Wanneer twee vaste stoffen met verschillende fysieke toestanden in contact komen en tegen elkaar wrijven, ondergaan hun respectieve oppervlakken een herverdeling van de lading. Na herscheiding zal elk vast oppervlak een overmaat aan positieve (of negatieve) lading dragen in vergelijking met voor het contact, wat statische elektriciteit wordt genoemd. Om de geleidbaarheid van een materiaal te karakteriseren, wordt het concept van weerstand gebruikt. Volumeweerstand is de verhouding van de potentiaalgradiënt parallel aan de stroomrichting op het materiaaloppervlak tot de stroom per eenheidsbreedte op het oppervlak. Over het algemeen zijn polymeren materialen met een hoge isolatiewaarde en een hoge elektrische weerstand, dus als ze eenmaal zijn geladen, is het moeilijk om ze te elimineren. In het dagelijks leven, bij het lopen op een plastic vloer, kan de wrijving tussen de zool van de schoen en de vloer het menselijk lichaam opladen. In ernstige gevallen kan het ook ontladen als de hand in contact komt met een deurklink of voorwerp, wat een tintelend gevoel veroorzaakt; Een ongeval met een elektrische schok vindt plaats tijdens een medische operatie. In de elektronische industrie kan menselijke elektrificatie gemakkelijk door circuits heen breken, waardoor geïntegreerde circuits worden beschadigd; De textielindustrie veroorzaakt vezelaggregatie enzovoort.
Er zijn twee methoden om statische elektriciteit in polymeren te elimineren
(1) Voeg geleidende vulstoffen toe, zoals metaal, koolstofvezel en koolstof. Deze methode vereist een grote hoeveelheid vulstof. De plotselinge afname van de geleidbaarheid van de vulstof moet een bepaald percentage bereiken om een antistatisch effect te bereiken. De kleur en kwaliteit van producten met een grote hoeveelheid toevoeging zullen sterk beperkt zijn. De geleidbaarheid van met koolstofzwart gevulde PP verandert bijvoorbeeld alleen aanzienlijk wanneer het percentage 15% bereikt. Op dit moment kan de kleur van het materiaal niet langer voldoen aan de vereisten van meervoudige en mooie materialen. Metaalvulstoffen verhogen de kwaliteit van materialen. Metaalvezelvulstoffen hebben een lage kwaliteit, maar zijn gevoelig voor breuk en oxidatie tijdens de verwerking, waardoor ze duurder worden.
(2) Het toevoegen van antistatische middelen om het oppervlak te activeren en de oppervlaktegeleiding te verbeteren: 1. Op het oppervlak gecoate antistatische middelen hebben een lage duurzaamheid en gaan gemakkelijk verloren door wrijving en wassen, waardoor ze slechts tijdelijke of kortdurende antistatische effecten hebben. 2. Gemengde antistatische middelen hebben een hoge duurzaamheid, maar stellen hoge eisen aan antistatische middelen.
Antistatisch middel
De opwekking van statische elektriciteit op kunststof oppervlakken kan verschillende problemen veroorzaken, zoals het belemmeren van de productie, vonken die explosies veroorzaken en schade aan geïntegreerde schakelingen van elektronische apparaten. De algemene methode om statische elektriciteit te verwijderen is het gebruik van oppervlakteactieve stoffen, zoals antistatische middelen, om de oppervlakteweerstand van polymeren te verminderen. Vanwege de hygroscopiciteit van dergelijke additieven absorberen ze vocht uit de atmosfeer op het oppervlak van het polymeer, waardoor een dunne geleidende film ontstaat die statische elektriciteit snel elimineert. Water speelt een belangrijke rol in dit proces. Met de toename van de luchtvochtigheid verbetert ook de oppervlaktegeleiding van het polymeer, wat zorgt voor een snel verlies van statische lading en goede antistatische prestaties.
Volgens verschillend gebruik zijn er twee soorten oppervlakteactieve antistatische middelen, namelijk extern en intern. Externe of lokale antistatische middelen worden op het oppervlak van polymeren aangebracht door middel van spuiten, afvegen of impregneren. Hoewel dit externe antistatische middel geschikt is voor verschillende polymeren, is de effectiviteit ervan slechts tijdelijk en gaat het gemakkelijk verloren na contact met oplosmiddelen of wrijving met andere stoffen. Interne antistatische middelen worden toegevoegd tijdens de polymeerverwerking. Dit type oppervlakteactieve antistatische middelen kan de antistatische functie aanvullen die is geërodeerd door de behandeling. Het effect van dit interne antistatische middel is afhankelijk van vorstbespuiting. De betekenis van vorstbespuiting verwijst hier naar het proces waarbij het interne antistatische middel dat aan de hars is toegevoegd gedeeltelijk naar het oppervlak van het polymeer migreert. Daarom hebben interne antistatische middelen een langdurig antistatisch beschermend effect.
Oppervlakteactieve antistatische middelen kunnen worden onderverdeeld in kationische, anionische en niet-ionische typen.
Kationische antistatische middelen zijn meestal lange-keten alkyl quaternaire ammonium, fosfor of loodzouten, met chloriden als evenwichtsionen. Ze werken goed in polaire matrices zoals rigide polyvinylchloride en styreen gebaseerde polymeren, maar hebben een negatieve impact op hun thermische stabiliteit. Dit type antistatische middelen mag meestal niet worden gebruikt in items die in contact komen met voedsel; En het antistatische effect is slechts 1/5 tot 1/10 van dat van interne antistatische middelen zoals geëthoxyleerde aminen.
Anionische antistatische middelen zijn gewoonlijk alkalimetaalzouten van alkylsulfonzuur, fosforzuur of dithiocarbamaat en worden voornamelijk gebruikt in polyvinylchloride en styreenharsen; hun toepassingseffect in polyolefineharsen is vergelijkbaar met dat van kationische antistatische middelen. Natriumalkylsulfonaat is op grote schaal gebruikt in styreengebaseerde harsen, polyvinylchloride, polyethyleentereftalaat en polycarbonaat als een anionisch antistatisch middel.
Niet-ionische antistatische middelen zoals geëthoxyleerde alifatische alkylamines vormen de grootste klasse van antistatische middelen. Ze worden veel gebruikt in polyethyleen, polypropyleen, ABS en andere polymeren op basis van styreen. Er worden momenteel verschillende geëthoxyleerde alkylamines geproduceerd en verkocht, waarbij het verschil de lengte van de alkylketen en de mate van onverzadiging is. Ethoxyalkylamine is een zeer effectief antistatisch middel, zelfs bij lage relatieve vochtigheid, en is langdurig effectief. Dit type antistatisch middel is door de Federal Food and Drug Administration goedgekeurd voor gebruik in artikelen die indirect in contact komen met voedsel. Andere commercieel waardevolle niet-ionische antistatische middelen zijn geëthoxyleerde alkylamine, zoals geëthoxyleerde lauroylamine, en glycerolmonostearaat (GMS). Ethoxylaurylamine is geschikt voor polyethyleen en polypropyleen die worden gebruikt in omgevingen met een lage vochtigheid, en vereist snelle en langdurige antistatische functies. GMS-antistatische middelen worden alleen overwogen voor elektrostatische bescherming tijdens de verwerking. Hoewel GMS snel naar het oppervlak van polymeren migreert, kan het geen langdurige antistatische effecten uitoefenen zoals geëthoxyleerde alkylamine of geëthoxyleerde alkylamine.
Tot 75% vloeibare of laagsmeltende geëthoxyleerde alkylgroepen en polymeren kunnen worden gemengd om geconcentreerde masterbatch te vormen. Deze masterbatches zijn vrijstromende bolvormige producten die gemakkelijk te transporteren zijn, terwijl ze gemakkelijk worden verspreid tijdens het mengen. De voordelen van geëthoxyleerde alkylamine masterbatch kunnen als volgt worden samengevat:
(1) Goede dispergeerbaarheid, met toevoeging van vooraf gedispergeerde actieve materialen.
(2) Een klein, bolvormig product dat goed te vervoeren is en vrij kan stromen, en dat gemakkelijk te meten en te mengen is.
(3) Goede verwerkingsprestaties, met minder schroefslip in de extruder.
De selectie en dosering van antistatische middelen zijn afhankelijk van de eigenschappen van het polymeer, verwerkingsmethoden, verwerkingsomstandigheden, soorten en hoeveelheden van andere additieven, relatieve vochtigheid en het uiteindelijke gebruik van het polymeer. De tijd die nodig is om voldoende antistatisch effect te verkrijgen, varieert en de snelheid en duur van antistatische bescherming kunnen worden verhoogd door de concentratie van het antistatische middel te verhogen. Overmatig gebruik van antistatische middelen kan echter resulteren in een glad oppervlak van het eindproduct, wat de druk- of hechtprestaties kan schaden. Onbehandelde anorganische vulstoffen en pigmenten kunnen antistatische middelmoleculen op hun oppervlakken adsorberen, waardoor de effectiviteit van antistatische middelen wordt verminderd. Dit fenomeen kan worden gecompenseerd door de hoeveelheid gebruikt antistatisch middel te verhogen. Voor producten die in contact komen met voedsel, moet de hoeveelheid toegevoegde antistatische middelen echter voldoen aan de voorschriften van de Federal Food and Drug Administration (zie Federal Regulations Code, 21 (21CFR)). (Codeof Federal Regulations, Title21 (21CFR)).
Bij het gebruik van polyethyleen moet bij de keuze van het antistatische middel van geëthoxyleerde alkylamine rekening worden gehouden met hun fysieke vorm, zoals pasta, vloeistof, kleine deeltjes of vast. Als geëthoxyleerde talgamine niet kan worden behandeld vanwege zijn pasta-achtige aard, kan vloeibare geëthoxyleerde oleamine worden gebruikt. Onder verwerkingsomstandigheden met hoge temperaturen (boven 180 graden) kan geëthoxyleerde stearphthalamine worden geselecteerd. Als een snelwerkend antistatisch effect vereist is, kan geëthoxyleerde laurylamine worden geselecteerd. De kwesties waarmee rekening moet worden gehouden bij het gebruik van polypropyleen zijn vergelijkbaar met die bij het gebruik van polyethyleen. Ongeacht het type hars dat wordt gebruikt, moet rekening worden gehouden met de wettelijke limieten van de Federal Food and Drug Administration voor verschillende toepassingen. Bij gebruik voor polymeren op basis van styreen wordt aanbevolen om geëthoxyleerde kokosamine of een van de geschikte masterbatches te kiezen.
Mengen en verwerken
Over het algemeen worden antistatische middelen gemengd met pigmenten en andere additieven in een mixer of extruder. Technisch gezien hebben zuivere antistatische middelen, zoals geëthoxyleerde alkylamine, nog een voordeel, namelijk dat ze kunnen smelten tijdens het spuitgieten van vloeistoffen, waardoor ze als dispergeermiddelen voor pigmentmasterbatch kunnen fungeren. Antistatische middelenmasterbatch kan direct aan de eindverwerkingsapparatuur worden toegevoegd. Het effect van interne antistatische middelen is nauw verbonden met de productie- en verwerkingsomstandigheden van het eindproduct. De antistatische prestaties van spuitgegoten producten zijn bijvoorbeeld afhankelijk van de temperatuur van de mal. Meestal migreert het antistatische middel snel wanneer de temperatuur van de mal laag is, waardoor de antistatische prestaties worden verbeterd.
Er zijn twee testmethoden om de effectiviteit van antistatische middelen te evalueren: de oppervlakteweerstandsmethode (snelheid) en de elektrostatische vervalmethode. Beide methoden worden veel gebruikt.
Volgens de definitie van ASTMD257-78 is de oppervlakteweerstand van een materiaal de verhouding van de potentiaalgradiënt tot de stroom die door de eenheidsbreedte van het materiaaloppervlak gaat, wat over het algemeen gerelateerd is aan de geometrische vorm van het specimen. Plaats twee elektroden aan dezelfde kant van het plastic monsteroppervlak en pas gelijkstroom toe op de elektroden; Meet de stroom die door het monster gaat en bereken de weerstand; Geef vervolgens de meetresultaten van de oppervlakteweerstand weer in ohm.
Volgens de definitie van Federal Test Method 4046 verwijst elektrostatisch verval naar de ontladingssnelheid van geïnduceerde ladingen. Plaats het monster (meestal een dunne plaat of film) tussen twee elektroden, met een afstand van enkele millimeters tussen de elektroden en het oppervlak van het monster. Eén elektrode is aangesloten op de voeding en de andere elektrode is aangesloten op de ampèremeter en recorder. De verandering van het elektrische veld veroorzaakt door de lading geïnduceerd door één elektrode op het monsteroppervlak wordt gemeten door de andere elektrode. Antistatische monsters vertonen verval van geïnduceerde ladingen. De vervalhalfwaardetijd (in seconden) is de tijd die een lading nodig heeft om te halveren ten opzichte van de oorspronkelijke waarde.
Een andere veelgebruikte standaardtestmethode in de industrie is de Amerikaanse standaard, die wordt gebruikt voor het verpakken van elektronische producten. De keuze van de juiste methode hangt af van het uiteindelijke gebruik van het plastic dat moet worden getest.
De elektrische weerstand van plastic zelf is 1014 ohm. Wanneer antistatische middelen worden toegevoegd volgens de hoeveelheid die in Tabel A wordt weergegeven, kan de elektrische weerstand afnemen tot 1013 tot 109 ohm. Als we de weerstand verder willen verlagen, kunnen we alleen vertrouwen op het verbeteren van de geleidbaarheid, zoals het gebruik van geleidend koolstofzwart.
Antistatische verpakkingstechnologie wordt ontwikkeld om de aandacht te vestigen op milieuoverwegingen. De veelgebruikte geëthoxyleerde alkylamine wordt nu verpakt in herbruikbare bulkcontainers. Leveranciers produceren doorgaans antistatische middelen met een hogere concentratie, die verdund kunnen worden naar gelang de verwerkingsbehoeften nadat ze bij gebruikers zijn afgeleverd. Het doel hiervan is om de kosten van de verwerking van vast afval te verlagen. Door antistatische middelen met een hoge concentratie te ontwikkelen, kunnen fabrikanten meer antistatische middelen tegelijk verzenden en het aantal verpakkingscontainers dat door gebruikers moet worden gehanteerd, verminderen.
Technisch gezien draait veel onderzoek en ontwikkeling nog steeds om de verpakkingsmarkt van elektronische producten. Geëthoxyleerde laurylamide, algemeen gezien als een aminevrij antistatisch middel, wordt veel gebruikt in dit gebied. De hoeveelheid geëthoxyleerde laurylamine die wordt gebruikt bij het blaasvormen van LDPE- en LLDPE-folies neemt ook toe, omdat het antistatische effect ook beter is bij lage luchtvochtigheid. Het concentraat en de masterbatch van dit product kunnen ook worden gekocht. Geëthoxyleerde stearophthalamine (met volledig verzadigde 18 koolstofalkylketens) is toegepast bij de productie van biaxiaal georiënteerde polypropyleenfolies. In dit productieproces vereisen hoge verwerkingstemperaturen dat antistatische middelen een hoge thermische stabiliteit hebben.