Erzeugung elektrostatischer Ladung

Die Fähigkeit eines Festkörpers, Ladung zu tragen, hängt von seinen Oberflächeneigenschaften, der Dielektrizitätskonstante, dem spezifischen Oberflächenwiderstand und der relativen Luftfeuchtigkeit der Umgebung ab. Sie ist umgekehrt proportional zur Dielektrizitätskonstante und zur relativen Luftfeuchtigkeit und direkt proportional zum spezifischen Oberflächenwiderstand. Das Vorzeichen der Ladung variiert je nach Material; Materialien mit niedrigeren Dielektrizitätskonstanten sind positiv geladen.

Die Isolationseigenschaften hängen mit der statischen Aufladung zusammen. Aufgrund ihrer chemischen Struktur sind die meisten Kunststoffe hervorragende Isolatoren und daher unverzichtbare Werkstoffe für Hochfrequenzgeräte wie Radar. Da die meisten Kunststoffe eine geringe Oberflächenleitfähigkeit aufweisen, können sie elektrische Ladung nicht schnell ableiten – ein Unterschied zu Metallen.

Bei der Verwendung von Kunststoffprodukten kann statische Elektrizität verschiedene Probleme verursachen und zu schwerwiegenden, ja sogar gefährlichen Folgen führen. Zu den häufigsten Gefahren zählen: starke Verschmutzung von Kunststoffoberflächen; statische Elektrizität, die Staub anzieht und die Klangqualität von Schallplatten beeinträchtigt; statische Elektrizität, die bei der Nutzung von Teppichen aus Kunstfasern oder Kunststoffböden ein unangenehmes „elektrisches Schlaggefühl“ hervorruft; statische Verklebung zwischen Kunststofffolien und -platten, die die Produktion stört; und das Verklumpen von Feststoffpulver beim Transport durch Luftströmungen. Die durch große Mengen statischer Ladung entstehenden Entladungsfunken können sogar Gemische aus Luft und Staub oder organischen Lösungsmitteln entzünden und so zu verheerenden Explosionen führen.

Maßnahmen zur Unterdrückung elektrostatischer Ladung

(1) Steigende relative Luftfeuchtigkeit: Mit zunehmender Luftfeuchtigkeit steigt auch die Oberflächenleitfähigkeit von Formteilen, wodurch die Ladungsableitung beschleunigt wird. Beispielsweise tritt bei wasserabsorbierendem Polyamid bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von über 65 % praktisch keine statische Aufladung auf. Liegt die relative Luftfeuchtigkeit hingegen deutlich unter 20 %, sind Probleme mit dem Oberflächenladungsausgleich unvermeidlich. In diesem Fall ist die einzige wirklich wirksame Maßnahme zur Unterdrückung statischer Aufladung das Hinzufügen einer leitfähigen Matrix zur Reduzierung des spezifischen Widerstands.

(2) Erhöhung der Luftleitfähigkeit:durch die Verwendung eines Ionisators, der nach dem Prinzip der Elektrizität oder Radioaktivität arbeitet, um die Leitfähigkeit der Luft zu erhöhen, sodass die Ladung schnell in die Umgebungsluft abgeleitet werden kann.

(3) Erhöhung der Oberflächenleitfähigkeit durch Zugabe chemischer Zusätze (Antistatika) zu Kunststoffen oder durch deren Auftragen auf die Oberfläche, um die Oberflächenleitfähigkeit zu erhöhen und dadurch statische Ladungen abzuleiten.

 Chemische Struktur von Antistatika

Antistatika sind Zusätze, die Formmassen beigemischt oder auf die Oberfläche von Formteilen aufgetragen werden, um die statische Aufladung zu reduzieren. Grundsätzlich lassen sich Antistatika je nach Anwendungsart in zwei Hauptkategorien unterteilen: für die interne und für die externe Anwendung.

2.Interne Antistatika

Intern zugesetzte Antistatika werden Polymeren vor oder während des Formgebungsprozesses als Tenside beigemischt. Sie alle besitzen oberflächenaktive Eigenschaften und können auf der Oberfläche der Formteile wandern und aggregieren. Diese Additive enthalten sowohl hydrophile als auch hydrophobe Gruppen in ihren Molekülen. Die hydrophoben Gruppen weisen eine gewisse Kompatibilität mit dem Polymer auf und können dessen Moleküle an der Produktoberfläche haften lassen, während die hydrophilen Gruppen durch Bindung und Austausch mit Wassermolekülen auf der Produktoberfläche wirken. Die meisten oberflächenaktiven Antistatika lassen sich in kationische, anionische und nichtionische Typen einteilen.

1.Kationische Antistatika:Bei dieser Art von Antistatika enthält der aktive Teil des Moleküls typischerweise eine große kationische Gruppe und oft eine lange Alkylgruppe, wie beispielsweise quaternäre Ammoniumsalze, quaternäre Sulfoniumsalze oder quaternäre Sulfoniumsalze. Anionen wie Chloride, Methylsulfate und Nitrate entstehen üblicherweise bei Quaternierungsreaktionen. Quaternäre Ammoniumsalze dominieren diese Produktkategorie. Kationische Antistatika sind auf polaren Matrices (wie PVC und Styrol) am wirksamsten. Ihre Anwendung ist jedoch aufgrund ihrer negativen Auswirkungen auf die thermische Stabilität bestimmter Polymere eingeschränkt.

2. Anionische Antistatika: Bei dieser Art von Antistatika ist der aktive Teil des Moleküls anionisch. Alkylsulfonate, -sulfate, -phosphate, -dithiocarbamate oder -carboxylate enthalten typischerweise eine große Anzahl von Anionen, während die Kationen meist Alkalimetallionen und gelegentlich Erdalkalimetallionen sind. Natriumalkylsulfonat beispielsweise findet breite Anwendung in der Industrie, da es in Polyvinylchlorid und Polystyrol zufriedenstellende antistatische Wirkungen erzielt. Seine Anwendung in Polyolefinen ist jedoch mit gewissen Einschränkungen verbunden.

3. Nichtionische AntistatikaDiese Antistatika besitzen eine oberflächenaktive Molekülgruppe mit ungeladener und sehr geringer Polarität (hauptsächlich Polyethylenglykolester oder -ether, Fettsäureester oder Ethanolamine, Mono- oder Diglyceride und ethoxylierte Fettamine). Sie werden im Handel meist als Flüssigkeiten oder niedrigschmelzende Wachse angeboten.

Die geringe Polarität dieser Additive macht sie zu idealen internen Antistatika für Polyethylen und Polypropylen; zudem weisen sie eine hohe Kompatibilität auf. Verschiedene Polyethylen- und Polypropylentypen unterscheiden sich in Dichte, Kristallinität und mikroskopischer Molekularstruktur. Um die optimale Molekularstruktur für jedes Antistatikum zu erzielen, müssen daher die Länge der Alkylkette und die Anzahl der Hydroxyl- oder Ethergruppen in der Verbindung angepasst werden. Nur so lässt sich die gewünschte Wirkung gewährleisten. Beispielsweise sind typische Antistatika für Polypropylen bei Polyethylen niedriger Dichte weniger wirksam und umgekehrt.

 Antistatikum für die äußere Beschichtung

Externe Antistatika werden in Form einer wässrigen oder alkoholischen Lösung auf die Oberfläche von Formteilen aufgetragen. Aufgrund der unterschiedlichen Applikationsmethoden sind die für interne Antistatika geltenden strukturellen Anforderungen weniger relevant. Alle oberflächenaktiven Verbindungen sowie viele nicht-oberflächenaktive hygroskopische Substanzen (wie Glycerin, Polyole und Polyethylenglykol) besitzen in unterschiedlichem Maße antistatische Eigenschaften. Die Wirksamkeit dieser Verbindungen wird weder durch ihre Kompatibilität mit dem Polymer noch durch ihre Migration innerhalb des Polymers beeinträchtigt.