第十一章 抗静电剂

第十一章 抗静电剂
概述 抗静电剂的作用机理 各种材料的抗静电方法及其影响因素 抗静电剂的类型
9.1 概述
在日常生活中，静电危害是不可忽视的，涉 及到纤维、弹性体、工程结构材料、表面涂布 材料等聚合物材料，也涉及到使用这些材料的 煤炭、计算机、集成电路等领域。 静电荷积累现象，给高分子材料的应用带来 很大的危害。轻则附尘沾污，降低制品的表观 性能和使用价值；重则由于静电、放电、严重 干扰仪器、仪表正常运行的精确性和灵敏度， 甚至会引起某些可燃物体的燃烧和爆炸。
静电的产生： 静电的产生： 当两种不同物质互相摩擦时，在两种物 质之间会发生电子移动，电子由一种物质表 面转移到另一种物质的表面，于是前者失去 电子而带阳电，后者得到电子而带阴电，这 样，就产生了静电。
根据实验结果，一些物质可以排成下列顺 序： (阳电)玻璃－毛发－羊毛－尼龙－蚕丝－木 棉－粘胶纤维－纸－麻－硬质橡胶－合成橡胶 －聚酯酸乙烯酯－聚酯－聚丙烯腈纤维－聚氯 乙烯－聚乙烯－聚四氟乙烯(阴电)。 在上述排列中，任何两种物质进行摩擦时， 总是排在前面的物质表面带阳电，排在后面的 物质表面带阴电。
对于聚合物的结构改性，主要是在聚合物 分子中引入极性基团或离子化基团，如聚苯乙 烯的磺化，磺酸基的引入能降低聚苯乙烯的固 有电阻，也可以利用具有极性基的单体进行自 聚或共聚来实现抗静电的目的。 这种对聚合物进行结构改性的方法，是抗 静电性的根本方法，但有很大的难度和一定的 局限性。
对制品成型后的表面处理方法虽然比较简 单，但常受到制品形状和大小的限制，比较适 用于合成纤维，而在聚合物内部掺入抗静电剂 的方法适用于大多数的塑料和涂料； 液体燃料中也是通过添加有机化合物，提 高其导电率，从而抑制静电产生的。 这些添加在树脂、燃料中或涂附在塑料制 品、合成纤维表面的用以防止高分子材料和液 体燃料静电危害的一类化学添加剂统称为抗静 统称为抗静 电剂。 电剂。
(2)其他高分子材料的静电现象 其他高分子材料的静电现象 高分子材料的带电主要是由于高分子材料 的高表面电阻，致使所产生的静电荷一时很难 泄漏，积累的静电荷越来越多而造成的，有些 材料的摩擦带电压甚至高达几千伏，根据聚合 物结构不同，所带静电积累程度也不同。 涂料中使用的成膜物质如乙烯树脂、丙烯酸 树脂、聚酯、聚氨基甲酸酯等，在特定的应用 场合，需要进行抗静电处理。
(2)触电 触电 在一般情况下，静电不致于对人身造成直 接的伤害，但也会发生触电现象。 例如，在电影胶片的生产过程中，产生的 静电压，有时会高达几千伏，使人很易触电， 一般产生触电的静电压为8000V。
(3)放电 放电 静电放电自身的能量虽然很小，但危害却 不少。 当产生的静电压大于500V时，则能发生火 花放电，如果这时环境中有易燃物质存在的话， 则往往会导致重大的火灾和爆炸事故，如一些 矿井爆炸起火事故，就是因塑料制品产生静电 火花所致。
静电的产生，不仅给人们生活带来诸多不 适，而且对工业生产的危害极大，因此必须注 意克服。 通常克服静电危害的方法有两个： 一是靠机械装置的传导； 一是靠机械装置的传导； 二是通过静电剂的作用来消除。 二是通过静电剂的作用来消除。 实际上，尤以应用抗静电剂的方法更为普遍。
抗静电剂的品种很多，可以按化学结构和使 用方法进行分类。 抗静电剂中既有极性基团又有非极性基团。 常用的极性基团有：羧酸、磺酸、硫酸、磷酸 的阴离子，胺盐、季铵盐的阳离子，以及-OH、 -O-O-等。常用的非极性基团有：烷基、烷芳基等。 抗静电剂的结构分类主要依据其极性基，一 般分为阴离子型，阳离子型，非离子型和两性 阴离子型， 阴离子型 阳离子型， 离子型四类；此外还有高分子型和复配型抗静 离子型 高分子型和复配型抗静 电剂。 电剂。
普通合成材料按照表面电阻率来分，小于 或等于105 ·cm-1的，一般作为可导性材料； 表面电阻率在1014 ·cm-1以上的，一般作为绝 缘材料；表面电阻率在105~ 109 ·cm-1的材视为抗静电材料。 具有高阻抗的高分子材料，在实际应用中， 由于静电荷积累会产生吸尘放电、加工困难 等一系列问题。
在纺织纤维加工过程中，因纤维与纤维、 纤维与机器间的摩擦产生了静电。 静电的存在，在纺丝时会引起丝束发散， 难以卷绕，产生毛丝、断丝；烘干时出乱丝； 切断时超长倍长纤维增多；在纺纱厂会出现 棉卷分层不清，棉网不稳定，针织时出现断 头等问题。 由于静电的干扰，使合成纤维厂和纺织厂 的劳动生产率下降，产品质量降低。因此， 增加其抗静电性能非常重要。
在工业上采用抑制静电荷的产生和促进电 荷的泄漏来解决材料的带电问题。有以下几 种方法： ①提高材料加工环境和使用场所的湿度， 有利于抑制电荷的产生和促进电荷的泄漏； ②对聚合物进行结构改性，引入极性化或 离子化基团，提高导电性； ③在材料加工过程中利用导电装置或在制 品中加入导电性材料；
④用氧化剂或采用电晕放电处理制品表面， 提高高分子材料表面的导电性； ⑤在高分子材料中添加导电性填料，如炭黑、 金属氧化物粉末或金属粉末； ⑥采用导电性高分子材料或导电性涂料进行 表面预处理； ⑦添加抗静电剂，提高高分子材料的极性或 吸湿性。 其中湿气对材料的表面电阻(Rs)和体积电 其中湿气对材料的表面电阻 和体积电 影响甚大， 阻(Rv)影响甚大，既便是不能被水润湿的非极 影响甚大 性材料表面，在高湿度下， 性材料表面，在高湿度下，其表面也容易粘附 一层不纯的具有导电性的混合物， 一层不纯的具有导电性的混合物，从而降低表 面电阻。 面电阻。
(3)液体燃料的起电 液体燃料的起电 石油产品在炼制和输送过程中会带进杂质 如有机金属盐、氧化产物、沥青等，其浓度 只要达到10-9g/L，就可以严重起电。 油品在输送时混有水或气体，将使起电程 度增大50倍。所以油品中含有水或水溶液经 过泵送，或是油中的液滴沉降时，均能造成 相当的静电起电，甚至造成火花。
除聚合物材料的静电积累外，液体燃料因 静电而导致的事故也是很严重的。 例如，因冲洗油罐、油轮引起静电爆炸、 火灾在70年代之前时有发生；即使用海水冲洗 油轮也带来严重的静电。1973年11月“Golar Patricia”油船(21.6万t)的爆炸沉没，就是静电 带来的恶果。 此外，在汽车、飞机加油、清洗油滤过程 中，也会因静电导致火灾，特别在气候干燥地 区，这个问题更加严重。
比较实用的抗静电剂在化学结构上有极性 极性 基团和非极性基团，如果在分子内亲水基部分 基团和非极性基团 与亲油基部分配合适宜的话，则抗静电剂对高 分子材料和液体燃料有良好的相容性。 在外部使用时，它们的亲油基就容易吸附 在高分子材料的表面，结果在材料的表面上形 成一层抗静电剂的分子层。 在内部使用时，同样在材料表面也有一个 抗静电剂分子层，当这个分子层受到破坏时， 材料内部的抗静电剂又可以渗透到材料的表面 上来，这样，就会减少因摩擦产生的静电。
(1)纤维的静电现象 纤维的静电现象 羊毛、尼龙、人造毛等具有酰胺键的纤维是 倾向于带正电，而聚酯，聚丙烯腈等倾向于带 负电。这种纤维摩擦时的带电，是电荷在被摩 擦的纤维之间移动而产生的。 关于这种电荷移动Gonsalres 、Montgomery 等进行了详细的研究，若金属和纤维进行摩擦， 根据纤维种类不同，电子可从金属到纤维或从 纤维到金属发生移动而使纤维带电。
如果抗静电剂为非离子型时，则由于亲水 基的吸湿作用，也可以使塑料或纤维中所含 有的微量电解质有离子化的场所，从而间接 地降低了表面电阻。 总之，无论哪种情况，都可以使塑料或纤 维表面变成导电层，这样，就会使因摩擦而 产生的静电沿着导电层而迅速逸散，不再聚 集生电。
早在1893年Richter就建议在干洗的洗涤汽油中添 加镁皂以减少静电火灾。荷兰壳牌公司的一个大油 罐于1954年混油后爆炸，该公司此后就开始研究油 品的抗静电剂，1958年基本研制成功，1962年在加 拿大空军中试用，1964年加拿大将抗静电剂列入其 航空燃料规格，其后美国及北约各国均允许在航空 燃料中加抗静电剂。 1971年前苏联用硝化油与硬脂酸的混合物作为抗 静电剂。80年代末，前苏联对油酸镁，环烷酸铬和 烷基水杨酸铬的抗静电性进行了研究，用1.2ppm二 油酸铬丁二酮二茂铁消除汽油静电的试验。
大多数高分子材料都具有绝缘性，它们不 导电，所以，当它们得到静电后就不易消失， 这样，就容易产生下列问题。 (1)由于静电的吸力和斥力作用而产生的问 由于静电的吸力和斥力作用而产生的问 题 例如，在塑料薄膜加工时，由于产生静电 吸力，使得薄膜粘在机械上，不易脱离。又 如，塑料制品由于静电吸力的关系，使它们 吸尘而失去透明；电影胶片生产过程中由于 静电而影响电影的清晰和唱片的音质。
外用抗静电剂：采用涂布、喷雾、浸渍等 外用抗静电剂 方法使它附在塑料、纤维表面，耐久性较差， 暂时性抗静电剂。 所以又叫做暂时性抗静电剂 暂时性抗静电剂 内用型抗静电剂(或混炼型抗静电剂)：在 内用型抗静电剂 树脂加工过程中(或在单体聚合过程中)添加到 树脂组成中的抗静电剂，因其有较好的耐久 性，又称为永久性抗静电剂 又称为永久性抗静电剂。 又称为永久性抗静电剂
目前在塑料和纤维工业中使用的抗静电剂 主要有五种基本类型：胺的衍生物，季铵盐， 磷酸酯，硫酸酯以及聚乙二醇的衍生物，总 计约有100个品种。 此外，导电性能良好的炭黑、金属粉末、 金属盐、金属氧化物等偶尔也作为塑料和纺 织品的抗静电剂使用。
美国是抗静电剂消费最多的国家，1990年 达6200t；我国在1981年以后陆续公布和完善 了各种防静电法规，如规定了塑料制品使用 的最高电阻值。因此，促进了抗静电剂的发 展。 今后随着石油化工的发展和高分子材料应 用的日益广泛，入们对抗静电剂的研究和生 产必将更加重视，抗静电剂在塑料、纺织、 电影胶片、石油加工等工业中的地位也将更 加重要。
一般烃在空气中的体积浓度处于0.7%~8% 范围内都是可燃的，而且在加油运输，起降 过程中由于油成雾状分散，或贮存容器内温 度剧烈变化，可燃物的爆炸浓度均可以大大 加宽。 在可燃的爆炸混合物中，火源或静电放电 的能量超过0.25mJ，就能引燃这些混合物爆 炸。这种0.25mJ的点火能是极小的能量，不 过是1g水加热6×10-3℃所需的热量而己。