Kun kaksi kiinteää ainetta, joilla on eri fysikaaliset tilat, joutuvat kosketuksiin ja hankaavat toisiaan vasten, niiden vastaavat pinnat läpikäyvät varauksen uudelleenjakautumisen. Uudelleen erottamisen jälkeen jokaisella kiinteällä pinnalla on ylimäärä positiivista (tai negatiivista) varausta verrattuna ennen kosketusta, jota kutsutaan staattiseksi sähköksi. Materiaalin johtavuuden karakterisoimiseksi käytetään ominaisvastuskäsitettä. Tilavuusresistiivisyys on materiaalin pinnalla olevan virran suunnan suuntaisen potentiaaligradientin suhde pinnan leveysyksikköä kohti. Yleensä polymeerit ovat eristysmateriaaleja, joilla on korkea sähkövastus, joten kun ne on ladattu, niitä on vaikea poistaa. Arkielämässä muovilattialla kävellessä kengänpohjan ja lattian välinen kitka voi saada ihmiskehon latautumaan. Vakavissa tapauksissa, jos käsi joutuu kosketuksiin ovenkahvan tai esineen kanssa, se voi myös tuottaa vuotoa, mikä aiheuttaa pistelyä; Lääketieteellisen leikkauksen aikana tapahtuu sähköiskuonnettomuus. Elektroniikkateollisuudessa ihmisen sähköistyminen voi helposti murtautua piireistä ja vahingoittaa integroituja piirejä; Tekstiiliteollisuus aiheuttaa kuitujen aggregaatiota ja niin edelleen.
Staattisen sähkön poistamiseksi polymeereistä on kaksi tapaa
(1) Lisää johtavia täyteaineita, kuten metallia, hiilikuitua ja hiiltä. Tämä menetelmä vaatii suuren määrän täyteainetta. Täyteaineen johtavuuden äkillisen laskun on saavutettava tietty prosenttiosuus antistaattisen vaikutuksen saavuttamiseksi. Runsaasti lisättyjä tuotteita sisältävien tuotteiden väriä ja laatua rajoitetaan suuresti. Esimerkiksi hiilimustalla täytetyn PP:n johtavuus muuttuu merkittävästi vain prosenttiosuuden saavuttaessa 15 %. Tällä hetkellä materiaalin väri ei enää täytä useiden ja kauniiden materiaalien vaatimuksia. Metalliset täyteaineet parantavat materiaalien laatua. Metallikuitutäyteaineet ovat huonolaatuisia, mutta ne ovat alttiita rikkoutumaan ja hapettumaan käsittelyn aikana, mikä tekee niistä kalliimpia.
(2) Antistaattisten aineiden lisääminen pinnan aktivoimiseksi ja pinnan johtavuuden parantamiseksi: 1. Pinnalla päällystetyillä antistaattisilla aineilla on alhainen kestävyys ja ne häviävät helposti kitkan ja pesun vuoksi, mikä tarjoaa vain tilapäisiä tai lyhytaikaisia antistaattisia vaikutuksia. 2. Seka-antistaattiset aineet ovat erittäin kestäviä, mutta ne vaativat korkeat vaatimukset antistaattisille aineille.
Antistaattinen aine
Staattisen sähkön syntyminen muovipinnoille voi aiheuttaa erilaisia ongelmia, kuten tuotannon estämistä, räjähdyksiä aiheuttavia kipinöitä ja elektronisten laitteiden integroitujen piirien vaurioitumista. Yleisin menetelmä staattisen sähkön poistamiseksi on käyttää pinta-aktiivisia aineita, kuten antistaattisia aineita, vähentämään polymeerien pintavastusta. Tällaisten lisäaineiden hygroskooppisuuden vuoksi ne imevät kosteutta ilmakehästä polymeerin pinnalta muodostaen ohuen johtavan kalvon, joka eliminoi nopeasti staattisen sähkön. Vedellä on tärkeä rooli tässä prosessissa. Ilman kosteuden kasvaessa myös polymeerin pinnanjohtavuus paranee, mikä aiheuttaa nopean staattisen varauksen menetyksen ja hyvän antistaattisen suorituskyvyn.
Eri käyttötarkoitusten mukaan pinta-aktiivisia antistaattisia aineita on kahta tyyppiä, nimittäin ulkoisia ja sisäisiä. Ulkoisia tai paikallisia antistaattisia aineita levitetään polymeerien pinnalle ruiskuttamalla, pyyhkimällä tai kyllästämällä. Vaikka tämä ulkoinen antistaattinen aine sopii useille polymeereille, sen tehokkuus on vain väliaikainen ja se on helppo menettää kosketuksissa liuottimien tai muiden aineiden kanssa kitkaan. Sisäisiä antistaattisia aineita lisätään polymeerin käsittelyn aikana. Tämän tyyppinen pinta-aktiivinen antistaattinen aine voi täydentää antistaattista toimintaa, joka on kulunut käsittelyn vuoksi. Tämän sisäisen antistaattisen aineen vaikutus riippuu routaruiskutuksesta. Huurreruiskutus tarkoittaa tässä prosessia, jossa hartsiin lisätty sisäinen antistaattinen aine siirtyy osittain polymeerin pinnalle. Siksi sisäisillä antistaattisilla aineilla on pitkäaikainen antistaattinen suojavaikutus.
Pinta-aktiiviset antistaattiset aineet voidaan jakaa kationisiin, anionisiin ja ei-ionisiin tyyppeihin.
Kationiset antistaattiset aineet ovat yleensä pitkäketjuisia kvaternaarisia alkyyliammoniumi-, fosfori- tai lyijysuoloja, joiden tasapainoioneja ovat kloridit. Ne toimivat hyvin polaarisissa matriiseissa, kuten jäykissä polyvinyylikloridi- ja styreenipohjaisissa polymeereissä, mutta niillä on negatiivinen vaikutus niiden lämpöstabiilisuuteen. Tämän tyyppistä antistaattista ainetta ei yleensä saa käyttää elintarvikkeiden kanssa kosketuksissa olevissa esineissä. Ja antistaattinen vaikutus on vain 1/5 - 1/10 sisäisten antistaattisten aineiden, kuten etoksyloitujen amiinien, vaikutuksesta.
Anioniset antistaattiset aineet ovat tavallisesti alkyylisulfonihapon, fosforihapon tai ditiokarbamaatin alkalimetallisuoloja, ja niitä käytetään pääasiassa polyvinyylikloridi- ja styreenihartseissa; Niiden käyttövaikutus polyolefiinihartseissa on samanlainen kuin kationisten antistaattisten aineiden. Natriumalkyylisulfonaattia on käytetty laajalti styreenipohjaisissa hartseissa, polyvinyylikloridissa, polyeteenitereftalaatissa ja polykarbonaatissa anionisena antistaattisena aineena.
Ionittomat antistaattiset aineet, kuten etoksyloidut alifaattiset alkyyliamiinit, edustavat suurinta antistaattisten aineiden luokkaa. Niitä käytetään laajalti polyeteenissä, polypropeenissa, ABS:ssä ja muissa styreenipohjaisissa polymeereissä. Tällä hetkellä valmistetaan ja myydään useita etoksyloituja alkyyliamiineja, joiden ero on alkyyliketjun pituus ja tyydyttymättömyysaste. Etoksialkyyliamiini on erittäin tehokas antistaattinen aine myös alhaisessa suhteellisessa kosteudessa ja on tehokas pitkään. Federal Food and Drug Administration on hyväksynyt tämän tyyppisen antistaattisen aineen käytettäväksi tuotteissa, jotka ovat epäsuorassa kosketuksessa elintarvikkeiden kanssa. Muita kaupallisesti arvokkaita ei-ionisia antistaattisia aineita ovat etoksyloitu alkyyliamiini, kuten etoksyloitu lauroyyliamiini, ja glyserolimonostearaatti (GMS). Etoksilauryyliamiini soveltuu polyeteenille ja polypropeenille, jota käytetään alhaisessa kosteudessa ja vaatii nopeita ja pitkäkestoisia antistaattisia toimintoja. GMS-antistaattiset aineet otetaan huomioon vain sähköstaattisena suojana käsittelyn aikana. Vaikka GMS siirtyy nopeasti polymeerien pinnalle, sillä ei voi olla pitkäaikaisia antistaattisia vaikutuksia, kuten etoksyloitua alkyyliamiinia tai etoksyloitua alkyyliamiinia.
Jopa 75 % nestemäisiä tai matalan sulamispisteen etoksyloituja alkyyliryhmiä ja polymeerejä voidaan sekoittaa väkevän perusseoksen muodostamiseksi. Nämä masterbatsit ovat vapaasti virtaavia pallomaisia tuotteita, joita on helppo kuljettaa, mutta ne hajoavat helposti sekoituksen aikana. Etoksyloidun alkyyliamiinin perusseoksen edut voidaan tiivistää seuraavasti:
(1) Hyvä dispergoituvuus, kun on lisätty esidispergoituja aktiivisia aineita.
(2) Pienen pallon muotoinen tuote, jolla on hyvä kuljetettavuus ja vapaa virtaus, helppo mitata ja sekoittaa.
(3) Hyvä käsittelyteho, vähemmän ruuvin liukumista suulakepuristimessa.
Antistaattisten aineiden valinta ja annostus riippuvat polymeerin ominaisuuksista, käsittelymenetelmistä, käsittelyolosuhteista, muiden lisäaineiden tyypeistä ja määristä, suhteellisesta kosteudesta ja polymeerin lopullisesta käyttötarkoituksesta. Riittävän antistaattisen vaikutuksen saavuttamiseen tarvittava aika vaihtelee, ja antistaattisen suojan nopeutta ja kestoa voidaan lisätä lisäämällä antistaattisen aineen pitoisuutta. Antistaattisten aineiden liiallinen käyttö voi kuitenkin johtaa lopputuotteen liukkaaseen pintaan, mikä voi vahingoittaa tulostus- tai liimausominaisuuksia. Käsittelemättömät epäorgaaniset täyteaineet ja pigmentit voivat adsorboida antistaattisten aineiden molekyylejä pinnoilleen, mikä vähentää antistaattisten aineiden tehokkuutta. Tämä ilmiö voidaan kompensoida lisäämällä käytetyn antistaattisen aineen määrää. Elintarvikkeiden kanssa kosketuksiin joutuvien tuotteiden lisättyjen antistaattisten aineiden määrän on kuitenkin oltava liittovaltion elintarvike- ja lääkeviraston määräysten mukainen (katso Federal Regulations Code, 21 (21CFR)). (Codeof Federal Regulations, Title21 (21CFR)).
Polyeteeniä käytettäessä etoksyloidun alkyyliamiinin antistaattisen aineen valinnassa tulee ottaa huomioon niiden fyysinen muoto, kuten tahna, neste, pienet hiukkaset tai kiinteä aine. Jos etoksyloitua taliamiinia ei voida käsitellä sen tahnamaisen luonteen vuoksi, voidaan käyttää nestemäistä etoksyloitua oleamiinia. Korkean lämpötilan käsittelyolosuhteissa (yli 180 astetta) voidaan valita etoksyloitu stearftalamiini. Jos tarvitaan nopeasti vaikuttavaa antistaattista vaikutusta, voidaan valita etoksyloitu lauryyliamiini. Polypropeenia käytettäessä huomioon otettavat seikat ovat samanlaisia kuin polyeteeniä käytettäessä. Riippumatta käytetyn hartsin tyypistä, on otettava huomioon liittovaltion elintarvike- ja lääkeviraston asettamat rajoitukset eri käyttötarkoituksiin. Kun käytetään styreenipohjaisia polymeerejä, on suositeltavaa valita etoksyloitu kookosamiini tai jokin sen sopivista masterbatseista.
Sekoitus ja käsittely
Yleensä antistaattiset aineet sekoitetaan pigmenttien ja muiden lisäaineiden kanssa sekoittimessa tai ekstruuderissa. Teknisesti puhtailla antistaattisilla aineilla, kuten etoksyloidulla alkyyliamiinilla, on toinen etu, joka on, että ne voivat sulaa nestemäisen ruiskupuristuksen aikana ja siten toimia pigmentin perusseoksen dispergointiaineina. Antistaattisen aineen perusseos voidaan lisätä suoraan lopulliseen käsittelylaitteeseen. Sisäisten antistaattisten aineiden vaikutus liittyy läheisesti lopputuotteen tuotanto- ja käsittelyolosuhteisiin. Esimerkiksi ruiskupuristettujen tuotteiden antistaattinen suorituskyky riippuu muotin lämpötilasta. Yleensä, kun muotin lämpötila on alhainen, antistaattinen aine siirtyy nopeasti, mikä parantaa antistaattista suorituskykyä.
Antistaattisten aineiden tehokkuuden arvioimiseksi on kaksi testausmenetelmää: pintaresistanssi (nopeus) -menetelmä ja sähköstaattinen vaimenemismenetelmä; Molemmat menetelmät ovat laajalti käytössä.
ASTMD:n257-78 määritelmän mukaan materiaalin pintaresistiivisyys on potentiaaligradientin suhde materiaalin pinnan yksikköleveyden läpi kulkevaan virtaan, joka yleensä liittyy näytteen geometriseen muotoon. Aseta kaksi elektrodia muovinäytteen pinnan samalle puolelle ja syötä elektrodeihin tasavirtaa; Mittaa näytteen läpi kulkeva virta ja laske vastus; Esitä sitten pintaresistanssin mittaustulokset ohmeina.
Federal Test Method 4046:n määritelmän mukaan sähköstaattinen vaimeneminen viittaa indusoitujen varausten purkautumisnopeuteen. Aseta näyte (yleensä ohut levy tai kalvo) kahden elektrodin väliin siten, että elektrodien ja näytteen pinnan välinen etäisyys on useita millimetrejä. Toinen elektrodi on kytketty virtalähteeseen ja toinen elektrodi ampeerimittariin ja tallentimeen. Toisella elektrodilla mitataan näytteen pinnalla olevan yhden elektrodin indusoiman varauksen aiheuttama sähkökentän muutos. Antistaattiset näytteet osoittavat indusoituneiden varausten hajoamista. Hajoamisen puoliintumisaika (sekunteina) on aika, joka kuluu varauksen vaimenemiseen puoleen alkuperäisestä arvostaan.
Toinen teollisuudessa laajalti käytetty standarditestausmenetelmä on amerikkalainen standardi, jota käytetään elektronisten tuotteiden pakkaamiseen. Sopivan menetelmän valinta riippuu testattavan muovin lopullisesta käyttötarkoituksesta.
Itse muovin sähkövastus on 1014 ohmia. Kun antistaattisia aineita lisätään taulukossa A esitetyn määrän mukaisesti, sähkövastus voi laskea 1013-109 ohmiin. Jos haluamme edelleen pienentää resistiivisyyttä, voimme luottaa vain johtavuuden parantamiseen, kuten johtavaan hiilimustan käyttöön.
Antistaattista pakkaustekniikkaa kehitetään korostamaan ympäristönäkökohtia. Laajalti käytetty etoksyloitu alkyyliamiini on nyt pakattu uudelleenkäytettäviin bulkkisäiliöihin. Toimittajat valmistavat yleensä korkeamman pitoisuuden antistaattisia aineita, joita voidaan laimentaa käsittelytarpeiden mukaan sen jälkeen, kun ne on toimitettu käyttäjille. Sen tarkoituksena on alentaa kiinteän jätteen käsittelyn kustannuksia. Kehittämällä korkean pitoisuuden antistaattisia aineita valmistajat voivat toimittaa enemmän antistaattisia aineita kerralla ja vähentää pakkaussäiliöiden määrää, joita käyttäjien on käsiteltävä.
Teknisesti tarkasteltuna paljon tutkimus- ja kehitystyötä pyörii edelleen elektroniikkatuotteiden pakkausmarkkinoiden ympärillä. Etoksyloitua lauryyliamidia, jota pidetään yleisesti amiinivapaana antistaattisena aineena, käytetään yleisesti tällä alueella. Myös LDPE- ja LLDPE-kalvojen puhallusmuovauksessa käytettävän etoksyloidun lauryyliamiinin määrä kasvaa, sillä sen antistaattinen vaikutus on myös parempi alhaisissa kosteusolosuhteissa. Tämän tuotteen tiivistettä ja perusseosta voi myös ostaa. Etoksyloitua stearoftaaliamiinia (sisältää täysin tyydyttyneitä 18 hiilialkyyliketjuja) on käytetty biaksiaalisesti orientoitujen polypropeenikalvojen valmistuksessa. Tässä tuotantoprosessissa korkeat prosessointilämpötilat vaativat antistaattisten aineiden korkean lämpöstabiilisuuden.