抗静电剂和导电剂.ppt

抗静电剂与导电剂 概述 大多数合成高分子材料都具有优异的加工性和电绝缘性 其表面电阻率很高 通常为1012 1030 cm 因此在使用过程中容易积累静电荷 静电荷累计到一定程度 会引发一系列危害 轻则吸附灰尘 造成产品污染 重则引起火灾 爆炸等重大事故 在涂料工业中 合成高分子材料作为成膜物质用来制备高等涂料 抗静电剂 导电剂属于典型的功能性助剂 可改变成膜物质的电性能 一般 表面电阻率在109 1014 cm的可视为抗静电材料 能使高分子材料具有这一性能的添加剂成为抗静电剂 在工业上采用抑制静电荷的产生和促进电荷的泄来解决材料的带电问题 有以下几种方法 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 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 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 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 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 采用导电性高分子材料或导电性涂料进行表面预处理 添加抗静电剂 提高高分子材料的极性或吸湿性 抗静电剂 所谓抗静电剂是指涂敷于材料表面或掺和在材料内部 以防止或减轻静电积累的一类化学助剂 外部抗静电剂是把抗静电剂以一定浓度溶于醇或醇 醇混合溶液中 对塑料等表面进行涂覆或浸渍 经干燥抗静电剂结合在制品表面 不会影响聚合物的加工性能和物理机械性能 但会因摩擦 洗涤或向聚合物内部迁移而逐步减少 因此 处理后抗静电效果难以持久 内部抗静电剂是在聚合物材料加工前或加工中加入的 其分子分散在聚合物分子之间 表面的抗静电剂损失后能及时迁移到制品表面 使其保持比较持久的抗静电效果 但是抗静电剂容易向外迁移造成流失 故抗静电性能不能持久 抗静电剂的分类 阳离子型 阳离子型抗静电剂主要包括胺盐 季铵盐烷基氨基酸盐等 其中季铵盐最为重要 抗静电性能优良 对高分子材料有较强的附着力 广泛用作纤维和塑料的抗静电剂 但是 有些季铵盐化合物热稳定性差 具有一定的毒性和刺激性 并且与某些着色剂和荧光增白剂反应 作为内部抗静电剂使用受到限制 各类抗静电剂的主要特征 季铵盐是用叔胺与烷基化试剂通过季铵化反应来合成的 通常的烷基化试剂有烷基卤化物如CH3Cl CH3Br CH2 CHCH2Cl 芳香族卤化物如C6H5CH2Cl C6H5Cl以及硫酸二烷酯等 随着所使用的叔胺和烷基化试剂的不同 作为抗静电剂使用的季铵盐品种很多 较重要的代表性品种有以下几类 1 烷基叔胺氯化物 代表品种有硬脂酰三甲基氯化铵 如Arguad18 硬脂酰二甲基戊基氯化铵 广泛作为纤维 织物的抗静电剂 柔软剂 2 烷基叔胺硝酸盐 代表品种有抗静电剂SN 是带有酰胺结构的阳离子季铵盐抗静电剂 广泛作为塑料的内 外抗静电剂 可用于聚氯乙烯 聚苯乙烯 丙烯酸树脂 ABS树脂 聚乙烯 聚丙烯和聚酯等多种塑料 3 烷基叔胺硫酸酯盐 代表性品种有 月桂酰胺丙基三甲基铵 硫酸甲酯盐 美国氰胺公司CyastatLS N N 双 2 羟乙基 N 3 十二烷氧基 2 羟基丙基 甲铵硫酸甲酯盐 美国氰胺公司Cyastat609 三羟乙基甲基季铵硫酸甲酯盐 英国Temas公司抗静电剂TM N N 十六烷基乙基吗啉硫酸乙酯盐 美国Baird公司BarquatCME 等 4 烷基叔胺磷酸盐 这类阳离子型抗静电剂有硬脂酰胺丙基二甲基 羟乙基铵二氢磷酸盐 美国氰胺公司CyastatSP 除了季铵盐之外 阳离子型抗静电剂还包括烷基胺 环胺 酰氨基胺的盐 咪唑啉盐乙基丙烯酰胺盐等 广泛的用作纤维的抗静电剂和表面处理剂 阴离子型 在这类抗静电剂中 分子的活性部分是阴离子 其中包括烷基磺酸盐 硫酸盐 磷酸衍生物 高级脂肪酸盐 羧酸盐及聚合型阴离子抗静电剂等 其阳离子部分多为碱金属或碱土金属的离子 铵 有机胺 氨基醇等 广泛用于化纤油剂 油品等的抗静电剂 在塑料工业中 除了某些烷基磷酸酯 烷基硫酸酯及其胺盐用作外部抗静电剂外 一般较少用作内部抗静电剂使用 非离子型 这类抗静电剂分子本身不带电荷而且极性很小 通常非离子型抗静电剂具有一个较长的亲油基 与树脂有良好的相容性 同时非离子型抗静电剂毒性低 具有良好的加工性和热稳定性 是合成材料理想的内部抗静电剂 主要有聚乙二醇酯或醚类 多元醇脂肪酸酯 脂肪酸烷醇酰胺 脂肪胺乙氧基醚等化合物 此类化合物分子中 烷基链长以及极性集团的数量 对发挥最佳抗静电效果至关重要 两性抗静电剂 从广义上看两性型抗静电剂是指在抗静电剂分子结构中同时具有两种或两种以上离子性质的抗静电剂 日本丸茂秀雄等人对此类化合物抗静电剂做过广泛深入的研究 发表过许多论文和专著 通常 两性抗静电剂主要是指在分子结构中同时具有阴离子亲水基和阳离子亲水基这样一类的离子型抗静电剂 分子结构中的亲水基在水溶液中产生电离 在某些介质中表现为阴离子表面活性剂特征 而在另一些介质中又表现为阳离子表面活性剂特征 此类抗静电剂与高分子材料有良好的相容性 配伍性 以及较好的耐热性 是一类性能优良的内部抗静电剂 高分子永久性抗静电剂 用各种亲水性聚合物作为抗静电剂 加入到基料树脂中可得到高分子聚合型永久性抗静电剂树脂 技术关键是提高永久性抗静电剂在树脂中的分散程度和状态 因为它是在母体中形成芯壳结构 并以此为通路泄漏静电荷 永久性抗静电剂以微细的层状或筋状形态主要分布在制品表面 而在中心部分较少且主要以颗粒状存在 决定形态结构的主要因素是成形加工条件和与母体树脂的相容性 最直接的影响因素是母体与永久性抗静电剂的熔融粘度差或粘度比 它常以剪切速率和加工温度控制 抗静电剂的作用机理 2 一般来说 分子中含有极性基团较多的聚合物易带正电荷而非极性聚合物一般带负电荷 静电荷的积累是造成静电伤害的根源 抗静电分子具有亲水亲油基团 亲油基团显示出非极性 亲水基团显示出极性 二者之间存在着一个平衡值 HBL HBL值越大 说明表面活性剂分子的极性越高 反之 HBL越小表面活性剂分子的极性就越低 高分子材料用抗静电剂的作用机理主要表现在两个方面 一是抗静电剂在材料表面形成导电性的连续膜 即能赋予制品表面具有一定吸湿性与离子性的薄膜 从而降低表面电阻率 使已经产生的静电荷迅速泄漏 以达到抗静电的目的 二是赋予材料表面有一定的润滑性 降低摩擦系数 从而抑制和减少静电荷的产生 吸湿理论 抗静电剂分子的亲水基涂层固化过程中往往会排列在外侧 亲水基伸向大气 亲油基 亲高分子 插入大分子层 因此可以吸收空气中的水分子 形成肉眼观察不到的 水膜 这样的 水膜 又为离子型表面活性剂提供了电离的条件 不仅能形成含水导电层 也为离子导电创造了条件 抗静电剂在涂料中的应用 一般来说 在涂料中混入抗静电剂能够提高涂料的抗静电效果 在家电制品及汽车部件涂装应用中 使涂膜表面具有抗静电性是十分重要的 另外 电视机机壳板面 ABS树脂或聚碳酸酯 以及灯具 丙烯酸树脂 都可以采用抗静电涂料涂覆的办法来达到持续防污的目的 涂料用抗静电剂应满足如下使用要求 抗静电效果好 在湿度很小时 也能使表面电阻显著下降热稳定性好抗静电效果持久 表面不发花 不产生发黏或油性感 不容易被洗去与成膜基质有良好的相容性 在聚合物中不易发散不影响其他性能廉价 导电剂及导电剂作用机理 导电涂料是近年来迅速发展起来的一种新型功能材料 它赋予物体以导电性 具有抗静电 导电以及屏蔽电磁的功能 用途广泛 导电涂料分本体型和掺和型两大类在涂料干燥固化之前 基料与导电填料彼此独立存在 互不连续 处于绝缘状态 固化干燥之后 溶剂挥发 基础树脂和填料混合固化 彼此之间紧密连结为一体 从而产生了导电度 导电剂的种类 导电剂大致可分为五大类 金属系导电剂 银粉 铜粉 镍粉 金属氧化物系导电剂 氧化锡 氧化铁 氧化锌 碳系导电剂料 炭黑 石墨等 复合导电剂 复合粉和复合纤维 其他导电剂 银良好的导电性和导热性分为球状 片状 扁平状 枝装和海绵状导电性与银粉的粒径有关 粒径越小导电性越高银的价钱比较昂贵 铜其体积导电率与银接近 但是比较便宜缺点是在空气中易氧化 氧化后不导电添加还原剂 如对苯二酚类衍生物在铜系电磁屏蔽涂料中 通过加入助剂如偶联剂 有机膨润土 可改善其使用性能 镍其稳定性介于银粉与铜粉之前在大气中不易生锈 能够抵抗苛性碱的的腐蚀常用于磁屏涂料常与银制得复合导电剂还与铝硼等制成粉末导电剂 氧化锡纯的氧化锡是绝缘体 只有当其组成偏离了化学比 产生晶格缺陷和进行掺杂时才能成为半导体掺锑二氧化锡 ATO 是一种新型多功能透明抗静电及导电材料 纳米型优势更明显ATO导电膜与基材的附着性好 机械强度高 不受气候和使用环境的限制 氧化锌氧化锌晶须具有独特的性能 其结构为立体四针状 每根针状体为单晶体微纤维氧化锌晶须是一种调到率可调的半导体材料当其分散于涂层中时 其四针状显微结构可形成高效的导电网络通道 二氧化钛导电性能稳定且具有一定的遮盖力用二氧化钛配置的抗静电涂料 其耐油性 防腐性 物化性能较好 可以制成白色抗静电涂料 炭黑烃类化合物热分解而得到的炭黑的球形粒子是由几种没有一定标向的晶子组成的无定形结晶体粒子越小 表面积越大 导电性能越好挥发氛越高 导电性越差 灰分越低 导电性越好由于炭黑粒子具有较强的凝聚力 它与其他物质 有机高分子 水及有机溶剂 的亲和力较弱 难分散和和均匀混合 石墨石墨的性质取决于它的结构 在石墨晶体中 碳原子以sp