Quando due solidi con stati fisici diversi entrano in contatto e si sfregano l'uno contro l'altro, le rispettive superfici subiscono una ridistribuzione della carica. Dopo la separazione, ogni superficie solida avrà un eccesso di carica positiva (o negativa) rispetto a prima del contatto, che è chiamata elettricità statica. Per caratterizzare la conduttività di un materiale, viene utilizzato il concetto di resistività. La resistività di volume è il rapporto tra il gradiente di potenziale parallelo alla direzione della corrente sulla superficie del materiale e la corrente per unità di larghezza sulla superficie. In genere, i polimeri sono materiali ad alto isolamento con elevata resistività elettrica, quindi una volta che sono carichi, è difficile eliminarli. Nella vita quotidiana, quando si cammina su un pavimento di plastica, l'attrito tra la suola della scarpa e il pavimento può caricare il corpo umano. Nei casi gravi, se la mano entra in contatto con una maniglia della porta o un oggetto, può anche produrre una scarica, causando una sensazione di formicolio; Un incidente da scossa elettrica si verifica durante un intervento chirurgico medico. Nell'industria elettronica, l'elettrificazione umana può facilmente rompere i circuiti, causando danni ai circuiti integrati; L'industria tessile provoca l'aggregazione delle fibre e così via.
Esistono due metodi per eliminare l'elettricità statica nei polimeri
(1) Aggiungere riempitivi conduttivi, come metallo, fibra di carbonio e carbonio. Questo metodo richiede una grande quantità di riempitivo. La diminuzione improvvisa della conduttività del riempitivo deve raggiungere una certa percentuale per ottenere un effetto antistatico. Il colore e la qualità dei prodotti con una grande quantità di aggiunta saranno notevolmente limitati. Ad esempio, la conduttività del PP riempito di nero di carbonio cambia in modo significativo solo quando la percentuale raggiunge il 15%. In questo momento, il colore del materiale non può più soddisfare i requisiti di materiali multipli e belli. I riempitivi metallici aumentano la qualità dei materiali. I riempitivi in fibra metallica hanno una bassa qualità ma sono soggetti a rotture e ossidazione durante la lavorazione, rendendoli più costosi.
(2) Aggiunta di agenti antistatici per attivare la superficie e migliorare la conduttività superficiale: 1. Gli agenti antistatici rivestiti in superficie hanno una bassa durata e si perdono facilmente a causa dell'attrito e del lavaggio, fornendo solo effetti antistatici temporanei o di breve durata. 2. Gli agenti antistatici misti hanno un'elevata durata, ma richiedono elevati requisiti per gli agenti antistatici.
Agente antistatico
La generazione di elettricità statica sulle superfici in plastica può causare vari problemi, come ostacolare la produzione, scintille che causano esplosioni e danni ai circuiti integrati dei dispositivi elettronici. Il metodo generale per rimuovere l'elettricità statica è quello di utilizzare tensioattivi, come agenti antistatici, per ridurre la resistenza superficiale dei polimeri. A causa dell'igroscopicità di tali additivi, assorbono l'umidità dall'atmosfera sulla superficie del polimero, formando una sottile pellicola conduttiva che elimina rapidamente l'elettricità statica. L'acqua svolge un ruolo importante in questo processo. Con l'aumento dell'umidità atmosferica, anche la conduttività superficiale del polimero migliora, causando una rapida perdita di carica statica e producendo buone prestazioni antistatiche.
In base al diverso utilizzo, ci sono due tipi di agenti antistatici tensioattivi, vale a dire esterni e interni. Gli agenti antistatici esterni o locali vengono applicati sulla superficie dei polimeri tramite spruzzatura, strofinamento o impregnazione. Sebbene questo agente antistatico esterno sia adatto a vari polimeri, la sua efficacia è solo temporanea ed è facile perderla dopo il contatto con solventi o l'attrito con altre sostanze. Gli agenti antistatici interni vengono aggiunti durante la lavorazione dei polimeri. Questo tipo di agente antistatico tensioattivo può integrare la funzione antistatica che è stata erosa a causa della manipolazione. L'effetto di questo agente antistatico interno dipende dalla spruzzatura antigelo. Il significato di spruzzatura antigelo qui si riferisce al processo in cui l'agente antistatico interno aggiunto alla resina migra parzialmente sulla superficie del polimero. Pertanto, gli agenti antistatici interni hanno un effetto di protezione antistatica a lungo termine.
Gli agenti antistatici tensioattivi possono essere suddivisi in cationici, anionici e non ionici.
Gli agenti antistatici cationici sono solitamente sali di ammonio quaternario alchilico a catena lunga, fosforo o piombo, con cloruri come ioni di equilibrio. Funzionano bene in matrici polari come il cloruro di polivinile rigido e i polimeri a base di stirene, ma hanno un impatto negativo sulla loro stabilità termica. Questo tipo di agente antistatico di solito non è consentito in articoli a contatto con gli alimenti; e l'effetto antistatico è solo da 1/5 a 1/10 di quello degli agenti antistatici interni come le ammine etossilate.
Gli agenti antistatici anionici sono solitamente sali di metalli alcalini di acido alchilsulfonico, acido fosforico o ditiocarbammato e sono usati principalmente in resine di polivinilcloruro e stirene; il loro effetto applicativo in resine poliolefiniche è simile a quello degli agenti antistatici cationici. L'alchilsolfonato di sodio è stato ampiamente usato in resine a base di stirene, cloruro di polivinile, polietilene tereftalato e policarbonato come agente antistatico anionico.
Gli agenti antistatici non ionici come le alchilammine alifatiche etossilate rappresentano la classe più ampia di agenti antistatici. Sono ampiamente utilizzati in polietilene, polipropilene, ABS e altri polimeri a base di stirene. Esistono diverse alchilammine etossilate attualmente prodotte e vendute, con la differenza che sta nella lunghezza della catena alchilica e nel grado di insaturazione. L'etossialchilammina è un agente antistatico altamente efficace, anche in condizioni di bassa umidità relativa, ed è efficace per lungo tempo. Questo tipo di agente antistatico è stato approvato dalla Federal Food and Drug Administration per l'uso in articoli che entrano in contatto indiretto con gli alimenti. Altri agenti antistatici non ionici di valore commerciale includono l'alchilammina etossilata, come la lauroilammina etossilata, e il glicerolo monostearato (GMS). L'etossilaurilammina è adatta per polietilene e polipropilene utilizzati in ambienti a bassa umidità e richiede funzioni antistatiche rapide e durature. Gli agenti antistatici GMS sono considerati solo per la protezione elettrostatica durante la lavorazione. Sebbene il GMS migri rapidamente sulla superficie dei polimeri, non può esercitare effetti antistatici di lunga durata come l'alchilammina etossilata o l'alchilammina etossilata.
Fino al 75% di gruppi alchilici etossilati liquidi o a basso punto di fusione e polimeri possono essere miscelati per formare masterbatch concentrato. Questi masterbatch sono prodotti sferici a flusso libero che sono facili da trasportare, mentre sono facilmente dispersi durante la miscelazione. I vantaggi del masterbatch alchilammina etossilato possono essere riassunti come segue:
(1) Buona disperdibilità, con l'aggiunta di materiali attivi pre-dispersi.
(2) Un prodotto di piccole dimensioni a forma di palla, facilmente trasportabile e scorrevole, facile da misurare e miscelare.
(3) Buone prestazioni di lavorazione, con minore slittamento della vite nell'estrusore.
La selezione e il dosaggio degli agenti antistatici dipendono dalle proprietà del polimero, dai metodi di lavorazione, dalle condizioni di lavorazione, dai tipi e dalle quantità di altri additivi, dall'umidità relativa e dall'uso finale del polimero. Il tempo necessario per ottenere un effetto antistatico sufficiente varia e la velocità e la durata della protezione antistatica possono essere aumentate aumentando la concentrazione dell'agente antistatico. Tuttavia, l'uso eccessivo di agenti antistatici può causare una superficie scivolosa del prodotto finale, che può danneggiare le prestazioni di stampa o di legame. I riempitivi e i pigmenti inorganici non trattati possono adsorbire molecole di agente antistatico sulle loro superfici, riducendo così l'efficacia degli agenti antistatici. Questo fenomeno può essere compensato aumentando la quantità di agente antistatico utilizzato. Tuttavia, per i prodotti che entrano in contatto con gli alimenti, la quantità di agenti antistatici aggiunti deve essere conforme alle normative della Federal Food and Drug Administration (vedere Federal Regulations Code, 21 (21CFR)). (Codeof Federal Regulations, Title21 (21CFR)).
Quando si usa il polietilene, la scelta dell'agente antistatico alchilammina etossilata dovrebbe considerare la loro forma fisica, come pasta, liquido, piccole particelle o solido. Se l'ammina di sego etossilata non può essere trattata a causa della sua natura pastosa, può essere utilizzata l'oleammina etossilata liquida. In condizioni di lavorazione ad alta temperatura (oltre 180 gradi), può essere selezionata la stearftalammina etossilata. Se è richiesto un effetto antistatico ad azione rapida, può essere selezionata la laurilammina etossilata. Le questioni da considerare quando si usa il polipropilene sono simili a quelle quando si usa il polietilene. Indipendentemente dal tipo di resina utilizzata, è necessario tenere in considerazione i limiti normativi della Federal Food and Drug Administration per vari usi. Quando viene utilizzato per polimeri a base di stirene, si consiglia di scegliere l'ammina di cocco etossilata o uno dei suoi masterbatch appropriati.
Miscelazione e lavorazione
In generale, gli agenti antistatici vengono miscelati con pigmenti e altri additivi in un miscelatore o estrusore. Tecnicamente parlando, gli agenti antistatici puri, come l'alchilammina etossilata, hanno un altro vantaggio, ovvero possono fondersi durante lo stampaggio a iniezione di liquidi, agendo così come disperdenti per il masterbatch di pigmento. Il masterbatch di agente antistatico può essere aggiunto direttamente all'attrezzatura di lavorazione finale. L'effetto degli agenti antistatici interni è strettamente correlato alle condizioni di produzione e lavorazione del prodotto finale. Ad esempio, le prestazioni antistatiche dei prodotti stampati a iniezione dipendono dalla temperatura dello stampo. Di solito, quando la temperatura dello stampo è bassa, l'agente antistatico migra rapidamente, migliorando così le prestazioni antistatiche.
Esistono due metodi di prova per valutare l'efficacia degli agenti antistatici: il metodo della resistenza superficiale (velocità) e il metodo del decadimento elettrostatico. Entrambi i metodi sono ampiamente utilizzati.
Secondo la definizione di ASTMD257-78, la resistività superficiale di un materiale è il rapporto tra il gradiente di potenziale e la corrente che passa attraverso la larghezza unitaria della superficie del materiale, che è generalmente correlata alla forma geometrica del campione. Posizionare due elettrodi sullo stesso lato della superficie del campione di plastica e applicare corrente continua agli elettrodi; Misurare la corrente che passa attraverso il campione e calcolare la resistenza; Quindi rappresentare i risultati della misurazione della resistività superficiale in ohm.
Secondo la definizione del Federal Test Method 4046, il decadimento elettrostatico si riferisce alla velocità di scarica delle cariche indotte. Posizionare il campione (solitamente una piastra sottile o una pellicola) tra due elettrodi, con una distanza di diversi millimetri tra gli elettrodi e la superficie del campione. Un elettrodo è collegato all'alimentatore e l'altro elettrodo è collegato all'amperometro e al registratore. La variazione del campo elettrico causata dalla carica indotta da un elettrodo sulla superficie del campione viene misurata dall'altro elettrodo. I campioni antistatici mostreranno il decadimento delle cariche indotte. L'emivita di decadimento (in secondi) è il tempo impiegato da una carica per decadere della metà rispetto al suo valore iniziale.
Un altro metodo di test standard ampiamente utilizzato nell'industria è lo standard americano, che viene utilizzato per imballare prodotti elettronici. La scelta del metodo appropriato dipende dall'uso finale della plastica che deve essere testata.
La resistività elettrica della plastica stessa è di 1014 ohm. Aggiungendo agenti antistatici in base alla quantità indicata nella Tabella A, la resistività elettrica può diminuire fino a 1013-109 ohm. Se vogliamo ridurre ulteriormente la resistività, possiamo solo fare affidamento sul miglioramento della conduttività, come l'uso di carbon black conduttivo.
La tecnologia di imballaggio antistatico è in fase di sviluppo per sottolineare le preoccupazioni ambientali. L'alchilammina etossilata ampiamente utilizzata è ora confezionata in contenitori sfusi riutilizzabili. I fornitori tendono a produrre agenti antistatici con una concentrazione più elevata, che possono essere diluiti in base alle esigenze di lavorazione dopo essere stati consegnati agli utenti. Lo scopo di ciò è ridurre i costi del trattamento dei rifiuti solidi. Sviluppando agenti antistatici ad alta concentrazione, i produttori possono spedire più agenti antistatici contemporaneamente e ridurre il numero di contenitori di imballaggio che devono essere maneggiati dagli utenti.
Tecnicamente parlando, molto lavoro di ricerca e sviluppo ruota ancora attorno al mercato degli imballaggi di prodotti elettronici. La laurilammide etossilata, comunemente considerata un agente antistatico privo di ammine, è comunemente utilizzata in quest'area. Anche la quantità di laurilammina etossilata utilizzata nello stampaggio a soffiaggio di film LDPE e LLDPE è in aumento, poiché il suo effetto antistatico è migliore anche in condizioni di bassa umidità. È possibile acquistare anche il concentrato e il masterbatch di questo prodotto. La stearoftalammina etossilata (contenente catene alchiliche a 18 atomi di carbonio completamente sature) è stata applicata nella produzione di film in polipropilene orientati biassialmente. In questo processo di produzione, le alte temperature di lavorazione richiedono che gli agenti antistatici abbiano un'elevata stabilità termica.