抗靜電劑的分類及應用

抗靜電劑是一類添加在樹脂或塗布於高分子材料表面以防止或消散靜電荷產生的化學添加劑。抗靜電劑自身沒有自由活動的電子,屬於表面活性劑範疇,它通過離子化基團或極性基團的離子傳導或吸濕作用,構成泄漏電荷通道,達到抗靜電的目的。

分類及特性【1】【3】

 

抗靜電劑按照使用方式可分為外部抗靜電劑和內部抗靜電劑兩大類。外部抗靜電劑是把抗靜電劑以一定濃度溶於醇或醇-醇混合溶液中,對塑料製品表面進行塗覆或浸漬,經過烘乾或涼干抗靜電劑牢固地結合在制品表面。使用時不影響聚合物的加工性能和物理機械性能,但因摩擦、洗滌或向聚合物內部遷移而逐步減少,因此,處理後抗靜電效果難以持久。內部抗靜電劑是在聚合物材料加工前或加工中加入的,其分子分散在聚合物分子之間,表面的抗靜電劑損失後,能及時遷移到製品表面,使其保持持久的抗靜電效果。

按照作用的耐久性又分暫時性抗靜電劑和耐久性抗靜電劑;按照抗靜電劑的結構特徵又可分為:無機鹽類、表面活性劑、無機半導體、電解質高分子和有機半導體高聚物等,下面重點介紹表面活性劑抗靜電劑。這類抗靜電劑按分子中的親水基能否電離,以及離子化特徵可分為陰離子型、陽離子型、兩性型和非離子型。

1.陰離子型抗靜電劑

在這類抗靜電劑中,分子的活性部分是陰離子,其中包括烷基磺酸鹽、硫酸鹽、磷酸衍生物、高級脂肪酸鹽、羧酸鹽及聚合型陰離子抗靜電劑等。其陽離子部分多為鹼金屬或鹼土金屬的離子、銨、有機胺、氨基醇等,廣泛用於化纖油劑、油品等的抗靜電劑。在塑料工業中,除了某些烷基磷酸酯、烷基硫酸酯及其胺鹽用作外部抗靜電劑外,一般較少用作內部抗靜電劑使用。

2.陽離子型抗靜電劑

陽離子型抗靜電劑主要包括胺鹽、季銨鹽、烷基胺基酸鹽等。其中季銨鹽最為重要,抗靜電性能優良,對高分子材料有較強的附著力,廣泛用作纖維和塑料的抗靜電劑。但是,有些季銨鹽化合物熱穩定性差,具有一定的毒性和刺激性,並且與某些著色劑和螢光增白劑反應,作為內部抗靜電劑使用受到限制。

季銨鹽季銨鹽是用叔胺與烷基化試劑通過季銨化反應來合成的。通常的烷基化試劑有烷基鹵化物如CH3Cl、CH3Br、CH2=CHCH2Cl,芳香族鹵化物如C6H5CH2Cl、C6H5Cl以及硫酸二烷酯等。隨著所使用的叔胺和烷基化試劑的不同,作為抗靜電劑使用的季銨鹽品種很多,較重要的代表性品種有以下幾類:

1)烷基叔胺氯化物:代表品種有硬脂醯三甲基氯化銨(如Arguad18),硬脂醯二甲基戊基氯化銨,廣泛作為纖維、織物的抗靜電劑、柔軟劑。

2)烷基叔胺硝酸鹽:代表品種有抗靜電劑SN,是帶有醯胺結構的陽離子季銨鹽抗靜電劑,廣泛作為塑料的內、外抗靜電劑,可用於聚氯乙烯、聚苯乙烯、丙烯酸樹脂、ABS樹脂、聚乙烯、聚丙烯和聚酯等多種塑料。

3)烷基叔胺硫酸酯鹽:代表性品種有:(月桂醯胺丙基三甲基銨)硫酸甲酯鹽(美國氰胺公司CyastatLS)、N,N-雙(2-羥乙基)-N-(3′-十二烷氧基-2′-羥基丙基)甲銨硫酸甲酯鹽(美國氰胺公司Cyastat609)、三羥乙基甲基季銨硫酸甲酯鹽(英國Temas公司抗靜電劑TM)、N,N-十六烷基乙基嗎啉硫酸乙酯鹽(美國Baird公司BarquatCME)等。

4)烷基叔胺磷酸鹽:這類陽離子型抗靜電劑有硬脂醯胺丙基二甲基-β-羥乙基銨二氫磷酸鹽(美國氰胺公司CyastatSP)。除了季銨鹽之外,陽離子型抗靜電劑還包括烷基胺、環胺、醯氨基胺的鹽、咪唑啉鹽乙基丙烯醯胺鹽等。廣泛的用作纖維的抗靜電劑和表面處理劑。

3.非離子型抗靜電劑

這類抗靜電劑分子本身不帶電荷而且極性很小。通常非離子型抗靜電劑具有一個較長的親油基,與樹脂有良好的相容性。同時非離子型抗靜電劑毒性低,具有良好的加工性和熱穩定性,是合成材料理想的內部抗靜電劑。主要有聚乙二醇酯或醚類、多元醇脂肪酸酯、脂肪酸烷醇醯胺、脂肪胺乙氧基醚等化合物。

4.兩性抗靜電劑

從廣義上看兩性型抗靜電劑是指在抗靜電劑分子結構中同時具有兩種或兩種以上離子性質的抗靜電劑。 通常,兩性抗靜電劑主要是指在分子結構中同時具有陰離子親水基和陽離子親水基這樣一類的離子型抗靜電劑。分子結構中的親水基在水溶液中產生電離,在某些介質中表現為陰離子表面活性劑特徵,而在另一些介質中又表現為陽離子表面活性劑特徵。此類抗靜電劑與高分子材料有良好的相容性、配伍性,以及較好的耐熱性,是一類性能優良的內部抗靜電劑。具有兩性型離子的化合物很多,但作為抗靜電劑使用的主要有季銨羧酸內鹽、咪唑啉金屬鹽等。

5.高分子永久性抗靜電劑

用各種親水性聚合物作為抗靜電劑,加入到基料樹脂中可得到高分子聚合型永久性抗靜電劑樹脂,技術關鍵是提高永久性抗靜電劑在樹脂中的分散程度和狀態,因為它是在母體中形成芯殼結構,並以此為通路泄漏靜電荷。永久性抗靜電劑以微細的層狀或筋狀形態主要分布在制品表面,而在中心部分較少且主要以顆粒狀存在。決定形態結構的主要因素是成形加工條件和與母體樹脂的相容性,最直接的影響因素是母體與永久性抗靜電劑的熔融粘度差或粘度比,它常以剪切速率和加工溫度控制。
根據電荷狀態,永久性抗靜電劑可分為陽離子型、陰離子型和非離子型,抗靜電能力依次減小。環氧乙烷及其衍生物的共聚物研究最早,也是目前商品化的主要品種,已廣泛應用的有:聚環氧乙烷(PEO),聚醚酯醯胺及聚醚酯醯亞胺(PEEA)等。

 

使用技術【1】

外部塗敷法即在高分子材料表面塗上一層抗靜電劑,從而使其起到表面抗靜電作用。具體步驟是:先用水、乙醇或醋酸乙酯等溶劑將抗靜電劑配製成0.5%～2.0%濃度的溶液,然後直接噴塗、浸漬或塗刷材料表面,在經室溫或熱空氣乾燥而形成抗靜電塗層。該法的優點是操作簡單、用量較少,且不影響製品的成形加工性能。缺點是使用壽命較短,經過水洗或摩擦後,抗靜電塗層容易脫落或消失,因此是一種暫時性的抗靜電處理方法。國外曾採用高分子活性表面活性劑作為抗靜電塗層,在一定程度上改善了高分子材料抗靜電劑的持久性。
 

內部混煉法則是將抗靜電劑與樹脂經機械混合後再加工成形,抗靜電劑分子由高分子材料內部向表面遷移,並在表面形成均勻的抗靜電層。若表面的抗靜電劑因水洗或擦落後,內部抗靜電劑分子還可以移向表面,從而恢復其抗靜電性能,因此又成為永久性抗靜電劑,這種技術目前已被廣泛應用。

作用機理【1】

無論是外部塗敷法還是內部混煉法,高分子材料用抗靜電劑的作用機理主要表現在兩個方面:一是抗靜電劑在材料表面形成導電性的連續膜,即能賦予製品表面具有一定吸濕性與離子性的薄膜,從而降低表面電阻率,使已經產生的靜電荷迅速泄漏,以達到抗靜電的目的;二是賦予材料表面有一定的潤滑性,降低摩擦係數,從而抑制和減少靜電荷的產生。

應用【2】

1.抗靜電劑在紡織工業中的應用

隨著人們生活水平的提高,對纖維製品的消費量越來越大，目前全世界化學纖維的年耗量已達1700萬t/a,消耗的紡絲油劑達18萬t/a，作為紡絲油劑成分之一的抗靜電劑消耗量也隨之增加。此外,紡紗、織布、織物整理過程也會用到抗靜電劑。
 

2.抗靜電劑在塑料工業中的應用

抗靜電劑在塑料工業中得到廣泛的應用,例如計算機、電視機等電子產品的靜電防護,電子儀器塑料殼體的靜電消散,石油輸送管道、礦用管及醫療器械的防靜電等。

韌小編：抗靜電添加在熱塑性彈性體TPE中可以增加爽滑的手感，重要的是可以避免熱塑性彈性體沾灰的特性。美特公司有TPE K400系列是抗靜電規格。

3.抗靜電劑在製漿造紙工業中的應用

在造紙工業中,抗靜電劑主要用在特殊加工紙生產上。使用量最多、性能最好的是陽離子型抗靜電劑,主要有季銨鹽及脂肪胺的氧化物或衍生物。如Cyas-tat609、抗靜電劑SN等;其次是兩性型抗靜電劑,主要有甜菜鹼型和咪唑啉型,如日本日華化學工業公司的TF-37Y;陰離子表面活性劑的一些品種也是優良的抗靜電劑,如碳鏈較長的烷基磺酸鹽、烷基硫酸鹽等,特別是高碳磷酸酯鹽的抗靜電性可與陽離子相比,如鍾紡NSC公司的Versa-TL126。

在塗布紙中,如靜電系列的記錄紙或氧化鋅靜電複印紙等生產,通過在塗料配方中添加十八烷基三甲基氯化銨、聚氧乙烯失水山梨醇酯、烷基酚(或脂肪醇)聚氧乙烯醚磷酸酯鹽、聚苯乙烯磺酸鹽、聚乙烯苄基三甲基氯化銨、順丁烯二酸酐與苯乙烯共聚物的鹼金屬鹽等可賦予紙張抗靜電性能。

4.抗靜電劑在塗料方面的應用

在高級家具漆及裝飾性塗料中,塗膜的低表面電阻能使表面不附塵沾污,提高裝飾性能。電子儀器及高精密儀器的表面塗層,尤其忌諱塵污沾染。塗料中使用的抗靜電劑有聚氧乙烯型季銨鹽、月桂基苄基甲胺氯化物及脂肪胺環氧乙烷縮合物等。如在改性丙烯酸酯類塗料中,加入質量分數為0.4%～0.6%的某種非離子型複合抗靜電劑可使塗層的表面電阻率降低到1010Ψ,且塗層的附著性能較好,而未加抗靜電劑時其表面電阻率為1014～15Ψ。防靜電塗料可用於汽車、電器配線系統、油罐、感光材料和航空等領域。

5.抗靜電劑在其他方面的應用

燃料油在管線中流動時,因湍流會產生大量靜電,若加少量抗靜電劑就能大幅度提高其導電性,從而消除靜電。常用的抗靜電劑有烷基水楊酸鉻、C18～20脂肪酸或鉻鹽、環烷酸鉻(或鈷)、油酸或亞油酸鉻等油溶性鹽類。如美國殼牌公司的ASA-3抗靜電劑是含單和雙烷基水楊酸鉻、丁二酸二辛酯磺酸鈣、2-甲基-5-乙烯基吡啶和甲基丙烯酸十二酯的共聚物。

在革製品如服裝革及鞋面革生產中,或皮革表面加工中極易產生靜電,會影響革的薄層塗飾的均勻性,且易吸附灰塵,可用Trumpler公司的抗靜電劑ResistolCAS(即硫酸化脂肪醇醚)處理[17],或用聚乙烯的胺類加成物、季銨化合物和磺酸酯類作抗靜電劑。

在聚氨酯橡膠傳送帶中,使用英國ABM公司的CataforPU抗靜電劑,有較好的穩定的抗靜電效果。若將CataforPU以2%加入量用於微孔聚氨酯橡膠中,可生產安全鞋底。波蘭Rokin工廠的RokaminSK-8抗靜電劑加入熱塑型和澆注型聚氨酯橡膠中,用於製造紡紗牽伸膠輥和印刷膠輥。