抗静电剂

任何物体都带有本身的静电荷，这种电荷可以是负电荷也可以是正电荷，静电荷的聚集使到生活或者工业生产受到影响甚至危害，将聚集的有害电荷导引/消除使其不对生产/生活造成不便或危害的化学品称为抗静电剂。

英文:Antistatic agent, ASA

根据使用方式的不同, 抗静电剂可以分为外涂型和内混型两种。外涂型抗静电剂是指涂在高分子材料表面所用的一类抗静电剂。一般用前先用水或乙醇等将其调配成质量分数为 0、5 %~2、0 %的溶液 ,然后通过涂布、喷涂或浸渍等方法使之附着在高分子材料表面 , 再经过室温或热空气干燥而形成抗静电涂层。此种多为阳离子型抗静电剂 , 也有一些为两性型和阴离子型抗静电剂; 内混型抗静电剂是指在制品的加工过程中添加到树脂内的一类抗静电剂。常将树脂和添加其质量的0、3 %~3、0 %的抗静电剂先机械混合后再加工成型。此种以非离子型和高分子永久型抗静电剂为主 , 阴、阳离子型在某些品种中也可以添加使用。各种抗静电剂分子除可赋予高分子材料表面一定的润滑性、降低摩擦系数、抑制和减少静电荷产生外 , 不同类型的抗静电剂不仅化学组成和使用方式不同 , 而且作用机理也不同。

根据用法的不同，表面活性抗静电剂有两种，即外用的和内用的、外用的、或局部的抗静电剂是通过喷撒、擦搽或浸渍而施于聚合物的表面。这种外用抗静电剂虽然适用于多种聚合物，但它们的效力只是暂时的，事后与溶剂接触或与它物磨擦很容易失掉。内用抗静电剂则是在聚合物加工过程中掺合于其中。这样的表面活性抗静电剂能够补充因搬运处理而被磨蚀的抗静电功能。这种内用抗静电剂的作用有赖于喷霜。这里喷霜的意思是指加入于树脂中的内用抗静电剂部分地向聚合物表面迁移的过程。因此，内用抗静电剂具有长期的抗静电保护作用。

表面活性抗静电剂可分为阳离子型的、阴离子型的和非离子型的。

通常是些长链的烷基季铵、磷或鏻盐，以氯化物作平衡离子。它们在极性基质中，如硬质聚氯乙烯和苯乙烯类聚合物中效果很好，但对其热稳定性有不良影响。这类抗静电剂通常不得用于与食物接触的物品中;而且抗静电效果仅为乙氧基化胺类之类内用抗静电剂的1/5到1/10。

通常是些烷基磺酸、磷酸或二硫代氨基甲酸的碱金属盐，也是主要用于聚氯乙烯和苯乙烯类树脂中;它们在聚烯烃类树脂中的应用效果与阳离子抗静电剂相似。在阴离子抗静电剂中，烷基磺酸钠已广泛应用于苯乙烯系树脂、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚碳酸酯中。

如乙氧基化脂肪族烷基胺代表着最大的一类抗静电剂。它们广泛地应用于聚乙烯、聚丙烯、ABS和其他苯乙烯系聚合物中。生产销售的有好几种乙氧基化烷基胺，其区别在于烷基链的长度和不饱和度的大小。乙氧基化烷基胺是很有效的抗静电剂，即使是在相对湿度低的情况下亦然，而且长期有效。这类抗静电剂已获联邦食品医药管理局批准，应用于与食品间接接触的物品中，其他商业上有价值的非离子型抗静电剂还有乙氧基化烷基酸胺，如乙氧基月桂酷胺，及甘油一硬脂酸酯(GMS)。乙氧基月桂酷胺适用于在湿度小的环境里使用的聚乙烯和聚丙烯，而且要求有速效长效的抗静电功能的场合。GMS类抗静电剂则只考虑用于加工过程中的静电保护。尽管GMS向聚合物表面迁移的速度快，但它不能像乙氧基化烷基胺或乙氧基化烷基酸胺那样发挥持久的抗静电作用。

可以将高达75%的液体或低熔点的乙氧基化烷基肢和聚合物掺合制成浓缩母料，这些母料是自由流动的小球状产品，易于装运，而其混炼时易于分散。乙氧基化烷基胺母料的优点可归纳如下:

(1)分散性好，添加了预分散活性材料。

(2)装运性好，自由流动的小球状产品，易计量，易混合。

(3)加工性能好，在挤出机中少有螺杆打滑。

静电利与弊的利用和防止静电的危害很多，它的第一种危害来源于带电体的互相作用。在飞机机体与空气、水气、灰尘等微粒摩擦时会使飞机带电，如果不采取措施，将会严重干扰飞机无线电设备的正常工作，使飞机变成聋子和瞎子;在印刷厂里，纸页之间的静电会使纸页粘合在一起，难以分开，给印刷带来麻烦;在制药厂里。 由于静电吸引尘埃，会使药品达不到标准的纯度;在放电视时荧屏表面的静电容易吸附灰尘和油污，形成一层尘埃的薄膜，使图像的清晰程度和亮度降低;就在混纺衣服上常见而又不易拍掉的灰尘，也是静电捣的鬼。

静电的第二大危害，是有可能因静电火花点燃某些易燃物体而发生爆炸。漆黑的夜晚，我们脱尼龙、毛料衣服时，会发出火花和"叭叭"的响声，这对人体基本无害。但在手术台上，静电火花会引起麻醉剂的爆炸，伤害医生和病人;在煤矿，则会引起瓦斯爆炸，会导致工人死伤，矿井报废。

在二十世纪中期，随着工业生产的高速发展以及高分子材料的迅速推广应用, 一方面，一些电阻率很高的高分子材料如塑料、橡胶等的制品的广泛应用以及现代生产过程的高速化, 使得静电能积累到很高的程度, 另一方面，静电敏感材料的生产和使用, 如轻质油品, 火药, 固态电子器件等, 工矿企业部门受静电的危害也越来越突出, 静电危害造成了相当严重的后果和损失。曾使得造成电子工业年损失达上百亿美元，这还不包括潜在的损失。在航天工业，静电放电造成火箭和卫星发射失败，干扰航天飞行器的运行。在石化工业，美国从1960年到1975年由于静电引起的火灾爆炸事故达116起。1969年底在不到一个月的时间内荷兰、挪威、英国三艘20万吨超级油轮洗舱时产生的静电引起相继发生爆炸以后，引起了世界科学家对静电防护的关注。我国近年来在石化企业曾发生30多起较大的静电事故, 其中损失达百万元以上的有数起。例如上海某石化公司的2000m3甲苯罐, 山东某石化公司的胶渣罐, 抚顺某石化公司的航煤罐等都因静电造成了严重火灾爆炸事故。二次世界大战后许多工业发达国家都建立了静电研究机构。

静电危害起因于静电力和静电火花，静电危害中最严重的静电放电引起可燃物的起火和爆炸。人们常说，防患于未然，防止产生静电的措施一般都是，改造起电强烈的工艺环节，采用起电较少的设备材料等。最简单又最可靠的办法是用导线把设备接地，这样可以把电荷引人大地，避免静电积累。细心的乘客大概会发现;在飞机的两侧翼尖及飞机的尾部都装有放电刷，飞机着陆时，为了防止乘客下飞时被电击，飞机起落架上大都使用特制的接地轮胎或接地线; 以泄放掉飞机在空中所产生的静电荷。我们还经常看到油罐车的尾部拖一条铁链，这就是车的接地线。适当增加工作环境的湿度，让电荷随时放出，也可以有效地消除静电。潮湿的天气里不容易做好静电试验，就是这个道理。科研人员研究的抗静电剂，则能很好地消除绝缘体内部的静电。

然而，任何事物都有两面性,对于静电,只要摸透了它的脾气，扬长避短，也能让它为人类服务。比如， 静电印花、静电喷涂、静电植绒、静电除尘和港电分选技术等， 已在工业生产和生活中得到广泛应用。静电也开始在淡化海水，喷洒农药、人工降雨、低温冷冻等许多方面大显身手，甚至在宇宙飞船上也安装有静电加料器等静电装置。

抗静电剂的最佳选用和添加量取决于聚合物的性质、加工方式、加工条件、其他助剂的种类和多少、相对湿度和聚合物的最终用途。为了获得足够的抗静电作用所需的时间是不同的，抗静电保护作用的生成速度和持续时间可以通过提高抗静电剂的浓度而增加。但是，过量使用抗静电剂可能导致最终制品的表面油滑，有损于印刷性能或粘合性能。未经处理的无机填料和颜料，可将防静电剂分子吸附到它们的表面上，从而降低抗静电剂的作用。这种现象可以由增加抗静电剂的用量而得以补偿。但是，对于那些与食物接触的用品而言，抗静电剂的添加量必须符合联邦食品与药物管理局的规定(详见"联邦规定法典，21(21CFR)")。(CodeofFederalRegulations,Title21(21CFR))。

用于聚乙烯时，选用何种乙氧基化烷基胺抗静电剂需考虑它们的物理形态，即膏状、液体、小颗粒或固体。如果乙氧基化牛脂胺因其呈膏状而不能处理，则可用液体的乙氧基化油胺。在高温加工的条件下(180℃以上)，可以选用乙氧基化硬脂酞胺。如果需要速效抗静电作用，则可选用乙氧基化月桂酷胺。用于聚丙烯时，要考虑的问题与用于聚乙烯时相仿。无论用于哪种树脂，都必须考虑联邦食品与药物管理局的有关各项用途的规定限度。用于苯乙烯系聚合物时，建议选用乙氧基化椰子胺或其某一种适当的母料。

抗静电剂的使用方法有涂布法和共混法两种。涂布法具有见效快、用料省，对抗静电剂的耐热性要求低等优点，但抗静电效果不能持久，经过水洗、摩擦后，抗静电剂涂层会消失。而共混法具有耐洗涤、耐摩擦，抗静电效果持久，使用方法简单等优点。

一、涂布法操作要点

涂布法操作分清洗配液、涂布和干燥四个工序。

(1) 清洗为了得到均一密实的抗静电剂涂膜，涂刷抗静电剂前，必须对塑料表面进行清洗，彻底除去表面灰尘、油脂等。可用1%左右的中性洗涤剂溶液清洗。清洗后需要放置在无尘室内晾干。

(2) 配液用乙醇、酯类或水将抗静电剂配成0.2~2%浓度的溶液，溶液的浓度在保证抗静电效果的前提下，尽可能稀一些，因为浓度高的溶液会发粘，容易吸附灰尘。

(3) 涂布根据制品的形状等选择涂布方法，常用的涂布方法有直接法、浸渍法和喷涂法等几种。直接法是用棉布、法兰绒、毛刷和辊筒等工具将抗静电剂液涂布在制品上。它简便有效，使用最广。浸渍法是将制品浸入抗静电剂液中，它适用于形状复杂或数量很大的小型制品。喷涂法是用喷枪将抗静电剂液喷涂在制品上，它有速度快，效率高，涂膜均匀等优点。

(4) 干燥涂布后的制品应充分干燥，使涂膜层硬化，在温度30-40℃，湿度60-80%的条件下，大约需要干燥3个小时。干燥后还要在自然环境条件下放置5个小时。

(二)共混法操作要点

共混法是将抗静电剂与树脂混合后再加工成型，制成具有抗静电的制品。常用的抗静电剂有阳离子型和两性离子型。抗静电剂是易吸湿性化台物，含有一定量的水份。在成塑过程中，少量水份的存在就会造成制品质量下降，故抗静电剂在加到树脂前应充分干燥。可在70-80℃的热风下，干燥4个小时。抗静电剂的加入量应根据抗静电剂本身的性能、树脂的种类，加工条件、制品形态以及对抗静电效果的要求程度而定，一般加入量为0.3~3%。薄的制品的加入量比厚制品要少

1、分子结构和特征基团性质及添加量[2]

抗静电剂的效果首先取决于它作为表面活性剂的基本特性 ―表面活性 。 表面活性与分中亲水基种类 、 憎水基种类 、 分子的形状 、 分子量大小等有关 。 当抗静电剂分子在相界面作定向吸附时，就会降低相界面的自由能及水和塑料之间的临界接触角。这种吸附作用 ，仅与基体的性质有关 ， 而且还与表面活性剂的性质有关 。 根据极性相似规则 ， 表面活性剂分子的碳氢链部分倾向与高分子链段接触 ， 极性基团部分倾向与空气中的水接触 。 高分子材料作为疏水材料 ， 抗静电剂在其表面的主要作用就是形成规则的面向空气中的水的亲水吸附层。

在空气湿度相同的情况下，亲水性好的抗静电剂会结合更多的水，使得聚合物表面吸附更多的水，离子电离的条件更充分，从而改善抗静电效果。

通过质子置换，也能发生电荷转移。含有羟基或氨基的抗静电剂，可以通过氢键连成链状，在较低的湿度下也能起作用。在干燥的空气环境中，若要求塑料制品成型之后立即发挥抗静电性，采用多元醇单硬脂酸酯抗静电剂非常有效。只有在相对湿度 50 %的环境中贮存一段时间之后，聚丙烯中的羟乙基烷基胺才表现出最佳的抗静电效果， 而且受湿度的影响非常大。 硬脂酸单甘油酯在加入之后立即产生抗静电效果且不受湿度的影响，但是随着贮存时间的延长，其作用效果明显下降。

添加型抗静电剂效果决定于添加剂向塑料制品表面的迁移速率。当塑料制品表面被一层连续的导电层覆盖时，电荷的衰减才达到最佳。

抗静电剂的分子量太高 ， 不利于它向高聚物表面迁移 ; 分子量太低 ， 耐洗涤性和表面耐摩擦性不佳 。 通常抗静电剂的分子量比高聚物分子量小得多 。 加入低分子量物质可能会使高聚物材料的物理机械性能恶化。为了减少这种不良影响，通常情况下抗静电剂的添加量是很少的，如同表面活性剂"一点就鲜" ，一般为1ppm~1000ppm，也可以稀释后添加。抗静电剂的添加量还视制品用途而异。

CMC (临界胶束浓度)值是表面活性剂表面活性的一种量度。 CMC 值越小，表面活性剂达到表面 ( 界面 ) 吸附的浓度越低 ， 或形成胶束所需浓度越低 ， 因此抗静电性的起效浓度也越低 。 不同结构的抗静电剂添加量不同 ， 并且随制品形式的不同而不同 。 添加量有一个范围 。过低 ， 抗静电效果不明显，过高，会影响材料的物理机械性能 。 薄膜 、 片材等薄制品的添加量较少，厚制品的添加量则相对较多。

2、抗静电剂与聚合物的相容性遵循极性相近相容原理。高分子材料都具有长碳链结构，多属非极性树脂，有的具有极性端基 ， 增强了极性 。 抗静电剂同时具有憎水基 ( 非极性 ) 和亲水基 ( 极性 ) 。 一般憎水基碳链越长 ， 与聚合物的相容性越好 。 亲水基若极性很强 ， 则与聚合物的相容性不好;若极性较弱，则亲水吸附性较差。相容性太好，抗静电剂不易迁出 ， 达不到抗静电效果 ; 相容性不好 ， 迁出太快 ， 持效期太短 ， 影响长期使用 。 因此在设计和使用抗静电剂时需要考虑上述因素，通过实验筛选抗静电剂的品种及最佳使用量。

3 、其它添加剂的影响

高聚物材料加工时 ， 往往要添加一些稳定剂 、 颜料 、 增塑剂 、 润滑剂 、 分散剂或阻燃剂等助剂 。 这些添加剂与抗静电剂的相互作用也会对抗静电效果产生很大影响。例如阴离子型稳定剂会与阳离子型抗静电剂形成复合物，从而降低各自的效果。润滑剂通常能很快迁移到高聚物表面上，抑制了抗静电剂的转移。若润滑剂分子层覆盖在抗静电剂分子层上，会使抗静电剂表面浓度降低，显著影响抗静电效果 ; 有时由于润滑剂的影响 ， 也会促进抗静电剂向表面转移。增塑剂会增加大分子链间的距离，使分子运动更为容易 ， 提高了高聚物的孔隙率 ，有利于抗静电剂向制品表面迁移发挥抗静电作用。有些增塑剂会降低高聚物的玻璃化温度 ，也可使抗静电剂的效果增大 。 抗静电剂与各种添加剂的影响大小，事先很难预测，目前大多数是通过实验来选用最合适的抗静电剂和用量。分散剂、稳定剂及颜料等无机添加剂，一般都有较强的吸附能力，使抗静电剂难以迁移到表面上，对抗静电剂的扩散迁移具有反作用，抗静电效果会变差。大多数无机添加剂都是细小的微粒，具有较大的表面积，易吸附抗静电剂，使其不能有效地发挥抗静电作用。颜料微粒则容易富集在抗静电剂周围 ， 影响其向外扩散。例如，相同抗静电剂浓度的 ABS 中加入二氧化钛后，抗静电作用降低。不同无机填料的吸附性不同，对抗静电效果发挥的影响也不一样。

此外，高聚物组分中的弹性体也会使抗静电剂的效能变差。例如在聚丙烯与橡胶的复合材料中，发现抗静电剂富集在橡胶组分周围，使其难于迁移到表面。

4、加工过程的影响

聚合物制品的加工方式最终会影响制品中高分子链的规整程度 、 结晶度 、 结晶形态及有序化程度。若高聚物在熔融状态下成型后，立即在低于其玻璃化温度的室温下进行冷却 ， 抗静电剂就很难扩散到制品表面 ， 从而没有足够的抗静电效果 。 若制品在高于玻璃化温度的温度下冷却 ， 由于大分子链段运动有助于抗静电剂扩散 ， 这样不仅制品能呈现出足够抗静电效果，而且即使用摩擦或水洗除去表面上的抗静电剂，也能较迅速恢复其抗静电效果。