Антистатические добавки

Антистатик – вещество, которое применяется для предотвращения длительного сохранения электрических зарядов, образуемых в результате трения на поверхности предметов. Антистатик удерживает влагу, благодаря чему повышается концентрация ионов близ поверхности предметов.

Статическое электричество или статическая электризация – накопление электрических зарядов на материалах с низкой электропроводностью и большим поверхностным сопротивлением. Это затрагивает следующие полимерные материалы:

• полиэтилен;

• полипропилен; 

• поливинилхлорид;

• полиэтилентерефталат;

• поликарбонат;

• полиуретан.

Накопление электрических зарядов вызывает появление искровых зарядов, которые препятствуют комфортному использованию пластиковых продуктов. Кроме того, статическое электричество негативно сказывается и на самом производстве полимеров: снижает скорость проведения технологического процесса, вызывает материальные потери, ускоряет разложение продукта и способствует его потере. Так, электризация может возникать во время перемещения жидкости из сосуда в сосуд или при пересыпании непроводящих материалов, размотки с барабана лент или пленок, ходьбы по наэлектризованной поверхности, а также при снятии одежды.

Таким образом, устранить явление статического электричества или свести его негативное влияние к минимуму возможно путем использования антистатических добавок, снижающих полярность пластмасс. В качестве таких добавок выступают поверхностно-активные вещества, они понижают удельное сопротивление на поверхности материалов, за счет чего заряд рассеивается.

Выделяют две большие группы антистатических средств – наружные и внутренние. Их отличие состоит в механизме действия, методе применения и времени активности.

Наружные антистатики

Такой вид антистатиков необходимо наносить на поверхность готового пластикового материала посредством погружения и распыления. За счет механических факторов наружные антистатики подвергаются истиранию, что значительно снижает время их активности. Как правило, действия хватает не более чем на 6 недель.

Внутренние антистатики

Их вводят в пластик во время его непосредственной обработки аналогично другим полимерным добавкам. После процесса экструзии через сутки или двое внутренние антистатики попадают на поверхность пластикового материала, образуя гигроскопичную пленку, притягивающую к себе воду. Такой слой выполняет проводящую функцию, потому что отводит заряд и уменьшает степень заряженности пластмассы.

Антистатическое действие таких антистатиков намного дольше и сохраняется в период нескольких лет. Более длительный период действия обусловлен именно миграцией: происходит замена истирающихся антистатиков.

Ионные и неионные антистатики

Известны антистатики с разной химической структурой. В основном выделяют две группы – ионные и неионные добавки. Ионные добавки рекомендуется применять для полимеров, имеющих высокую полярность, или для пластиков, которые при получении пленки возможно обрабатывать при невысоких температурах.

Ионные антистатики:

• катионные соединения – четвертичные аммониевые соли;

• анионные соединения – соединения, включающие в себя фосфор – применимы в случае ПВХ; соединения с содержанием серы – применимы в случае ПВХ и ПС (полистирол).

Неионные добавки рекомендовано применять для полиолефинов. К ним относятся производные амидов, например, алкоксилированные амиды, аминовые производные и эфиры глицерина.

Также в качестве антистатиков возможно использование многоатомных спиртов и их производных, производных полиэтиленгликоля, этоксилированных соединений.

Имеет смысл рассмотреть антистатические присадки для полиолефинов, так как большая часть упаковочных материалов изготавливается именно из них.

Глицерилмоностеарат (GMS)

Моно, ди-, тризамещенные эфиры получаются при реакции жирных кислот и глицерина. В качестве антистатиков применяются именно монозамещенные эфиры. Эти соединения обладают надлежащей теплостойкостью, их можно использовать в пищевой упаковке, но они являются менее эффективными в сравнении с этоксилированными аминами и диэтаноламинами при использовании в полиолефинах.

Этоксилированные амины

Такие антистатики являются третичными этоксилированными аминами высших жирных кислот. Очевидно, что свойства антистатиков практически полностью зависят от типа исходного сырья. В данном случае, чем длиннее углеводородный радикал, тем медленнее вещество попадает к поверхности изделия. Отметим, что амины менее термостабильны в сравнении с GMS, к тому же являются раздражителями. В то же время аминные антистатики более эффективны нежели GMS и применяются в условиях пониженной влажности (30 – 50%). Антистатики на основе аминов не используют для упаковки электронных плат. Это объясняется взаимодействием с их с поликарбонатами и образованием микротрещин. Этоксилированные амины являются наиболее подходящими для ПЭВП.

Диэтаноламиды

Эти соединения похожи по своему строению на этоксилированные амины, но к атому азота присоединена карбонильная группа, которая меняет полярность молекулы. Антистатические свойства зависят от длины углеродного радикала. Установлено, что диэтаноламиды не вызывают растрескивания изделий, выполненных из поликарбоната.

Схема синтеза диэтаноламидов жирных кислот

Рассмотрим схему синтеза диэтаноламидов жирных кислот, она представлена ниже:

Согласно схеме, в емкость-смеситель подаются жирные кислоты и диэтаноламин в заданном соотношении. Протекает реакция нейтрализации жирных кислот диэтаноламином, после чего образуются соли амина. Реакционная смесь подогревается до температуры 100–120 °С, с этой целью подается теплоноситель 1 в рубашку аппарата. Теплоносителем могут выступать, например, диатермическое масло, водяной пар.

Из емкости-смесителя (поз.Е-1) реакционная масса подается в реактор (Р-2), который представляет собой проточный аппарат непрерывного действия. Подвод тепла в данный реактор может осуществляться аналогичными теплоносителями, что и для Е-1.

На выходе из Р-2 горячая смесь поступает в пленочный испаритель (И-3), где поддерживается вакуум. Помимо очистки продукта от нежелательной примеси, удаление воды способствует смещению равновесия реакции амидирования в сторону продуктов, что приводит к увеличению выхода диэтаноламидов.

И-3 – испаритель – может представлять собой любой пленочный аппарат, к примеру, конусообразный или колонный. Предпочтительным является роторно-пленочный испаритель, показанный на фиг. 1. Испаритель работает в адиабатическом режиме. Вода при испарении уносит часть тепла, в результате чего температура реакционной смеси снижается на 25–40°С в зависимости от температуры реакционной смеси на входе и содержания в ней воды. В результате этого побочные реакции замедляются, и содержание диэтаноламидов в продукте остается в диапазонемаксимальных значений для данной температуры синтеза. После выхода из испарителя  И-3) продукт реакции направляют в теплообменный аппарат (Т-4), где происходит охлаждение продукта до температуры не выше 70–80 °С. В качестве теплообменного аппарата (Т-4) может быть использован теплообменник любой конструкции, обеспечивающий эффективный отвод тепла

Синергические смеси

В виде синергических смесей, как правило, используют глицерилмоностеараты и этоксилированные амины в соотношении 2:1. Смесь этих компонентов оказывается намного эффективнее в сравнении с каждым отдельным компонентом.

Алкилсульфонаты

Для полистирола, используемого в производстве изделий для пищевой упаковки, в качестве антистатиков применяют алкилсульфонаты щелочных металлов. Они считаются достаточно эффективными антистатиками для полистирола, поливинилхлорида и термопластичного полиуретана. Приведенные антистатики обладают длительным действием: более полугода.

Свойства антистатических добавок

Теперь обратимся к свойствам, которыми должны быть наделены антистатические средства. Высокая эффективность рассматриваемых соединений обеспечивается гигроскопическими и гидрофильными свойствами, способностью ионизации в воде (за счет наличия ионов увеличивается проводимость воды), а также способностью к миграции.

Стоит отметить, что антистатические добавки являются необходимым условием производства пластмасс, так как благодаря ним облегчается производственный процесс и обеспечивается отсутствие искровых зарядов. В добавок ко всему, антистатики способствуют уменьшению накопления пыли на пластмассовых поверхностях.

Важно обратить внимание на тот факт, что большинство антистатиков сохраняют свои свойства в зависимости от влажности окружающего их воздуха. Так, если влажность превышает показатель в 30%, следует с большей вероятностью ожидать значительного ухудшения свойств антистатика.

Значительное влияние оказывают и плотность и степень кристалличности полимера, именно поэтому для ПЭВП необходимо значительно больше антистатика, чем для ПЭНП.

В свою очередь, полярность полимерной матрицы оказывает воздействие на скорость миграции антистатика: с большей полярностью увеличивается степень совместимости полимера и антистатика, а значит, миграция замедляется. Этот факт обуславливает необходимость использовать большее количество антистатика для ЭВА в сравнении с неполярными полиолефинами.

Основными свойствами наделены амидные и аминные антистатики, поэтому они способны взаимодействовать со вспенивающими добавками и галогенсодержащими антипиренами, которые являются кислыми добавками.

Из-за уменьшения места на поверхности изделия эффективность антистатиков заметно снижается при введении скользящих добавок.

Рассмотрим некоторые конкретные поверхностно-активные вещества, используемые в качестве антистатиков для пластиковых материалов:

• Алкамон ДЛ – соль четвертичных аммониевых оснований, прозрачная жидкость от желтого до красно-коричневого цвета. Отлично растворяется в жесткой и мягкой воде, этиловом спирте и бензоле, не растворима в эфире и уайт-спирите.

• Амины С7 – С9  (перегнанные) – подвижная прозрачная бесцветная жидкость, температура кипения 105 – 200 градусов по Цельсию.

• Выравниватель А – четвертичные аммониевые соли диэтиламинометильных производных полиэтиленгликолевых эфиров алкилфенолов.

• Диэтаноламид кислот фракции С10 – С16 – пастообразное вещество темно-желтого цвета, содержание свободных аминов около 5,5%. Свободная щелочь отсутствует, кислотное число около 0,45.

• Карбозолин СП-3 (основание) – воскоподобное вещество кремового цвета. Содержание основного вещества 100%, содержание влаги – следы. Растворяется в перхлорэтилене, уайт-спирите, этиловом спирте и других органических растворителях.

• Карбозолин СПД-3 (соль) – жидкость желтого цвета с содержанием основного вещества 25 вес. %, остальное – вода.

• Ксилиталь О-10 – смесь полиэтиленгликолевых эфиров олеатов ангдидроксилитов, маслообразная жидкость или паста желто-коричневого цвета.

Ниже приведена таблица, отражающая эффективность антистатической обработки химических волокон (при температуре 20°C и относительной влажности воздуха 65%)

Показатели удельного сопротивления пластмасс при поверхностной антистатической обработке