抗静电剂在塑料中的应用

抗静电剂在塑料中的应用

在现代工业生产及日常生活中，静电危害往往造成重大损失和灾难。防止聚合物表面产生静电的方法主要有空气离子化法、加湿法、金属接触放电法、辐射线法、导电物质导入法、表面形成吸湿膜法、化学处理变性法及应用抗静电剂等。

其中，主要应用于塑料制品使用过程中的是掺入导电物质和添加抗静电剂。

加入的导电物质一般为金属粉或金属短纤维、导电炭黑、导电聚合物短纤维等，能使制品具有良好的导电性（表面电阻率＜106Ω）或抗静电性（表面电阻率在106~108Ω之间）。金属化合物的抗静电效果较好，但是价格较高，普通制品承受不了。

目前应用最多的抗静电方式是添加抗静电剂。抗静电剂是一种能防止产生静电荷，或能有效地消散静电荷的以表面活性剂为主体的化学添加剂。使用抗静电剂的方式是在制品表面涂覆或内添加。

从抗静电性能的检测和评价指标表面电阻率可用于区分抗静电材料和导电材料的区别，如表1所示：

表1 导电材料和抗静电材料的表面电阻率/Ω（23℃，RH50％）

导电材料静电消散材料抗静电材料绝缘材料＜106106~108108~1012＞1012

＜106106~109109~1012＞1012

＜106106~108108~1013＞1013

目前就导电、抗静电材料的分界线说法不一，导电材料与静电消散材料之间的界限为105或106Ω，静电消散材料与抗静电材料之间的界限为108或109Ω，抗静电材料与绝缘材料之间的界限为1012或1013Ω。

美国是抗静电剂最大生产和消费国，主要采用羟乙基化脂肪胺、季铵盐化合物、脂肪酸酯类抗静电剂，用于聚烯烃、聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS、聚碳酸酯等。欧盟也是生产和消费抗静电剂的主要地区，所用抗静电剂中50%为羟乙基化脂肪胺，25%为脂肪烃磺酸盐，25%为季铵盐和脂肪酸多元醇酯。日本多用非离子型和阳离子型抗静电剂，其中20%用于PVC，30%用于PP。

我国抗静电剂发展较快，主要是塑料工业用高效无毒抗静电剂、合成纤维工业用高效多功能抗静电剂及表面处理剂。

一、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

子中亲水基种类、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上作定向吸附时，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，不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。

图1抗静电特性随时间变化（1mm厚PP注塑板）

R0―表面电阻；t―时间

1-无抗静电剂；2-0.5份单硬脂酸甘油酯；3-0.15份羟乙基烷基胺（C12~C14）

当的添加剂组合可以使高玻璃化转变温度聚合物具有更好的抗静电效果。单硬脂酸甘油酯和羟乙基烷基胺复合使用可以使表面积较大的聚烯烃产品，如取向膜迅速发挥抗静电效果，而且具有长期持续的效用（见图2）。

图2 1mm厚注塑的装饰用板盘中不同抗静电剂之间的协同效应

R0―表面电阻；t―时间

1-无抗静电剂；2-甘油单硬脂酸酯0.5份；3-羟乙基烷基胺（C12~C14）0.15份

4-甘油单硬脂酸酯0.35份＋羟乙基烷基胺0.15份

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，通过实验筛选抗静电剂的品种及最佳使用量。

2．基材树脂

除表面活性剂的结构和性能外，抗静电性还与高聚物的结构、玻璃化温度、结晶性能、介电常数及表面性能等有关。表面性能中除表面形状、多孔性等以外，最主要的是表面能或表面张力。