高分子材料抗静电技术探析

高分子材料抗静电技术探析

摘要：高分子材料具有优异的综合性能，被广泛应用，但分子材料体积电阻率很大，在使用过程中易产生并带上静电，存在危害，抗静电高分子材料是随着聚合物应用范围的日益广泛而发展起来的，在抗静电方面作用明显。本文论述了静电产生的危害：介绍了抗静电技术的方法：并对其发展作出展望。

关键词：高分子材料抗静电技术方法趋势

一、静电的产生、危害

当两个物理状态不同的固体互相接触摩擦时，它们各自的表面就会发生电荷再分配，重新分离后，每一个固体表面都将带有比接触前过量的正(或负)电荷。这种现象称为静电。静电现象在聚合物的生产、加工和使用过程中是非常普遍的。由于一般高聚物的电阻率高。其体积电阻率在1010～1020ω·cm之间，一旦带上静电，便很难消除。这些电荷的积聚将可能造成很大的危害，如在医药上引尘、引菌：医疗手术上引起电颤事故；矿山、石油化工上引起火灾、爆炸：在电子工业上引起集成电路破坏：在纺织上引起纤维聚集等等。为防静电引尘、引菌影响医药产品质量，日本政府于1978年公布并实施了gmp法，要求从事医药生产和医疗手术的人员穿着无尘、无菌服。抗静电技术愈来愈受到人们的重视。由于摩擦产生的静电电量和电位决定于摩擦材料的性质、接触面积、压力和相对速度等因素，所以可通过选择适当的材料、减少静电的产生或使之互相抵消。当静电的产生无法抑制时及时消除产生的静电就尤为重

要。

二、高分子抗静电技术方法

高聚物表面聚集的电荷取决于高聚物本身对电荷泄放的性质，其主要泄放方式为表面传导、本体传导以及向周围的空气中辐射，三者中以表面传导为主要途径。因为表面电导率一般大于体积电导率，所以高聚物表面的静电主要受组成它的高聚物表面电导所支配。因此，通过提高高聚物编码电导率或者体积电导率使高聚物材料迅速放电可防止静电的积聚。抗静电剂是一类添加在树脂或涂抹于高分子材料表面以防止或消除静电产生的化学添加剂，添加抗静电剂是提高高分子材料表面导电率的有效方法，而提高高聚物体积电导率可采用添加导电填料、添加抗静电剂或与其他导电分子共混技术等。

(一)添加导电填料

这类方法通常是将各种无机导电填料掺入高分子材料基体中，目前此方法中所使用的无机导电填料主要是碳系填料、金属类填料等，

1碳系填料

(1)炭黑

炭黑是天然的半导体材料，其体积电阻率约为0.1-10ω·cm原料易得，导电性能持久稳定，可大幅度调整高分子材料的电阻率(1～108ω·cm)。因此，由炭黑填充制成的复合型导电高分子是目前用途最广，用量最大的一种导电材料，尤其是作为抗静电材料及

电磁波屏蔽材料。人们认为在基体高分子中填充导电填料后形成填充型导电材料存在着三种导电机理：导电通道、隧道效应和场致发射学说。通常，炭黑是以粒子形式分散于树脂中，随炭黑添加量的增加，粒子间距缩小，当粒子接近或接触时，便形成大量导电网络通道。导电性能大大提高。由于炭黑为硬质材料，随其添加量的增加，基体高分子材料的拉伸强度和硬度相应增加，而冲击强度下降，影响其应用。

(2)碳纤维

碳纤维是一种新型高强度、高模量材料，有良好的导电性能。现在在碳纤维表面电镀金属已获得成功。金属主要指纯钢和纯镍，其特点是镀层均匀而牢固，与树脂粘接好。镀金属的碳纤维比一般碳纤维导电性能可提高50-100倍，可大大减少碳纤维的添加量。虽然碳纤维价格昂贵，限制了其优异性能的推广，但仍有广泛用途。

2 金属系及其它导电填料

以金属粉末、金属氧化物填充基体高分子可获得优良的导电性。另外，虽然金属纤维对导电性能的影响规律与炭黑相似。但由于纤维状填料的接触几率更大，因此在填充量很少的情况下便可获得较高的导电率。不过，金属纤维加工时易折断，易被氧化，价格也较贵，这些因素在应用中必须考虑。

(二)与结构型导电高分子材料共混

导电高分子材料中的高分子是由许多小的重复出现的结构单元

组成，当在材料两端加上一定的电压，材料中就有电流通过，即具

有导体的性质，凡同时具备上述两项性质的材料成为导电高分子材料。与金属导体不同，它属于分子导电物质。根本上讲，此类导电高分子材料本身就可以作为抗静电材料，但由于这类高分子一般分子刚性大、不溶、成型困难、易氧化和稳定性差，无法直接单独应用，一般作导电填料与其他高分子基体进行共混，制成抗静电复合材料，这类抗静电高分子复合材料具有较好的相容性。效果更好更持久。

(三)添加抗静电剂法

1 有机小分子抗静电剂法

有机小分子抗静电剂是一类具有表面活性剂特征结构的有机物质，其结构式微ryx，其中r为亲油基团，x为亲水基团，y为连接基。分子中非极性部分的亲油基和极性部分的亲水基之间应具有适当的平衡与高分子材料要有一定的相容性，c12以上的烷基是典型的亲油基团，羟基、羧基、磺酸基和醚键是典型的亲水基团，此类有机小分子抗静电剂可分为阳离子型、阴离子型、非离子型和两性离子型四大类：阳离子型抗静电剂、阴离子型抗静电剂、非离子型抗静电剂和两性离子型抗静电剂。

导电机理无论是外涂型还是内加型，高分子材料用抗静电的作用机理主要有以下四种：(1)抗静电剂的亲水基增加制品表面的吸湿性，吸收空气中的水分子，形成“海岛”型水性的导电膜。(2)离子型抗静电剂增加制品表面的例子浓度，从而增加导电性。(3)介电常数大的抗静电剂可增加摩擦体间隙的介电性。(4)增加制品的

表面平滑性，降低其表面的摩擦系数。概括起来一是降低制品的表面电阻，增加导电性和加快静电电荷的泄露：二是减少摩擦电荷的产生。

2 永久性抗静电剂永久性抗静电剂是一类相对分子质量大的亲水性高聚物，它们与基体树脂有较好的相容性，因而效果稳定、持久、性能较好。它们在基体高分子中的分散程度和分散状态对基体树脂抗静电性能有显著影响。亲水性聚合物在特殊相溶剂存在下，经较低的剪切力拉伸作用后，在基体高分子表面呈微细的筋状，即层状分散结构，而中心部分呈球状分布，这种“蕊壳”结构中的亲水性聚合物的层状分散状态能有效地降低共混物表面电阻，并且具有永久性抗静电性能。

三、抗静电高分子材料的发展趋势

今后，抗静电复合材料的研究将集中在以下几个方面!努力提高复合材料的导电性，减少导电填料的填充量，降低成本：开发新型导电填料或抗静电剂，如采用本身含有可电离离子基团的聚合物固体电解质作为导电填料，来提高复合材料的导电性能，可望成为抗静电复合材料的一个新的发展方向；最后，在保证抗静电效果的同时，开发其他应用功能，如阻燃性能等。