淺談高分子材料抗靜電劑ASA結(jié)構(gòu)特征與作用機(jī)理

許盛龍++范世墻++許璐

摘 要：在日常生活和生產(chǎn)中，許多高分子材料在使用過程中容易產(chǎn)生靜電積累，造成吸塵、電擊，甚至產(chǎn)生火花后導(dǎo)致爆炸等惡性事故發(fā)生。所以靜電的防治已經(jīng)引起人們的重視。目前最常用且行之有效的方法是使用抗靜電劑以降低材料的表面電阻率?？轨o電劑通過離子化基團(tuán)或極性基團(tuán)的離子傳導(dǎo)或吸濕作用，構(gòu)成泄漏電荷通道，達(dá)到抗靜電的目的。本文通過靜電危害和抗靜電劑的闡述，解釋了抗了靜電劑的結(jié)構(gòu)和作用機(jī)理。

關(guān)鍵詞：抗靜電劑；結(jié)構(gòu)特征；作用機(jī)理

一、靜電的危害

（一）帶電體間的互相作用

在飛機(jī)機(jī)體與空氣、水氣、灰塵等微粒摩擦?xí)r會(huì)使飛機(jī)帶電，如果不采取措施，將會(huì)嚴(yán)重干擾飛機(jī)無線電設(shè)備的正常工作，使飛機(jī)變成聾子和瞎子；在印刷廠里，紙頁(yè)之間的靜電會(huì)使紙頁(yè)粘合在一起，難以分開，給印刷帶來麻煩；在制藥廠里，由于靜電吸引塵埃，會(huì)使藥品達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)的純度；在放電視時(shí)熒屏表面的靜電容易吸附灰塵和油污，形成一層塵埃的薄膜，使圖像的清晰程度和亮度降低。

（二）靜電火花點(diǎn)燃某些易燃物體而發(fā)生爆炸

漆黑的夜晚，我們脫尼龍、毛料衣服時(shí)，會(huì)發(fā)出火花和“叭叭”的響聲，這對(duì)人體基本無害。但在手術(shù)臺(tái)上，靜電火花會(huì)引起麻醉劑的爆炸，傷害醫(yī)生和病人；在煤礦，則會(huì)引起瓦斯爆炸，會(huì)導(dǎo)致工人死傷，礦井報(bào)廢。

科研人員研究的抗靜電劑，則能很好地消除絕緣體內(nèi)部的靜電。

二、抗靜電劑ASA

任何物體都帶有本身的靜電荷，這種電荷可以是負(fù)電荷也可以是正電荷，靜電荷的聚集使到生活或者工業(yè)生產(chǎn)受到影響甚至危害，將聚集的有害電荷導(dǎo)引/消除使其不對(duì)生產(chǎn)/生活造成不便或危害的化學(xué)品稱為抗靜電劑，英文縮寫為ASA。

三、ASA的結(jié)構(gòu)特征

抗靜電劑一般都具有表面活性劑的特征，結(jié)構(gòu)上極性基團(tuán)和非極性基團(tuán)兼而有之。常用的極性基團(tuán)（即親水基）有：羧酸、磺酸、硫酸、磷酸的陰離子，胺鹽、季銨鹽的陽(yáng)離子，以及-OH、-O-等基團(tuán)，常用的非極性基團(tuán)（即親油基或疏水基）有：烷基、烷芳基等，從而形成了纖維工業(yè)常用的五種基本類型的ASA，即胺的衍生物，季銨鹽，硫酸酯、磷酸酯以及聚乙二醇的衍生物。ASA當(dāng)涂層用時(shí)，疏水基團(tuán)吸附于材料表面，最外層形成一層ASA的分子層；當(dāng)采用共聚方法形成雙組分纖維時(shí)，外部的ASA分子層受到破壞，內(nèi)部的ASA便可以滲透到材料表面；材料表面有一個(gè)平滑的ASA分子層，表面摩擦系數(shù)的降低使靜電產(chǎn)生幾率減少，但外用ASA耐洗牢度不好，可考慮用反應(yīng)性化合物與纖維在高溫下形成共價(jià)鍵結(jié)合。外用ASA一般以水、醇或其它有機(jī)溶劑作為溶劑或分散劑，進(jìn)行涂覆疏水基團(tuán)附著于材料表面，向外排列的親水基團(tuán)吸收環(huán)境中的微量水分，因?yàn)樗歉呓殡姵?shù)的液體而形成導(dǎo)電層，并且纖維中所含的微量電解質(zhì)也一定程度地降低表面電阻；用于織物的ASA多為飽和長(zhǎng)碳鏈陽(yáng)離子表面活性劑，因纖維表面呈負(fù)電性而容易被吸附形成濕氣膜，這樣材料摩擦間隙的介電常數(shù)也明顯提高；如果ASA為離子化合物時(shí)，本身便具有離子導(dǎo)電作用。內(nèi)用ASA在聚合物中分布是不均勻的，當(dāng)添加到一定數(shù)量時(shí)，復(fù)合材料的表面會(huì)形成一層親水基團(tuán)向外排列的膜，同時(shí)內(nèi)部的ASA能向表面滲透以補(bǔ)充膜層的缺損；因此ASA與聚合物的相容程度便形成了矛盾的兩方面，相容性好會(huì)使向外表滲透速度放慢，難以及時(shí)補(bǔ)充表層ASA損失，反之又會(huì)使材料過早地喪失抗靜電性能。

四、ASA的作用機(jī)理

（一）外涂型抗靜電劑的作用機(jī)理

此類抗靜電劑加到水里，抗靜電劑分子中的親水基就插入水里，而親油基就伸向空氣。當(dāng)用此溶液浸漬高分子材料時(shí)，抗靜電劑分子中的親油基就會(huì)吸附于材料表面。浸漬完后干燥，脫出水分后的高分子材料表面上，抗靜電劑分子中的親水基都向著空氣一側(cè)排列，易吸收環(huán)境水分，或通過氫鍵與空氣中的水分相結(jié)合，形成一個(gè)單分子導(dǎo)電層，使產(chǎn)生的靜電荷迅速泄漏而達(dá)到抗靜電目的。

（二）表面活性劑類內(nèi)混型抗靜電劑的作用機(jī)理

在高分子材料成型過程中，如果其中含有足夠濃度的抗靜電劑，當(dāng)混合物處于熔融狀態(tài)時(shí)，抗靜電劑分子就在樹脂與空氣或樹脂與金屬（機(jī)械或模具）的界面形成最稠密的取向排列，其中親油基伸向樹脂內(nèi)部，親水基伸向樹脂外部。待樹脂固化后，抗靜電劑分子上的親水基都朝向空氣一側(cè)排列，形成一個(gè)單分子導(dǎo)電層。在加工和使用中，經(jīng)過拉伸、摩擦和洗滌等會(huì)導(dǎo)致材料表面抗靜電劑分子層的缺損，抗靜電性能也隨之下降。但是不同于外涂敷型抗靜電劑，經(jīng)過一段時(shí)間之后，材料內(nèi)部的抗靜電劑分子又會(huì)不斷向表面遷移，使缺損部位得以恢復(fù)，重新顯示出抗靜電效果。由于以上兩種類型抗靜電劑是通過吸收環(huán)境水分，降低材料表面電阻率達(dá)到抗靜電目的，所以對(duì)環(huán)境濕度的依賴性較大。顯然，環(huán)境濕度越高，抗靜電劑分子的吸水性就越強(qiáng)，抗靜電性能就越顯著。

（三）高分子永久型抗靜電劑的作用機(jī)理

高分子永久型抗靜電劑是近年來研究開發(fā)的一類新型抗靜電劑，屬親水性聚合物。當(dāng)其和高分子基體共混后，一方面由于其分子鏈的運(yùn)動(dòng)能力較強(qiáng)，分子間便于質(zhì)子移動(dòng)，通過離子導(dǎo)電來傳導(dǎo)和釋放產(chǎn)生的靜電荷；另一方面，抗靜電能力是通過其特殊的分散形態(tài)體現(xiàn)的。研究表明：高分子永久型抗靜電劑主要是在制品表層呈微細(xì)的層狀或筋狀分布，構(gòu)成導(dǎo)電性表層，而在中心部分幾乎呈球狀分布，形成所謂的“芯殼結(jié)構(gòu)”，并以此為通路泄漏靜電荷。因?yàn)楦叻肿佑谰眯涂轨o電劑是以降低材料體積電阻率來達(dá)到抗靜電效果，不完全依賴表面吸水，所以受環(huán)境的濕度影響比較小。