杜凡凡-聚合物的静电现象概述

聚合物的静电现象概述
杜凡（PB03206266）
中国科学技术大学高分子科学与工程系
摘要高聚物多为绝缘体，在应用中可能产生静电现象。

本文从聚合物静电的产生、危害、防止及应用等方面对之进行了介绍。

关键词聚合物静电聚合物导电性能改性抗静电剂
一、 引言
聚合物具有质量较轻、易加工成各种复杂形状，化学稳定性好等特殊物理化学性能和使用性能而得到了很大发展，广泛应用于国民经济各领域。

但大多聚合物是电绝缘的，在许多应用环境中产生静电作用，如塑料梳子产生头发竖立现象，合成纤维制成衣服产生放电，吸尘器外壳吸附大量灰尘，电视屏幕吸附灰尘、电视和收音机干扰等，有些场合静电泄漏甚至会产生严重火灾或爆炸事故。

从其出现根源出发，防止聚合物静电多从聚合物导电性能改进方面入手，如表面处理、填料分散复合法、导电填料层积复合法及外用暂时性抗静电剂等方法，并重点介绍抗静电剂的应用。

同时简要介绍了聚合物静电在静电复印和静电记录及治疗等方面的应用。

二、聚合物静电的产生
任何两个固体，不论其化学组成是否相同，只要他们的物理状态不同（如表面的不均匀性等等），其内部结构中电荷载体能力的分布也就不同。

当这样两个固体接触时，在固－固表面上就会发生电荷的再分配，在它们重新分离之后，每一固体将有比接触或摩擦前更多的正（或负）的电荷。

这种现象叫静电现象。

聚合物在生产、加工和使用过程中，与其他材料、器件发生接触以至摩擦是免不了的，这时只要在高聚物几百个原子中转移一个电子，就会使整个聚合物带有相当大的电荷量，变成带电体。

例如在日常生活中，大家都知道，脱去合成纤维的衣服时，经常会听到放电的响声，在暗处还可以看到放电的辉光。

在生产中这类例子更多，塑料从模具中脱下来时常常带有静电。

合成纤维在纺丝过程也会带电，吸水性很低的（＜0.5%）聚丙烯腈纤维因摩擦而产生的静电可达1500伏以上。

纤维拉伸静电的积累甚至可达上万伏。

更重要的是一旦高聚物带上静电荷以后，由于聚合物的高绝缘性而难以漏导，一些非极性聚合物（聚乙烯等）静电可保持几个月之久。

所以聚合物静电除了具有静电的一般特点外，还具有强度大，延续时间长的特点。

关于静电产生的机理至今还没有定量的理论，一般认为是聚合物摩擦时，ε大的带正电，ε小的带负电。

也就是极性易带正电，非极性高聚物易带负电。

[1]
物质在上述序列中的差距越大，摩擦产生的电量越多。

三、聚合物静电的危害
一般来说，静电作用在聚合物加工和使用过程中是个不利因素。

在合成纤维工业中，摩擦生电产生吸引或排斥力，使合成纤维在纺丝、牵伸、织布、打包等各道工序都发生困难。

聚合物产品胶卷由于静电吸附灰尘或水气而影响质量，会因为吸尘而影响清晰度，静电电压超过4000伏时会发生电火花而使胶片感光。

涤纶制成的录音带由于涤纶片基放电产生噪音会影响录音质量。

电绝缘性塑料聚合物在应用中可能产生静电积累，进而发生静电泄漏（ ESD ）、电磁波和射频干扰（ EMI/RFI ）。

塑料制品静电积累在日常生活中造成灰尘及其他污物吸附、接触纤维毯和塑料手柄时产生电击不适感，引起易燃品发生静电火灾或爆炸，电视及计算机、通讯等信号干扰，由于静电产生电磁波和射频干扰（ EMI/RFI ）甚至影响航空领域的导航系统干扰，医疗监控仪器信号失真等。

严重时静电引起的火花放电，在有易燃易爆物质存在的场合下，会酿成巨大的灾祸。

四、聚合物静电的防止
防止聚合物静电的常用方法是适时导走静电，避免静电积累。

而大多聚合物是绝缘性的，所以要对聚合物材料进行导电性能方面的改性。

具体方法有：
（ 1 ）表面处理。

表面处理是指在绝缘性聚合物表面进行导电处理以达到较高的导电率，包括金属热喷涂法、镀层法和导电涂层法。

例如在纤维纺丝工序中采取的“上油”措施，给纤维表面涂上一层具有吸湿性的油剂，它吸收空气中的水分而增加导电性。

（ 2 ）填料分散复合法。

填料分散复合法是在绝缘性聚合物体内混入不同填料，通过分散复合而制成导电塑料聚合物的方法。

（ 3 ）导电填料层积复合法。

导电填料层积层合法是将金属网、板、丝、毯等作为中间层、两侧再层压上塑料基材或利用双层平行挤出方法制成一层为导电树脂，另一层为普通树脂的双层制品。

（ 4 ）使用抗静电剂
为消除静电，目前，使用较为广泛的是抗静电剂，即将抗静电剂加到聚合物材料中，或涂布在聚合物材料的表面上，以提高材料表面的导电性，使带电的聚合物材料迅速放电，以防止静电的积聚。

抗静电剂是一些表面活性剂，如阴离子型（肥皂、烷基磺酸钠、芳基磺酸酯等）；阳离子型（季胺盐、胺盐等），以及非离子型（聚乙二醇等）。

而在塑料中，抗静电剂常作为添加剂添加到塑料中，依靠抗静电剂扩散到塑料表面而起作用。

抗静电剂已广泛应用于通用塑料如聚苯乙烯（ PS ）、聚丙烯（ PP ）；工程塑料如ABS、尼龙6/6、尼龙6、聚碳酸酯（ PC ）、POM、聚对苯二甲酸丁二酯（ PBT ）、PPO、PPS ；专用功能塑料如PEI、PEEK以及塑料合金PC/PMMA、PC/ABS中。

抗静电剂应用方法有两种：
一是外用法，即在塑料聚合物表面喷洒、浸渍和涂敷抗静电剂使材料表面接枝上抗静电剂，使材料具有抗静电性能。

二是内用抗静电剂法，即将抗静电剂掺和到材料中，或将高分子材料与导电材料混用，使之成为具有抗静电性能的材料。

例如PVC糖果纸的生产中要将100张PVC薄膜叠在一起进行剪裁，如果不加抗静电剂，切好的糖果纸很难分开，这时就需要添加内用型的抗静电剂。

塑料用有机类抗静电剂通常有：烷基磺酸盐、酰胺、胺、酯、季胺盐、脂肪酸皂等。

目前，国外广泛使用的塑料抗静电剂如表1。

[2]
抗静电剂具有极性，而塑料聚合物为非极性材料，和抗静电剂相容性一般较差。

表2总结了部分塑料适用相容性抗静电剂关系。

[3]
对于食品包装用途的塑料制品所有抗静电剂，必须符合当地相关标准如FDA要求。

为了更便于使用和使用更经济，国外部分公司开发了部分抗静电剂母料，可应用于聚烯
烃、聚苯乙烯、聚酯、丙烯酸、ABS、PC、尼龙和缩醛塑料等，表面电阻范围在107~108
欧姆，如表3。

[4][5]
五、聚合物静电的应用
聚合物的静电现象一方面给聚合物的应用带来诸多麻烦，另一方面又能为人所用，静电照相，日常生活中利用氯纶的静电来治疗关节炎都是人们熟知的。

利用聚合物的强静电，人们成功开创出静电复印、静电记录等新技术领域。

六、结语
对聚合物静电现象的研究是一个非常活跃的领域，在其防止与解决应用方面还有很多问题亟待研究。

参考文献：
[ 1 ]马德柱等.高聚物的结构与性能，北京：科学出版社，2004，8
[ 2 ] 饶兴鹤. 国外塑料,2005,8
[ 3 ] Michel Biron. Polymers and electrical behaviour I-Outline and antistatic solutions to make ESD polymers.Specical Chem，June 9，2004
[ 4 ] Michel Biron. Polymers and electrical behaviour II - Solutions to make EMI and RFI shieldings. Specical Chem，Jul 8，2004
[ 5 ]赵敏等. 改性聚丙烯新材料，北京：化学工业出版社，2002，9。