涂法、干法镀层、湿法镀层和导电涂料法。(3)导电材料层积复合法将金属、板、丝毡作为中间层,两侧再层压上塑料基体或利用平行挤出方法制成一层为普通树脂的层制品。
    4.3 其他方法
    (1)在塑料加工过程中使用导电装置消除静电;(2)增加塑料制品加工和使用过程中的空气湿度;(3)通过接枝共聚,改变聚合物结构,使其带有较多的极性基团或离子化基团,降低电阻,增加导电性;(4用强氧化物氧化塑料制品表面或电晕放电处理其表面。
    5 抗静电剂发展现状
    5.1 国内发展状况我国对抗静电剂的研究虽然起步较晚,但发展较快。目前国内抗静电剂主要以小分子量的阴、阳离子外涂型抗静电剂为主。PVC用离子型抗静电剂HDC-305、HDC-308,抗静电效果已达到国外同类产品水平,其化学结构稳定,耐热性好。HDC-308有外润滑作用,在硬PVC中添加3% 即有良好的效果。测试结果表明,PVC加工后3日,抗静电剂即可迁移至塑料制品表面,表面电阻降至l0 8Ω,30日后仍保持此电阻值(20c,RH 65%)。通过氯代十二烷与二乙醇反应制得烷基二乙醇胺后,再与硫酸二乙酯反应而制得的季胺盐类阳离子表面活性剂SP-K,它与其他同类产品(如SH-105)相比,具有抗静电效果好、加工工艺简便、耐温性能好等优点。
    近年来,我国还研制开发出了应用效果较好的椰子油烷基聚氧乙烯醚类聚烯烃抗静电剂,以高碳醇、环氧氯丙烷、乙二醇为原料合成的KF-203型PVC抗静电剂,磷酸酯氧化胺抗静电剂,PVDC薄膜用嵛酰胺抗静电剂,L-H型抗静电剂,HKD-520型聚烯烃抗静电剂母粒等。
    5.2 国外发展状况
    世界发达国家十分重视抗静电剂的研究、生产和使用。80年代初,美、日等国家相继制定了各种防静电法规,防静电技术得到了迅速的普及,促进了抗静电剂的发展。美国是抗静电剂最大的生产和消费国,其产品以非离子型和阳离子表面活性剂为主,主要采用羟乙基化脂肪胺、季胺盐的化合物、脂肪酸酯类抗静电剂,用于聚烯烃、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯等。西欧也是生产和消费抗静电剂的主要地区。国外主要的抗静电剂,注重抗静电剂的复配和抗静电母粒的开发。
    5.3 市场和应用领域1996年,全世界共消耗抗静电剂19600t,其中非离子型(包括脂肪胺类及脂肪酸酯类)为1 1700t,占总量的59.69%;阳离子型(季胺盐类)为4500t,占22.96%;其他(包括高分子量抗静电剂)为3400t,占17.35%。
    6 抗静电剂的发展方向在我国,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,具有发展前途。
    (4)高分子永久性抗静电剂 由于高分子永久性抗静电剂的耐久性好,所以一般用于对抗静电效果要求严格的塑料制品,如家用电器外壳、汽车外壳、电子仪表零部件、精密机械零部件等。
  (5)纳米导电填料纳米材料的特点就是粒子尺寸小,有效表面积大,这些特点使纳米材料具有特殊的表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应。纳米材料可改变材料原有的性能。例如,电阻材料Sio2制备成纳米材料后成为导电材料。张景昌等人[12]研究了PVC塑料中添加纳米siO2制备复合材料的关键技术及PVC树脂添加纳米SiO 后提高塑料抗静电性能的机理,结果表明,纳米SiO,不仅提高了PVC材料的延展性,而且使PVC的表面电阻降低了7~8个数量级,使其相对介电常数明显增加,为进一步制备用于静电屏蔽的PVC基纳米复合材料奠定了试验基础。



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