Generowanie ładunku elektrostatycznego

Zdolność ciała stałego do przenoszenia ładunku zależy od stanu powierzchni, stałej dielektrycznej, rezystywności powierzchniowej oraz wilgotności względnej otaczającego środowiska. Jego zdolność do przenoszenia ładunku jest odwrotnie proporcjonalna do jego stałej dielektrycznej i wilgotności względnej oraz wprost proporcjonalna do jego rezystywności powierzchniowej. Znak ładunku zmienia się w zależności od materiału; materiały o niższych stałych dielektrycznych są naładowane dodatnio.

Właściwości izolacyjne są związane z gromadzeniem się elektryczności statycznej. Struktura chemiczna większości tworzyw sztucznych wskazuje na ich doskonałe właściwości izolacyjne, co czyni je niezbędnymi materiałami do produkcji urządzeń o wysokiej częstotliwości, takich jak radary. Ponieważ większość tworzyw sztucznych charakteryzuje się niską przewodnością powierzchniową, nie mogą one szybko rozpraszać ładunku elektrycznego, co odróżnia je od metali.

Podczas użytkowania produktów z tworzyw sztucznych elektryczność statyczna może powodować różnorodne problemy i prowadzić do poważnych, a nawet niebezpiecznych konsekwencji. Do najczęstszych zagrożeń należą: silne nagromadzenie brudu na powierzchniach z tworzyw sztucznych; elektryczność statyczna przyciągająca kurz, który wpływa na jakość dźwięku płyt; elektryczność statyczna powodująca nieprzyjemne uczucie „porażenia prądem” u osób korzystających z dywanów z włókien syntetycznych lub podłóg z tworzyw sztucznych; elektryczność statyczna przyczepna do folii i arkuszy plastikowych, zakłócająca normalną produkcję; oraz zlepianie się proszku podczas transportu powietrza. Iskry wyładowania generowane przez duże nagromadzenie ładunku elektrostatycznego mogą nawet zapalić mieszaniny powietrza i pyłu lub rozpuszczalników organicznych, stając się przyczyną wielu niszczycielskich eksplozji.

Środki mające na celu tłumienie ładunków elektrostatycznych

(1) Wzrost wilgotności względnej: Wraz ze wzrostem wilgotności otoczenia formowanych produktów wzrasta również ich przewodność powierzchniowa, co przyspiesza rozpraszanie ładunku. Na przykład, gdy wilgotność względna poliamidu absorbującego wodę przekracza 65%, elektryczność statyczna praktycznie nie występuje. Z kolei, gdy wilgotność względna jest znacznie niższa niż 20%, problemy z równowagą ładunku powierzchniowego są nieuniknione. W takim przypadku jedynym naprawdę skutecznym sposobem na ograniczenie elektryczności statycznej jest dodanie przewodzącej matrycy w celu zmniejszenia rezystywności skrośnej.

(2) Zwiększenie przewodnictwa powietrza:wykorzystując jonizator, który działa na zasadzie elektryczności lub radioaktywności w celu zwiększenia przewodności powietrza, dzięki czemu ładunek może zostać szybko rozproszony w otaczającym powietrzu.

(3) Zwiększ przewodność powierzchniową poprzez dodanie dodatków chemicznych (środków antystatycznych) do tworzyw sztucznych lub nałożenie ich na powierzchnię w celu zwiększenia przewodności powierzchniowej, rozpraszając w ten sposób ładunek statyczny.

 Struktura chemiczna środków antystatycznych

Środki antystatyczne to dodatki do mas formierskich lub nakładane na powierzchnię formowanych wyrobów w celu zmniejszenia gromadzenia się elektryczności statycznej. Ogólnie rzecz biorąc, w zależności od metody aplikacji, środki antystatyczne można podzielić na dwie główne kategorie: do zastosowań wewnętrznych i zewnętrznych.

2.Wewnętrzne środki antystatyczne

Wewnętrznie dodawane środki antystatyczne są dodawane do polimerów jako surfaktanty przed lub w trakcie formowania. Wszystkie posiadają właściwości powierzchniowo czynne i mogą migrować i agregować na powierzchni formowanych elementów. Dodatki te zawierają w swoich cząsteczkach zarówno grupy hydrofilowe, jak i hydrofobowe. Grupy hydrofobowe charakteryzują się pewną kompatybilnością z polimerem i mogą powodować przyleganie jego cząsteczek do powierzchni produktu, podczas gdy grupy hydrofilowe działają poprzez wiązanie i wymianę z cząsteczkami wody na powierzchni produktu. Większość środków antystatycznych o właściwościach powierzchniowo czynnych można podzielić na kationowe, anionowe i niejonowe.

1.Kationowe środki antystatyczne:W tego typu środkach antystatycznych, aktywna część cząsteczki zazwyczaj zawiera dużą grupę kationową i często długą grupę alkilową, jak w przypadku czwartorzędowych soli amoniowych, czwartorzędowych soli sulfoniowych lub czwartorzędowych soli sulfoniowych. Aniony powstają zazwyczaj podczas reakcji czwartorzędowania, np. w przypadku chlorków, metylosiarczanów i azotanów. Wśród środków antystatycznych na bazie czwartorzędowych soli amoniowych dominują te produkty komercyjne. Kationowe środki antystatyczne są najskuteczniejsze w przypadku matryc polarnych (takich jak polimery PVC i styrenu). Ich zastosowanie jest jednak nieco ograniczone ze względu na niekorzystny wpływ na stabilność termiczną niektórych polimerów.

2. Anionowe środki antystatyczne: W tym typie środków antystatycznych aktywna część cząsteczki jest anionowa. Alkilosulfoniany, siarczany, fosforany, ditiokarbaminiany lub karboksylany zazwyczaj zawierają dużą liczbę anionów, podczas gdy kationy to zazwyczaj jony metali alkalicznych, a czasami jony metali ziem alkalicznych. Na przykład alkilosulfonian sodu jest szeroko stosowany w przemyśle, ponieważ zapewnia zadowalające działanie antystatyczne w polimerach polichlorku winylu i polistyrenu, ale jego zastosowanie w poliolefinach ma pewne ograniczenia.

3. Środki antystatyczne niejonoweTe środki antystatyczne posiadają powierzchniowo czynną grupę cząsteczkową, która jest pozbawiona ładunku i charakteryzuje się bardzo niską polarnością (głównie estry lub etery glikolu polietylenowego, estry kwasów tłuszczowych lub etanoloaminy, mono- lub diglicerydy oraz etoksylowane aminy tłuszczowe). Są one najczęściej dostępne w handlu w postaci cieczy lub wosków o niskiej temperaturze mięknienia.

Niska polarność tych dodatków sprawia, że ​​są one idealnymi wewnętrznymi środkami antystatycznymi do polietylenu i polipropylenu, a także wykazują wysoką kompatybilność. Różne rodzaje polietylenu i polipropylenu charakteryzują się zróżnicowaną gęstością, krystalicznością i mikroskopijną strukturą molekularną. Dlatego, aby uzyskać optymalną strukturę molekularną dla każdego środka antystatycznego, należy dostosować długość łańcucha alkilowego oraz liczbę grup hydroksylowych lub eterowych w związku. Tylko w ten sposób można skutecznie zapewnić pożądany efekt aplikacyjny. Na przykład, typowe środki antystatyczne stosowane w polipropylenie są mniej skuteczne w przypadku zastosowania na polietylenie o niskiej gęstości i odwrotnie.

 Zewnętrzna powłoka typu środka antystatycznego

Zewnętrzne środki antystatyczne są aplikowane na powierzchnię formowanych elementów w postaci roztworów wodnych lub alkoholowych. Ze względu na różne metody aplikacji, wymagania strukturalne dotyczące wewnętrznych środków antystatycznych stają się mniej istotne. Wszystkie związki powierzchniowo czynne, a także wiele niepowierzchniowo czynnych substancji higroskopijnych (takich jak gliceryna, poliole i glikol polietylenowy) posiadają właściwości antystatyczne w różnym stopniu, a skuteczność tych związków nie jest ograniczona przez ich kompatybilność z polimerem ani ich migrację w jego wnętrzu.