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抗静电剂有什么用?

发布日期:2017/12/19 10:46:49

任何物体都带有本身的静电荷,这种电荷可以是负电荷也可以是正电荷,静电荷的聚集使到生活或者工业生产受到影响甚至危害,将聚集的有害电荷导引/消除使其不对生产/生活造成不便或危害的化学品称为抗静电剂。
抗静电剂能增加电介质表面电导率与体积电导率、防止其产生静电的化学制剂。静电的危害遍及各个工矿企业,它不仅影响产品质量,而且还会因静电荷电场强度过大产生火花,引燃易燃的蒸气、气体或粉尘与空气的混合物,造成重大燃爆事故。当电介质起静电达到一定的电荷密度时,被加工电介质材料的不同部位就出现相互作用力,影响正常生产过程的进行,这就是静电力引起的工艺干扰。静电引起的微弱电流,长期流经人体,或对人体瞬间放电都会损害人体的健康。

几十伏或更低的静电损坏高速大规模集成电路—不知不觉巨额损失

由于ESD的影响,美国每年造成的损失约100亿美元,英国每年损失为35亿英镑,日本不合格的电子器件中有70%是由静电引起。在我国,因静电造成的损失也很严重

(一)静电的损害形式

1,静电吸尘-产生短路,电器损坏
2,电磁干扰-引起电子设备故障或误动作
3,静电放电击穿-击穿集成电路和精密元器件,直接损坏
4,引起爆燃事故
5,对人体造成电击


(二)防静电高分子材料的功能:

1,防静电材料可以有效的释放产品表面积累的静电荷
2,材料表面不会产生电荷积累和高电位差

(三)防静电高分子相比金属的优势:

1,具备高分子材料加工简易的特性
2,产品设计自由度高
3,化学稳定性好
4,可以媲美金属材料的防静电特性
5,材料电阻率可调范围广

(四)防静电材料等级划分:

根据防静电等级可以分为以下四类:

表面电阻小于103 Ω
高导电材料—快速导出静电
表面电阻介于103 Ω -106 Ω
导电材料—较快导出静电
表面电阻介于106-109Ω
静电消散材料—慢慢导出静电
表面电阻介于109-1012Ω
防静电材料—加工中不产生静电

(五)抗静电剂分类:

抗静电剂按其性质可分为吸湿型和表面活性型两类。吸湿性防静电剂具有吸湿或保湿性质,能在电介质的表面上形成一层水膜;属于这类的有聚硅氧烷、多元醇胺、乙二醇、甘油、山梨糖醇和无机盐类(氯化钙、氯化锂、氯化镁)。表面活性剂型抗静电剂,它的分子中亲油部分牢固地附着于电介质表面,亲水部分从空气中吸收水分,从而在树脂表面形成薄薄的导电层,起消除静电的作用。按照使用方法,抗静电剂可分为外用抗静电剂和内用抗静电剂。采矿、选矿和冶金工业中,为防止矿物粉末和金属粉末加工过程产生的静电效应,一般采用外用抗静电剂;合成纤维生产过程使用的表面涂层抗静电剂也属外用的。在合成树脂薄膜及模塑品制造过程中加入的抗静电剂为内用抗静电剂。在物料表面喷涂(外用)抗静电剂的情况下,表面形成的导电层因摩擦或洗涤被除去后,抗静电效果会明显下降;而内用抗静电剂形成的表面导电层,虽然也可能失掉,但由于不久后又有新的抗静电剂分子从内部移至表面,仍能产生抗静电效果,故能长期保持抗静电的效用。外用抗静电剂有表面活性剂、硅化合物等。而内用抗静电剂除表面活性剂外,还有其他无机物,如在固体电介质中填充金属粉、炭黑等物质,可以提高其体积电导率达到抗静电作用。具有表面活性的抗静电剂按其离子形态可分为阳离子型、阴离子型、非离子型等。阴离子型抗静电剂的代表性产品有高级醇硫酸酯盐、脂肪族磺酸盐、高级醇磷酸酯盐。此类抗静电剂其平衡离子的阳离子部分,除使用钠、钾等金属离子外,还可使用三乙醇胺之类的烷基醇胺。阴离子型抗静电剂的特点是热稳定性良好。阳离子抗静电剂以具有8~22个碳的烷基季铵盐和烷基胺盐为代表,其阴离子部分的平衡离子除用卤素离子外,还可使用硝酸、硫酸、高氯酸等。这一类表面活性剂是抗静电剂能力最好的一类,但热稳定性略次于其他类型。非离子型抗静电剂,则有聚氯乙烯衍生物及多元醇的部分酯化产品,热稳定性好,可用作食品包装薄膜等的内用抗静电剂。此外,还有喷涂使用的高分子抗静电剂,其优点是耐用耐洗。

 

(六)抗静电剂的使用方法和作用机理

根据使用方式的不同, 抗静电剂可以分为外涂型和内混型两种。外涂型抗静电剂是指涂在高分子材料表面所用的一类抗静电剂。一般用前先用水或乙醇等将其调配成质量分数为 0、5 %~2、0 %的溶液 ,然后通过涂布、喷涂或浸渍等方法使之附着在高分子材料表面 , 再经过室温或热空气干燥而形成抗静电涂层。此种多为阳离子型抗静电剂 , 也有一些为两性型和阴离子型抗静电剂; 内混型抗静电剂是指在制品的加工过程中添加到树脂内的一类抗静电剂。常将树脂和添加其质量的0、3 %~3、0 %的抗静电剂先机械混合后再加工成型。此种以非离子型和高分子永久型抗静电剂为主 , 阴、阳离子型在某些品种中也可以添加使用。各种抗静电剂分子除可赋予高分子材料表面一定的润滑性、降低摩擦系数、抑制和减少静电荷产生外 , 不同类型的抗静电剂不仅化学组成和使用方式不同 , 而且作用机理也不同。

1、外涂型抗静电剂的作用机理

此类抗静电剂加到水里 , 抗静电剂分子中的亲水基就插入水里 , 而亲油基就伸向空气。当用此溶液浸渍高分子材料时 , 抗静电剂分子中的亲油基就会吸附于材料表面。浸渍完后干燥 , 脱出水分后的高分子材料表面上 , 抗静电剂分子中的亲水基都向着空气一侧排列 , 易吸收环境水分 , 或通过氢键与空气中的水分相结合 , 形成一个单分子导电层 , 使产生的静电荷迅速泄漏而达到抗静电目的。

2、 表面活性剂类内混型抗静电剂的作用机理

在高分子材料成型过程中 , 如果其中含有足够浓度的抗静电剂 , 当混合物处于熔融状态时 , 抗静电剂分子就在树脂与空气或树脂与金属 (机械或模具) 的界面形成最稠密的取向排列 , 其中亲油基伸向树脂内部 , 亲水基伸向树脂外部。待树脂固化后 , 抗静电剂分子上的亲水基都朝向空气一侧排列 , 形成一个单分子导电层。在加工和使用中 , 经过拉伸、摩擦和洗涤等会导致材料表面抗静电剂分子层的缺损 , 抗静电性能也随之下降。但是不同于外涂敷型抗静电剂 , 经过一段时间之后 , 材料内部的抗静电剂分子又会不断向表面迁移 , 使缺损部位得以恢复 , 重新显示出抗静电效果。由于以上两种类型抗静电剂是通过吸收环境水分 , 降低材料表面电阻率达到抗静电目的 , 所以对环境湿度的依赖性较大。显然 , 环境湿度越高 , 抗静电剂分子的吸水性就越强 , 抗静电性能就越显著。

3 、高分子永久型抗静电剂的作用机理

高分子永久型抗静电剂是近年来研究开发的一类新型抗静电剂 , 属亲水性聚合物。当其和高分子基体共混后 , 一方面由于其分子链的运动能力较强 , 分子间便于质子移动 , 通过离子导电来传导和释放产生的静电荷; 另一方面 , 抗静电能力是通过其特殊的分散形态体现的。研究表明: 高分子永久型抗静电剂主要是在制品表层呈微细的层状或筋状分布 , 构成导电性表层 , 而在中心部分几乎呈球状分布 , 形成所谓的“芯壳结构”, 并以此为通路泄漏静电荷。因为高分子永久型抗静电剂是以降低材料体积电阻率来达到抗静电效果 , 不完全依赖表面吸水 , 所以受环境的湿度影响比较小。

(七)影响抗静电效果的因素

1、分子结构和特征基团性质及添加量

抗静电剂的效果首先取决于它作为表面活性剂的基本特性 ―― 表面活性 。 表面活性与分中亲水基种类 、 憎水基种类 、 分子的形状 、 分子量大小等有关 。 当抗静电剂分子在相界面作定向吸附时,就会降低相界面的自由能及水和塑料之间的临界接触角。这种吸附作用 ,仅与基体的性质有关 , 而且还与表面活性剂的性质有关 。 根据极性相似规则 , 表面活性剂分子的碳氢链部分倾向与高分子链段接触 , 极性基团部分倾向与空气中的水接触 。 高分子材料作为疏水材料 , 抗静电剂在其表面的主要作用就是形成规则的面向空气中的水的亲水吸附层。

在空气湿度相同的情况下,亲水性好的抗静电剂会结合更多的水,使得聚合物表面吸附更多的水,离子电离的条件更充分,从而改善抗静电效果。

通过质子置换 , 也能发生电荷转移 。 含有羟基或氨基的抗静电剂 , 可以通过氢键连成链状, 在较低的湿度下也能起作用 。 在干燥的空气环境中 , 若要求塑料制品成型之后立即发挥抗静电性 , 采用多元醇单硬脂酸酯抗静电剂非常有效 。 图 1 给出了以上两种类型的抗静电剂的典型应用实例。只有在相对湿度 50 %的环境中贮存一段时间之后,聚丙烯中的羟乙基烷基胺才表现出最佳的抗静电效果 , 而且受湿度的影响非常大 。 硬脂酸单甘油酯在加入之后立即产生抗静电效果且不受湿度的影响,但是随着贮存时间的延长,其作用效果明显下降。

添加型抗静电剂效果决定于添加剂向塑料制品表面的迁移速率 。 当塑料制品表面被一层连续的导电层覆盖时,电荷的衰减才达到最佳。

抗静电剂的分子量太高 , 不利于它向高聚物表面迁移 ; 分子量太低 , 耐洗涤性和表面耐摩擦性不佳 。 通常抗静电剂的分子量比高聚物分子量小得多 。 加入低分子量物质可能会使高聚物材料的物理机械性能恶化。为了减少这种不良影响,抗静电剂的一般添加量 为0.3%~2.0% 。抗静电剂的添加量还视制品用途而异。

CMC (临界胶束浓度)值是表面活性剂表面活性的一种量度。 CMC 值越小,表面活性剂达到表面 ( 界面 ) 吸附的浓度越低 , 或形成胶束所需浓度越低 , 因此抗静电性的起效浓度也越低 。 不同结构的抗静电剂添加量不同 , 并且随制品形式的不同而不同 。 添加量有一个范围 。过低 , 抗静电效果不明显 , 过高 , 会影响材料的物理机械性能 。 薄膜 、 片材等薄制品的添加量较少,厚制品的添加量则相对较多。

抗静电剂与聚合物的相容性遵循极性相近相容原理。高分子材料都具有长碳链结构,多属非极性树脂 ,有的具有极性端基 ,增强了极性。抗静电剂同时具有憎水基(非极性)和亲水基 ( 极性 )。一般憎水基碳链越长 , 与聚合物的相容性越好。亲水基若极性很强,则与聚合物的相容性不好;若极性较弱,则亲水吸附性较差。相容性太好,抗静电剂不易迁出 ,达不到抗静电效果;相容性不好,迁出太快,持效期太短。影响长期使用。因此在设计和使用抗静电剂时需要考虑上述因素,通过实验筛选��静电剂的品种及最佳使用量。

2、其它添加剂的影响

高聚物材料加工时,往往要添加一些稳定剂、颜料、增塑剂、润滑剂、分散剂或阻燃剂等助剂。这些添加剂与抗静电剂的相互作用也会对抗静电效果产生很大影响。例如阴离子型稳定剂会与阳离子型抗静电剂形成复合物,从而降低各自的效果。润滑剂通常能很快迁移到高聚物表面上,抑制了抗静电剂的转移。若润滑剂分子层覆盖在抗静电剂分子层上,会使抗静电剂表面浓度降低,显著影响抗静电效果;有时由于润滑剂的影响,也会促进抗静电剂向表面转移 。 增塑剂会增加大分子链间的距离,使分子运动更为容易,提高了高聚物的孔隙率,有利于抗静电剂向制品表面迁移发挥抗静电作用。有些增塑剂会降低高聚物的玻璃化温度,也可使抗静电剂的效果增大。抗静电剂与各种添加剂的影响大小,事先很难预测,目前大多数是通过实验来选用最合适的抗静电剂和用量。分散剂、稳定剂及颜料等无机添加剂,一般都有较强的吸附能力,使抗静电剂难以迁移到表面上 ,对抗静电剂的扩散迁移具有反作用,抗静电效果会变差。大多数无机添加剂都是细小的微粒,具有较大的表面积,易吸附抗静电剂,使其不能有效地发挥抗静电作用。颜料微粒则容易富集在抗静电剂周围,影响其向外扩散 。 例如 , 相同抗静电剂浓度的 ABS 中加入二氧化钛后,抗静电作用降低。不同无机填料的吸附性不同,对抗静电效果发挥的影响也不一样。

此外,高聚物组分中的弹性体也会使抗静电剂的效能变差 。 例如在聚丙烯与橡胶的复合材料中,发现抗静电剂富集在橡胶组分周围,使其难于迁移到表面。

3、加工过程的影响

聚合物制品的加工方式最终会影响制品中高分子链的规整程度、结晶度、结晶形态及有序化程度。若高聚物在熔融状态下成型后,立即在低于其玻璃化温度的室温下进行冷却,抗静电剂就很难扩散到制品表面,从而没有足够的抗静电效果。若制品在高于玻璃化温度的温度下冷却,由于大分子链段运动有助于抗静电剂扩散,这样不仅制品能呈现出足够抗静电效果,而且即使用摩擦或水洗除去表面上的抗静电剂,也能较迅速恢复其抗静电效果。