高分子塑料抗靜電劑的機理分析和應(yīng)用

汪曉鵬

（甘肅省輕工研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730046）

靜電現(xiàn)象很早就已被發(fā)現(xiàn)。公元前650～前550 年，古希臘哲學(xué)家塔勒斯在研究天然磁石的磁性時發(fā)現(xiàn)了靜電現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)用絲綢、法蘭絨摩擦琥珀之后也有類似于磁石能吸收輕小物體的性質(zhì)。所以，塔勒斯成為有史記載的第一個靜電實驗者[1]。

隨后，人們發(fā)現(xiàn)許多物體摩擦后也可以產(chǎn)生靜電現(xiàn)象，包括玉石、松香、蠟、硫磺等材料。由于高分子材料大多屬于電介質(zhì)，其表面電阻率和體積電阻率很大，其電導(dǎo)率很小，所以容易在其表面積聚電荷，影響某些高分子材料的使用性能，甚至帶來各種危害。極少的靜電荷，就足以形成極高的靜電壓，當(dāng)靜電壓大于500V 時，就能發(fā)生火花放電。因此，高分子塑料的靜電現(xiàn)象日益受到人們的重視。

高分子塑料具有優(yōu)良的絕緣性能，如PP、PE 體積電阻率ρν 一般在1017～1019 Ω.m，但其絕緣性有時在很多場合會遇到麻煩，甚至造成很大的損失，如制造PE、BOPP 薄膜時，易發(fā)生電擊現(xiàn)象。塑料制品易吸塵，這樣降低了使用價值。遇靜電火花還會引起爆炸、火災(zāi)等重大生產(chǎn)安全事故。

研究表明，高分子塑料的電阻大小決定其實際應(yīng)用，詳見表1 塑料電性能與應(yīng)用的關(guān)系[2]。

表1 塑料電性能與應(yīng)用的關(guān)系

針對高分子塑料加工和使用過程中的靜電問題，大多采用添加抗靜電劑和相關(guān)助劑或填料的方法來降低其所積累的靜電量，使制品的綜合性能達到比較理想的效果。

1 抗靜電原理

絕緣體由于摩擦，在干燥的空氣中容易產(chǎn)生靜電荷，從而給加工和使用造成巨大危害。防止靜電危害的方法從本質(zhì)講就是減輕和防止摩擦以減少靜電荷的產(chǎn)生，或者通過各種途徑使靜電荷很快地泄漏掉。在20 ℃時，高聚物試樣的體積電阻率ρν 低于1010 Ω.m，就認為該高聚物有很好的抗靜電性能；若ρν 在1010～1012 Ω.m 之間，則認為該高聚物有良好的抗靜電性能；當(dāng)ρν 在1012～1014 Ω.m 之間時，則認為此高聚物有適度的抗靜電作用；當(dāng)ρν 在1014～1015 Ω.m 之間時，只有很弱的抗靜電作用；當(dāng)ρν 高于1015 Ω.m 時，則認為沒有抗靜電作用，詳見表2。

表2 部分高聚物的體積電阻率

目前抗靜電劑高分子塑料復(fù)合材料加工方法主要有添加型導(dǎo)電填料法、添加抗靜電劑法和與結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料共混等。

2 改性研究方法

2.1 添加導(dǎo)電填料法

該類方法是將無機導(dǎo)電填料摻入高分子塑料材料基體中。當(dāng)前用炭黑（CB）填充的應(yīng)用最廣，這是因為CB 原料易得、價格低廉、導(dǎo)電性能持久穩(wěn)定，還可大幅度地調(diào)節(jié)導(dǎo)電性能。CB 本身的體積電阻率在0.1～10.2Ω.m 之間，是天然的半導(dǎo)體。因此，有CB 填充制成的復(fù)合型抗靜電高分子材料是目前用途較廣、用量較大的一種抗靜電劑材料。亦可采用金屬類填料，主要包括金屬粉末（Ag、Cu、Al、Ni 等）、金屬纖維（銅纖維、鋁纖維、不銹鋼纖維、合金纖維等）和金屬氧化物。

2.2 添加抗靜電劑

抗靜電劑的作用機理是在材料表面形成導(dǎo)電層，降低其表面電阻率，使產(chǎn)生的靜電荷迅速泄露，賦予材料表面一定的潤滑性，降低摩擦系數(shù)，抑制和減少靜電荷的產(chǎn)生。所以，抗靜電劑的極性、與基材的相容性及它在材料的分散性均影響抗靜電劑效果。

抗靜電劑根據(jù)分子中親水基能否電離和離子化特征，可以將其分為陽離子型、陰離子型、兩性離子型、非離子型和高分子型。研究表明，在PE抗靜電劑中非離子型效果最好，陽離子型次之，兩性離子再次之，陰離子型最差。研究還發(fā)現(xiàn)，不論離子型還是非離子型抗靜電劑，其抗靜電效果均與其吸附空氣中水分的能力直接相關(guān)，試樣表面電阻值的下降倍數(shù)與添加了抗靜電材料的單位表面積吸水量呈線性正相關(guān)，但離子型抗靜電劑與非離子型抗靜電劑不同之處在于離子型抗靜電劑兼具離子導(dǎo)電機理（詳見表3 抗靜電劑的種類[3]）。

表3 抗靜電劑的主要種類

通常，既要使抗靜電劑與基體有一定的相容性，但又不能太強；極性基材應(yīng)選擇離子型抗靜電劑，而非離子型抗靜電劑更適于弱極性或非極性聚合物。

2.3 與結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料共混

這類結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料主要包括聚苯胺、聚乙炔、聚吡啶、聚噻吩、聚喹啉、聚對苯硫醚等共軛性高分子，這些高分子由于結(jié)構(gòu)中含有共軛雙鍵，π 電子可以在分子鏈上自由運動，載流子遷移率很大。因而這類材料具有高的導(dǎo)電率。從根本上講，該類導(dǎo)電高分子材料本身就可以作為抗靜電材料，但由于這類高分子材料一般分子剛性大、不溶不熔、成型困難、易氧化和穩(wěn)定性差，無法直接單獨應(yīng)用，一般作導(dǎo)電填料需與其他高分子基體進行共混，制成抗靜電復(fù)合材料，而且這類結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料與高分子材料之間具有較好的相容性，效果更好更持久。

2.4 填充復(fù)合抗靜電材料

制備抗靜電劑的另一種方式是在基體聚合物中加入無機導(dǎo)電填料或其他導(dǎo)電聚合物，采用物理或化學(xué)方法復(fù)合得到的具有一定抗靜電功能，又具有良好力學(xué)性能的復(fù)合材料。無機填充抗靜電材料品種繁多，主要有碳系抗靜電材料、金屬系抗靜電材料和金屬氧化物抗靜電材料等。

3 國內(nèi)外抗靜電劑生產(chǎn)應(yīng)用廠商

3.1 國內(nèi)抗靜電劑主要生產(chǎn)廠商（見表4）。

表4 國內(nèi)抗靜電劑主要生產(chǎn)廠商和產(chǎn)品

3.2 國外抗靜電劑主要生產(chǎn)廠商（見表5）。

表5 國外抗靜電劑主要生產(chǎn)廠商牌號和組成

4 影響抗靜電性的因素和改性時需要注意的問題

4.1 影響因素

無論是使用外部抗靜電劑，還是內(nèi)部抗靜電劑對高分子塑料材料進行抗靜電處理，環(huán)境的相對溫度、濕度和濃度、加工性、相容性等對抗靜電性均有一定的影響。具體影響因素：a 溫度和濕度的影響；b 與樹脂相容性的影響；c 高聚物分子結(jié)構(gòu)的影響；d 抗靜電劑表面濃度的影響；e 其他添加劑的影響；f 加工過程的影響。因此，在設(shè)計使用抗靜電劑時需綜合考慮這些因素，通過配方設(shè)計和優(yōu)化，篩選確定最佳使用品種和組分，以達到最佳效果。

4.2 改性時需要注意的問題

如何用多種季銨鹽來增加聚合物的電導(dǎo)率，但添加此類抗靜電劑的聚合物的體積電阻率對濕度具有明顯的依賴性問題；使用炭黑時，需考慮產(chǎn)品著色及添加量過大時CB 對聚合物的力學(xué)性能降低問題；抗靜電劑的熱穩(wěn)定性問題，對加工溫度要求較高，可能造成降解，就聚合物而言應(yīng)特別注意；抗靜電劑與聚合物的相容性，不因熔融加工而滲出或蒸發(fā)，或者長期使用過程中“遷移”，基體聚合物的力學(xué)性能，不會因添加劑而顯著受損等。

5 抗靜電劑的未來發(fā)展趨勢

我國目前抗靜電劑品種主要有季銨化合物、羥乙基烷基胺、烷基醇胺硫酸鹽、多元醇脂肪酸酯及其衍生物等，與國外品種相比單一，性能有待提高；抗靜電劑發(fā)展趨向于對抗靜電劑新品種的開發(fā)；擴大復(fù)配協(xié)同技術(shù)；尤其重視無機抗靜電劑發(fā)展;開發(fā)本征型高分子永久型抗靜電劑。

中國對抗靜電劑品種的研究開發(fā)，近幾年來呈快速發(fā)展的勢頭，其主要聚焦在提高其耐熱性和持久性，利用現(xiàn)有的抗靜電劑，按照不同的塑料制品的不同要求的進行復(fù)配研究，以期開發(fā)出專用性強、抗靜電性高、與樹脂相容性好、低揮發(fā)性和耐久性強的抗靜電劑，尤其要加強開發(fā)低毒或無毒的綠色環(huán)?？轨o電劑產(chǎn)品，綜合性能優(yōu)良的復(fù)合多功能性抗靜電劑。加強抗靜電劑之間的復(fù)配協(xié)同研究，加快高分子永久性抗靜電劑的研發(fā)。因此，對高分子型抗靜電劑的研究開發(fā)無疑將是我國抗靜電劑的發(fā)展趨勢[4]。

除此之外，采用納米技術(shù)，用無機納米導(dǎo)電粉末進行共混制備高分子塑料抗靜電復(fù)合材料的研究上取得較大的突破。今后研究的方向，集中于如何消除和減少高分子塑料及其制品中的靜電危害已成為高分子材料領(lǐng)域急需解決的的重要技術(shù)課題。