高分子材料的抗静电剂改性具有极其重要的意义

发布日期:2011/7/23

1.静电的产生与危害

　　（抗静电剂）一般认为物体本身是电中性的，当两种化学组成不同或者物理状态不同的材料接触、摩擦时，它们表面上就会发生电荷再分配而形成双电层。两种物质重

　　新分离后，每种材料上就会带上过量正（或负）电荷。这种形式产生的电荷就是静电。静电现象（thephenomenonofstaticelectricity）是指正常不带电的物体，由于摩擦、接触等原因而带上电荷的现象。摩擦产生的电荷可以通过体积传导、表面传导以及空中辐射的方式消散，但是如果电荷消散的速率比其产生的速率低，即电荷在绝缘体表面积累，当电荷积累到一定程度，静电荷就会以火花放电、电晕放电等形式向外释放。由于静电积累而产生的放电现象，在影响生产过程及制品的稳定性﹔在易燃易爆的环境中，还可能引起火灾或爆炸等危害。

　　高聚物制品具有许多优越的性能，在化工及电子等领域都有比较广泛的应用。但是由于其一般都具有比较高的表面电阻率和体积电阻率，静电积累造成的危害严重。因此在高聚物成型加工和使用过程中，需要对高聚物制品进行抗静电改性。

2.抗静电剂的应用和作用机理

　　通常抗静电的方法一是通过增加制品的润滑性，抑制静电荷的产生，例如软质PVC在加工过程中添加适当的增塑剂就可以提高润滑性，提高抗静电效果。

　　二是通过一定手段使已经产生的静电荷尽快泄漏。泄漏静电的方法主要有﹕接地﹔提高周围环境的湿度和增加材料的电导率。提高材料的电导率是抗静电最有效、最根本的方法，可以通过表面改性或添加导电填料来提高材料电导率，也可以通过使用有机抗静电剂来达到相同的效果。

　　有机抗静电剂是一种具有两亲结构、能够吸附在相界面上，降低相之间表面张力和材料电阻率的表面活性剂。有机抗静电剂通过在高聚物材料合成或加工过程中涂刷、喷洒在制品表面，或者在成型加工过程中添加到材料或制品内部以达到抗静电效果。有机抗静电剂的使用根据上述的使用方法分为外部涂敷法和内部混炼法。

　　外用抗静电剂的作用效果取决于制品表面电阻率的大小和抗静电剂的吸湿性，作用效果与抗静电剂溶液的浓度有很大关系，溶液较稀时，增加浓度可以提高吸附量，使抗静电性能提高，但当接近饱和吸附的时候，浓度的进一步增加对抗静电性能影响较小。
其作用机理主要为﹕
（1）抗静电剂的亲水基吸附空气中的水分子，形成一个单分子导电膜。
（2）离子型抗静电剂增加制品表面的离子浓度，增加制品的表面电导。
（3）增加摩擦体间隙之间的介电性能。
（4）抗静电剂的电荷中和制品表面电性相反的电荷。
（5）增加制品表面的平滑性，降低摩擦系数，减少电荷的产生。

　　对于内用抗静电剂，其作用效果除了和电阻率及吸湿性有关外，还受它们与高聚物相容性以及迁移速度的影响，作用机理主要是抗静电剂的亲水性基团迁移到制品表面并形成水吸附层，通过吸附层起到提高电导率的作用。这点与某些外用型抗静电剂的作用机理相似，不同的是制品内部的抗静电剂会不断向表面迁移9并补充制品表面因经水洗或摩擦而脱落的抗静电层，这样就会提高抗静电剂的耐持久性。

3.抗静电剂的选用原则

　　由于聚合物种类多样，各种抗静电剂的作用效果是不同的，所以不同聚合物在加工或使用过程中，要选择不同类型的抗静电剂。理想的抗静电剂既要具有即时性，又要具有持久性，但是根据不同的情况，一般都有不同的要求，其中最基本的原则是。

　　（1）耐久性、耐摩擦性。抗静电剂经过洗涤和摩擦从聚合物表面脱落就会失去效用，耐磨擦性抗静电剂往往具有高效持久的特点。

　　（2）热稳定性。对于添加型抗静电剂，一般都是在聚合物加工的条件下混合到聚合物集体中，这就要求抗静电剂在制品加工温度下或在反复加热过程中不会分解。一般阳离子季铵盐类和非离子型表面活性剂都具有比较好的热稳定性。

　　（3）与聚合物基体有合适的相容性。对于添加型抗静电剂，如果与基体相容性差，就会全部从聚合物中迁移到基体的表面，这种抗静电往往耐久性差﹔而如果抗静电剂与基体相容性太好，就会完全分散在聚合物基体中，无法向基体的表面迁移，起不到抗静电作用。

　　（4）对制品机械性能及表面特性的影响。由于聚合物加工与使用过程中需要一定的机械强度，所以抗静电剂不应该对制品的机械性能有所影响﹔同时抗静电剂也不能影响制品的透明度、著色性。

　　（5）与其他助剂之间的无对抗作用。在高聚物加工过程中往往加入很多助剂，如增塑剂、抗氧剂、热稳定剂、阻燃剂等，作为一种表面活性剂，抗静电剂必须与其他助剂有比较好的相容性。

　　（6）无毒无臭，对皮肤没有刺激性，不会破坏环境。

4.影响高聚物制品抗静电性能的诸因素

　　对于大部分有机抗静电剂来说，主要是通过在塑料制品的表面形成一层吸附膜来达到抗静电性能的，因此环境相对湿度、温度以及表面浓度等都对塑料制品抗静电性能产生一定的影响。

①相对湿度对抗静电性能的影响

　　聚合物制品表面上的抗静电剂，通过亲水基团吸附空气中的水蒸气形成一层导电膜，从而使材料具有抗静电性。在亲水基团的吸附能力达到饱和之前，它总

　　是显现出吸湿性，亲水基团在吸附空气中水份的同时，也在向空气中释放水份，这个过程存在一种动态的平衡。当空气的相对湿度比较大的时候9抗静电剂能够最大程度的吸附空气中的水分子，从而达到比较好的抗静电性能。当抗静电剂达到吸附饱和后，样品表面的抗静电通路数目基本饱和，且形态与环境湿度关系不大，因此样品的表面电阻率对环境湿度的依赖程度减小。

　　另外，分子中的亲水基团表面能较大，在样品表面往往相互团聚，这样可以降低样品的整体表面能，因此形成宏观均匀、微观孤立的一个个小岛（海岛结构）。在吸附环境的水份后，形成以小岛为中心的小液膜，这些小液膜可看作是被隔离的导电点，此时形成的小液膜的主要导电介质是水和微量的杂质，液膜之间的连通数量也较少，所以样品的表面电阻率较高。随著环境湿度的上升，一方面样品表面吸附的水量不断增加，即液膜厚度、体积不断增加，引起小液膜电阻降低﹔另一方面，液膜厚度增加后，小液膜之间的通路数量也会增加。这两方面的原因导致样品的表面电阻率有较大下降。

②温度对抗静电性能的影响

　　在室温条件下，一般塑料制品的抗静电性能变化不大。但是当温度增加，高分子链段的移动性增加，自由体积变大﹔同时，抗静电剂分子的微布朗运动加剧，抗静电剂在聚合物基体中的迁移速率增大，使制品的表面抗静电性能提高。

③树脂的分子移动性与树脂结晶性的影响

　　当温度在聚合物玻璃化温度（Tg）以上时，添加到聚合物中的抗静电剂依靠聚合物分子的微观布朗运动，不断向表面迁移。在此温度以下，聚合物分子链段呈冻结状态，抗静电剂几乎封闭在聚合物分子链段之间，难以向表面迁移。在这种情况下，要选择与树脂极性差别大的抗静电剂，并适当增大添加量，借助成形加工过程的温度和压力，向制品表面转移。

　　另一方面，聚合物结晶状态的不同也造成抗静电剂迁移速率的差异。抗静电剂由于与聚合物基体的相容性存在差别，通常会存在于非晶区，而且非晶区里分子的运动比在晶区更容易，因此非晶聚合物的抗静电效果往往比结晶聚合物好。例如﹕在HDPE和LHDPE中使用同样的抗静电剂，结果表明结晶度低的LHDPE较结晶度高的,HDPE在成型后产生抗静电性能的时间短，效果好。

④相容性对抗静电性能的影响

　　对于玻璃化转变温度低于室温的聚合物（如聚烯烃）来说，表面活性剂的持续迁移是达到所需要抗静电性能的重要因素，而对于玻璃化转变温度高于室温的聚合物（如PVC\ABS和等PSt），表面活性剂与聚合物基体的相容性则是达到所需抗静电性能最重要的因素。

　　抗静电剂与聚合物基体的相容性取决于高分子材料的分子结构和抗静电剂的极性，极性相近的（溶度参数相近）相容。两者相容性过甚，抗静电剂分子的迁移难以进行，表面损失的抗静电剂不能及时得到补充，难以发挥作用﹔相容性太差又造成加工困难，抗静电剂会大量析出，可能造成制品表面喷霜等外观不良，而析出的抗静电剂会很快损失，同样难以维持持久的抗静电效果。因此选择适当的亲水基与亲油基的搭配，是抗静电剂特别是内用抗静电剂分子设计考虑的重点。

⑤表面浓度的影响

　　由于表面活性剂型抗静电剂是迁移到制品表面后才产生抗静电效果的，因此抗静电效果的好坏与表面浓度有直接关系。但是只有抗静电剂含量添加到一定程度时，高分子材料才能显现出抗静电效果。制品的抗静电性能与抗静电剂的添加量并没有必然的联系。当抗静电剂超过一定用量后，即使继续增加其添加量，材料的抗静电性能也不再提高，反而对材料的其他性能会产生负面影响。抗静电剂在聚合物基体中的分散状况与两者的相溶性有很大关系。当抗静电剂分子的极性与聚合物基体相差非常小时，抗静电剂在塑料母体中均匀分散，则其表面浓度较高，塑料制品具有较好的抗静电性能﹔当抗静电剂分子极性过强（与基体的相容性极差）时，大量的抗静电剂分子则可能团聚在塑料母体内部而不能迁移出来，同样导致其表面浓度降低，使塑料制品的抗静电性能劣化。

⑥成型加工工艺对抗静电性能的影响

　　聚合物掺混体系中界面状态的变化，为粘度低的组分覆盖粘度高的组分。利用这种性质可控制聚合物合金的相结构。即在共混过程中最好是抗静电剂的浓

　　度要低于树脂基体的浓度。选择适宜的混料方式、成型加工温度、螺杆的转速以及冷却速率有利于提高塑料制品的抗静电性能。丁运生了制备工艺对抗静电聚丙烯抗静电性能的影响。