توليد الشحنة الكهروستاتيكية

تعتمد قدرة المادة الصلبة على حمل الشحنة على خصائص سطحها، وثابت العزل الكهربائي، ومقاومة سطحها، والرطوبة النسبية للبيئة المحيطة. تتناسب قدرة المادة على حمل الشحنة عكسيًا مع ثابت العزل الكهربائي والرطوبة النسبية، وطرديًا مع مقاومة سطحها. وتختلف إشارة الشحنة باختلاف المادة؛ فالمواد ذات ثوابت العزل الكهربائي المنخفضة تكون مشحونة بشحنة موجبة.

ترتبط خصائص العزل بتراكم الكهرباء الساكنة. يكشف التركيب الكيميائي لمعظم أنواع البلاستيك أنها عوازل ممتازة، مما يجعلها مواد أساسية للأجهزة عالية التردد مثل الرادار. ولأن معظم أنواع البلاستيك تتميز بموصلية سطحية منخفضة، فإنها لا تستطيع تبديد الشحنة الكهربائية بسرعة، وهذا ما يميزها عن المعادن.

أثناء استخدام المنتجات البلاستيكية، قد تتسبب الكهرباء الساكنة في مشاكل عديدة وتؤدي إلى عواقب وخيمة، بل وخطيرة. تشمل المخاطر الأكثر شيوعًا ما يلي: تراكم الأوساخ بكثافة على الأسطح البلاستيكية؛ جذب الكهرباء الساكنة للغبار مما يؤثر على جودة صوت التسجيلات؛ تسبب الكهرباء الساكنة في إحساس مزعج بـ"صدمة كهربائية" لدى الأشخاص الذين يستخدمون سجادًا من الألياف الصناعية أو أرضيات بلاستيكية؛ الالتصاق الساكن بين الأغشية والصفائح البلاستيكية، مما يعطل الإنتاج الطبيعي؛ وتكتل المساحيق الصلبة أثناء انتقالها عبر الهواء. قد تتسبب شرارات التفريغ الناتجة عن تراكمات كبيرة من الشحنة الساكنة في اشتعال مخاليط الهواء والغبار أو المذيبات العضوية، مما يؤدي إلى العديد من الانفجارات المدمرة.

تدابير لكبح الشحنة الكهروستاتيكية

(1) زيادة الرطوبة النسبية: مع ازدياد الرطوبة المحيطة بالمنتجات المصبوبة، تزداد موصليتها السطحية، مما يُسرّع تبديد الشحنة. على سبيل المثال، عندما تتجاوز الرطوبة النسبية للبولي أميد الماص للماء 65%، يكاد ينعدم وجود الكهرباء الساكنة. في المقابل، عندما تقل الرطوبة النسبية عن 20%، تصبح مشاكل توازن الشحنة السطحية حتمية. في هذه الحالة، يكون الإجراء الفعال الوحيد لكبح الكهرباء الساكنة هو إضافة مادة موصلة لتقليل المقاومة الحجمية.

(2) زيادة موصلية الهواء:باستخدام جهاز تأيين يعمل على مبدأ الكهرباء أو النشاط الإشعاعي لزيادة موصلية الهواء، بحيث يمكن تبديد الشحنة بسرعة في الهواء المحيط.

(3) زيادة الموصلية السطحية عن طريق إضافة مواد كيميائية (عوامل مضادة للكهرباء الساكنة) إلى المواد البلاستيكية أو تطبيقها على السطح لزيادة الموصلية السطحية، وبالتالي تبديد الشحنة الساكنة.

 التركيب الكيميائي للمواد المضادة للكهرباء الساكنة

المواد المضادة للكهرباء الساكنة هي إضافات تُضاف إلى مركبات التشكيل أو تُطبّق على سطح المنتجات المشكّلة لتقليل تراكم الكهرباء الساكنة. وبشكل عام، وبناءً على طريقة التطبيق، يمكن تقسيم المواد المضادة للكهرباء الساكنة إلى فئتين رئيسيتين: التطبيقات الداخلية والتطبيقات الخارجية.

2.عوامل مضادة للكهرباء الساكنة الداخلية

تُضاف عوامل مضادة للكهرباء الساكنة إلى البوليمرات كمواد فعالة سطحياً قبل أو أثناء عملية التشكيل. تتميز هذه العوامل بخصائص فعالة سطحياً، حيث يمكنها الهجرة والتجمع على سطح الأجزاء المشكلة. تحتوي جزيئات هذه المواد المضافة على مجموعات محبة للماء وكارهة للماء. تتمتع المجموعات الكارهة للماء بتوافق معين مع البوليمر، مما يؤدي إلى التصاق جزيئاته بسطح المنتج، بينما تعمل المجموعات المحبة للماء عن طريق الارتباط بجزيئات الماء على سطح المنتج وتبادلها معه. يمكن تصنيف معظم العوامل المضادة للكهرباء الساكنة ذات الخصائص الفعالة سطحياً إلى أنواع كاتيونية وأنيونية وغير أيونية.

1.العوامل المضادة للكهرباء الساكنة الكاتيونية:في هذا النوع من العوامل المضادة للكهرباء الساكنة، يحتوي الجزء النشط من الجزيء عادةً على مجموعة كاتيونية كبيرة، وغالبًا ما يحتوي على مجموعة ألكيل طويلة، مثل أملاح الأمونيوم الرباعية، أو أملاح السلفونيوم الرباعية، أو أملاح السلفونيوم الرباعية. تتشكل الأنيونات عمومًا أثناء تفاعلات الرباعية، مثل الكلوريدات، وكبريتات الميثيل، والنترات. تهيمن عوامل أملاح الأمونيوم الرباعية المضادة للكهرباء الساكنة على هذه الفئة من المنتجات التجارية. تُعد العوامل الكاتيونية المضادة للكهرباء الساكنة أكثر فعالية على المواد القطبية (مثل بوليمرات PVC والستايرين). ومع ذلك، فإن استخدامها محدود نوعًا ما بسبب آثارها السلبية على الاستقرار الحراري لبعض البوليمرات.

٢. عوامل مضادة للكهرباء الساكنة أنيونية: في هذا النوع من العوامل، يكون الجزء النشط من الجزيء أنيونيًا. تحمل سلفونات الألكيل، والكبريتات، والفوسفات، وثنائي ثيوكربامات، أو الكربوكسيلات عادةً عددًا كبيرًا من الأنيونات، بينما تكون الكاتيونات عادةً أيونات فلزات قلوية، وأحيانًا أيونات فلزات قلوية ترابية. على سبيل المثال، يُستخدم ألكيل سلفونات الصوديوم على نطاق واسع في الصناعة لأنه يحقق تأثيرات مضادة للكهرباء الساكنة مرضية في بوليمرات كلوريد البولي فينيل والبوليسترين، ولكن استخدامه في البولي أوليفينات له بعض القيود.

3. عوامل مضادة للكهرباء الساكنة غير أيونيةتحتوي هذه العوامل المضادة للكهرباء الساكنة على مجموعة جزيئية فعالة سطحياً غير مشحونة وذات قطبية منخفضة للغاية (تتكون أساساً من إسترات أو إيثرات بولي إيثيلين جلايكول، وإسترات الأحماض الدهنية أو إيثانولامينات، وأحادي أو ثنائي الجليسريدات، وأمينات دهنية إيثوكسيلية). وتُباع في الغالب تجارياً على شكل سوائل أو شموع ذات نقطة تليين منخفضة.

انخفاض قطبية هذه الإضافات يجعلها عوامل مثالية مضادة للكهرباء الساكنة داخل البولي إيثيلين والبولي بروبيلين، كما أنها تتميز بتوافق عالٍ. تختلف أنواع البولي إيثيلين والبولي بروبيلين في الكثافة والتبلور والبنية الجزيئية المجهرية. لذا، للحصول على البنية الجزيئية المثلى لكل عامل مضاد للكهرباء الساكنة، يجب تعديل طول السلسلة الألكيلية وعدد مجموعات الهيدروكسيل أو الإيثر في المركب. بهذه الطريقة فقط يمكن ضمان التأثير المطلوب للتطبيق بفعالية. على سبيل المثال، تكون العوامل المضادة للكهرباء الساكنة التقليدية المستخدمة في البولي بروبيلين أقل فعالية عند استخدامها مع البولي إيثيلين منخفض الكثافة، والعكس صحيح.

 عامل مضاد للكهرباء الساكنة من نوع الطلاء الخارجي

تُطبَّق عوامل مضادة للكهرباء الساكنة خارجية على سطح الأجزاء المصبوبة على شكل محلول مائي أو كحولي. ونظرًا لاختلاف طرق التطبيق، تقل أهمية المتطلبات الهيكلية المذكورة في العوامل الداخلية المضادة للكهرباء الساكنة. تمتلك جميع المركبات الفعالة سطحيًا، بالإضافة إلى العديد من المواد المسترطبة غير الفعالة سطحيًا (مثل الجلسرين، والبوليولات، والبولي إيثيلين جليكول)، خصائص مضادة للكهرباء الساكنة بدرجات متفاوتة، ولا تتأثر فعالية هذه المركبات بتوافقها مع البوليمر أو هجرتها داخله.