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塑料制品过程中静电对塑料制品的影响及解决

2016-11-17

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  当两个物理状态不同的固体相接触摩擦的时候,他们各自的表面就会发生电荷再分配,重新分离后,每个固体表面都将带有比接触前过量的正(或负)电荷,这种现象称静电。为表征材料导电能力引用电阻率概念,体积电阻率为平行于材料表面上电流方向的电位梯度与表面单位宽度上的电流之比。

  一般高聚物为高绝缘材料电阻率较高,因此一旦带上电荷,使很难消除。在日常生活中,当人行走在塑料地板上时,鞋底与地板摩擦会使人体带电,严重的时候,若人手与门把手或物体接触的时候还可能产生放电现象使人有电麻感,或者医疗手术上引起电颤事故。电子工业上,人体带电容易击穿电路,引起集成电路破坏;纺织工业引起纤维聚集等。

  一、消除高聚物静电方法

  (1) 加入导电填料 例如,金属、碳纤维、碳。此种方法所需填料量多。填料必须达到一定的百分比的时候导电率才出现突然降低的改变,才达到抗静电效果。而加入的量多制品的颜色和质量都会大大受到限制,如炭黑填充PP即导电在百分比达到15%时电导率才出现显着变化,此时材料的颜色已不能适合多种美观的要求。金属填料使材料质量大。金属纤维填料质量小但加工时易折断,易被氧化,价格较贵。

  (2) 加入抗静电剂使其表面活化,提高表面电导率 其中:1.表面涂附型抗静电剂,其持久性低,容易因摩擦,洗涤而脱失,只能提供暂时或短期的抗静电效应;2.混炼型抗静电剂,其持久性高,但对抗静电剂的要求高。

  二、抗静电剂

  塑料表面产生静电可能引起各种问题,如妨碍生产,发生火花导致爆炸和损坏电子设备的集成电路。清除静电的办法一般是使用表面活性剂,如抗静电剂来降低聚合物的表面电阻。由于这样的助剂具有吸湿性,在聚合物的表面吸收大气中的水分而形成一层很薄的导电薄膜,从而使静电迅速消除。在这一过程中水分起着重要的作用,随着大气湿度的提高,聚合物的表面导电能力也提高,使静电荷迅速流失,产生较好的抗静电性能。

  据用法的不同,表面活性抗静电剂有两种,即外用的和内用的、外用的、或局部的抗静电剂是通过喷撒、擦搽或浸渍而施于聚合物的表面。这种外用抗静电剂虽然适用于多种聚合物,但它们的效力只是暂时的,事后与溶剂接触或与他物摩擦很容易失掉。内用抗静电剂则是在聚合物加工过程中掺和于其中。这样的表面活性抗静电剂能够补充因搬运处理而被磨蚀的抗静电性能。这种内用抗静电剂的作用有赖于喷霜。这里喷霜的意思是指加入树脂中的内用抗静电剂部分地向聚合物表面迁移的过程。因此,内用抗静电剂具有长期的抗静电保护作用。

  表面活性抗静电剂可分为阳离子型的、阴离子型的和非离子型的。

  阳离子抗静电剂通常是些长链的烷基季铵磷盐,以氯化物作平衡离子。它们在极性基质中,如硬质聚氯乙烯和苯乙烯类聚合物中效果很好,但对其热稳定性有不良影响。这类抗静电剂通常不得用于与食物接触的物品中;而且抗静电效果仅为乙氧基化胺类之类内用抗静电剂的1/1O~1/5。

  阴离子抗静电剂通常是些烷基磺酸、磷酸或二硫代氨基甲酸的碱金属盐,也是主要用于聚氯乙烯和苯乙烯类树脂中;它们在聚烯烃类树脂中的应用效果与阳离子抗静电剂相似。在阴离子抗静电剂中,烷基磺酸钠已广泛应用于苯乙烯系树脂、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚碳酸酯中。

  非离子型抗静剂如乙氧基化脂肪族烷基胺代表着最大的一类抗静电剂。它们广泛地应用于聚乙烯、聚丙烯、ABS和其他苯乙烯系聚合物中。现在生产销售的有好几种乙氧基化烷基胺,其区别在于烷基链的长度和不饱和度的大小。乙氧基化烷基胺是很有效的抗静电剂,即使是在相对湿度低的情况下亦然,而且长期有效。这类抗静电剂已获美国联邦食品医药管理局批准,应用于与食品间接接触的物品中,其他商业上有价值的非离子型抗静电剂还有乙氧基化烷基酸胺,如乙氧基月桂酰胺,及甘油一硬脂酸酯(GMS)。乙氧基月桂酰胺适用于在湿度小的环境里使用的聚乙烯和聚丙烯,而且要求有速效长效的抗静电功能的场合。GMS类抗静电剂则只考虑用于加工过程中的静电保护。尽管GMS向聚合物表面迁移的速度快,但它不能像乙氧基化烷基胺或乙氧基化烷基酸胺那样发挥持久的抗静电作用。

  可以将高达75%的液体或低熔点的乙氧基化烷基胺和聚合物掺合制成浓缩母料,这些母料是自由流动的小球状产品,易于装运,而其混炼时易于分散。

  乙氧基化烷基胺母料的优点可归纳如下。

  1.分散性好,添加了预分散活性材料。

  2.装运性好,自由流动的小球状产品,易计量,易混合。

  3.加工性能好,在挤出机中少有螺杆打滑。

  抗静电剂的最佳选用和添加量取决于聚合物的性质、加工方式、加工条件、其他助剂的种类和多少、相对湿度和聚合物的最终用途。为了获得足够的抗静电作用所需的时间是不同的,抗静电保护作用的生成速度和持续时间可以通过提高抗静电剂的浓度而增加。但是,过量使用抗静电剂可能导致最终制品的表面油滑,有损于印刷性能或黏合性能。未经处理的无机填料和颜料,可将防静电剂分子吸附到它们的表面上,从而降低抗静电剂的作用。这种现象可以由增加抗静电剂的用量而得以补偿。但是,在美国,对于那些与食物接触的用品而言,抗静电剂的添加量必须符合美国联邦食品与药物管理局的规定。

  用于聚乙烯时,选用何种乙氧基化烷基胺抗静电剂需考虑它们的物理形态,即膏状、液体、小颗粒或固体。如果乙氧基化牛脂胺因其呈膏状而不能处理,则可用液体的乙氧基化油胺。在高温加工的条件下(180℃以上),可以选用乙氧基化硬脂酸胺。如果需要速效抗静电作用,则可选用乙氧基化月桂酰胺。用于聚丙烯时,考虑的问题与用于聚乙烯时相仿。无论用于哪种树脂,都必须考虑美国联邦要药物管理局的有关各项用途的规定限度。用于苯乙烯系聚合物时,建议选食品与化椰子胺或其某一种适当的母料。

  混配与加工如下。

  一般情况下抗静电剂是在密炼机或挤出机中与颜料和其他助剂一起混配。从技术上讲,纯抗静电剂,如乙氧基化烷基胺,还有另外一个优点,那就是在液体注射成型过程中它可以熔融,从而起颜料母料分散剂的作用。抗静电剂母料可以直接加入到最终加工设备中去。内用抗静电剂的作用与最终制品的生产加工条件有很大关系。例如,注射成型制品的抗静电性能取决于模具的温度。通常,模具的温度较低时,抗静电剂迁移较快,从而改善抗静电性能。

  三、评价抗静电剂效果的测试

  评价抗静电剂效果的测试方法有两个:表面电阻(率)法和静电衰变法;这两种方法都在广泛地使用。

  据ASTMD257-78的定义,材料的表面电阻率是电势梯度与材料表面单位宽度上通过的电流之比,它原则上与试样的几何形状有关。将两个电极放置于塑料样品表面的同一侧,并给电极通直流电;测量通过试样的电流,并计算电阻;然后把表面电阻率的测量结果用欧姆表示出来。

  据联邦测试方法4046的定义,静电衰变是指感应电荷的放电速度。将试样(通常是薄板或薄膜) 置于两个电极之间,电极与样品表面的距离为数毫米。一个电极接连于电源,另一个电极连接于电流表和记录器,由什个电极在样品表面上想应的电荷所引起的电场变化由另一个电极测量。抗静电样品将表现出感应电荷的衰变。衰变半衰期(以秒计) 便是电荷由其最初值衰减一半所需的时间。

  另一个广泛应用于工业的标准测试方法是美国军用标准,专用于电子产品的包装。选择哪种合适的方法要看需要进行检测的塑料的最终用途。

  从技术上来看,很多的研究开发工作依然继续围绕着电子产品的包装市场。乙氧基化月桂酰胺,通常被视为无胺抗静电剂,常用于这一方面。乙氧基化月桂酰胺在吹塑LDPE和LLDPE薄膜方面的用量亦在增长,因为它在低湿度条件下的抗静电效果也较好。这种产品的浓缩物和母料也可以买到。乙氧基化硬脂酞胺(含完全饱和的18-碳烷基链)已经应用于双轴定向聚丙烯薄膜的生产,在这个生产过程中加工温度高,要求抗静电剂具有高度热稳定性。




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