抗静电剂的应用研究

静电是造成火灾和爆炸的主要原因之一，全世界每年因静电造成的损失高达数十亿美元。静电的产生给人们的生产和生活带来了很多负面影响，按类型可分为三种危害：①静电引起火花造成火灾和爆炸，在易燃易爆场所如粉尘、油雾生产场所等易因静电引发火灾或爆炸；②静电影响日常生活，纺织品产生的静电刺激对人体造成伤害或引发恐惧，高压静电放电造成电击，危及人身安全；人体内含有较多静电时引起脑神经细胞膜电流传导异常，影响中枢神经，从而导致血液酸碱度和机体氧特性的改变，使人出现疲惫、头痛、烦躁、失眠等症状。③静电妨碍生产，电子器件存在的静电易引起电路失效，导致器件失灵；医疗器械使用过程中因静电影响易吸尘、影响结果的准确性；薄膜工业由于静电造成薄膜不均匀滚动，收卷打滑；纺织行业易因静电造成根纱飘移、断裂、绕纱等危害。[1]

通常根据电阻率可将材料分为三类，表面电阻率在105Ω/sq以下的称为导电材料，不会产生静电；表面电阻率在106~1012Ω/sq为静电耗散材料，材料电导率在这个范围内几乎不会产生静电；表面电阻率大于1012Ω/sq的是绝缘材料，容易产生静电。聚合物通常具有高表面电阻，属于绝缘体，产生的电荷由于聚合物禁带较宽无法及时泄露，积累在表面，从而产生静电。不同聚合物间的摩擦起电则可能与多种材料表面性质或化学反应等因素有关，因此可能同时存在电子转移和材料转移：两个表面相互接触时，由一种材料的带电片段转移到另一材料上，使两种材料两个接触表面分别带有相反电荷。离子转移的情况则主要发生在表面存在分子盐的离聚物或聚合物（即使这些聚合物不含可移动离子，例如存在于材料表面水层中的离子也可能会被转移）与其它材料接触过程中。[1]

目前常用的消除静电方法有五种：

（1）增加大气湿度：水是一种简单导体，纯水电阻率在108Ω左右，比大多数聚合物低多个数量级，增加大气湿度可使材料表面覆盖一层薄薄的水层，形成导电通路泄露电荷；

（2）增加空气介质电导率：空气电导率增加可使静电快速从空气中泄露，增加空气电导率可通过电气或放射性电离器实现；

（3）使用物理或化学手段使得聚合物增加亲水能力，从而在聚合物表面形成一层水膜泄露静电荷；物理手段主要是与抗静电剂进行共混或涂覆抗静电剂于材料表面；化学手段主要是接枝一些极性或离子化基团，增加材料自身吸湿性。

（4）提高聚合物材料自身电导率：通过与导电填料共混在材料内部形成导电通路泄露静电荷。

（5）清除材料产生的自由基：添加自由基清除剂使得电荷与自由基的稳态结构被破坏，从而使电荷耗散。

根据获得抗静电性能的方法不同可将聚合物抗静电方法分为化学法抗静电和物理法抗静电。化学法抗静电是将高分子材料经化学手段处理，使其亲水性或导电性得到大幅改善，从而得到抗静电性能的一种方法，经化学法处理后的材料具有永久抗静电性、耐洗性、不损伤自身性能等优点；缺点是工艺相对复杂、周期长、普适性差，难以大规模推广使用。如化学镀是在无外电源情况下，金属离子在还原剂作用下通过氧化还原反应在具有催化表面的基体材料上还原成金属，并在材料表面形成金属沉积层。[2]虽然经化学镀处理制备的材料具有优异的抗静电性能，但其缺点也不容忽视，如化学镀产生的废水后处理麻烦，若处理不当将对环境造成重大危害，且通常镀层金属较为昂贵，带来材料成本的急剧上升等问题，因此化学镀应用范围较为受限。接枝改性是一种有效的抗静电方法，通过接枝改性使高分子材料带有较多极性基团或离子基团，能有效降低表面电阻率，具有用量少、耐洗涤、长久保持抗静电效果和不会影响制品其它性能的优点。[3]但接枝改性目前研究也存在一些缺点，主要遇到的瓶颈是不适合产业化生产，无法大规模生产应用，且可能对原材料的其它性能造成负面影响。

物理法抗静电根据使用方式可分为外涂型和内混型两大类。外涂型抗静电是将抗静电添加剂采用喷涂、浸渍等方式，将抗静电添加剂覆盖在聚合物表面。内混型抗静电是在加工过程中将抗静电添加剂加入到聚合物材料基体中，如将基体聚合物材料与抗静电剂共混挤出。外涂型因抗静电性能持续时间短、不耐洗涤而研究较少，在近年研究中，研究类型以内混型为主。物理法抗静电操作简便，适用范围广，易商品化生产，现已成为高分子材料抗静电技术发展的主流。小分子抗静电剂主要是表面活性剂和离子液体。表面活性剂是一类两亲性的分子，分子内同时存在亲水和亲油基团，亲水基团提供抗静电能力，亲油基团提高抗静电剂与高分子材料相容性，[4]方便其在高分子材料中的分散；其中离子液体是一类100℃下呈液态的有机盐，由有机阳离子和有机阴离子或无机阴离子组成，因为其高离子电导率使其在抗静电领域具有巨大应用潜力。[5]传统小分子抗静电添加剂易受环境湿度影响，而在绝缘聚合物基体中掺入导电填料改善其导电性的同时，又可以使其性能不受环境因素的影响，常见的导电填料包括碳系、金属系、金属氧化物和导电聚合物等。导电填料虽具备较多优点，但其高昂的价格和对制品颜色的影响使得其应用受到限制。

高分子永久性抗静电剂即亲水聚合物，将其添加到高分子材料内，抗静电性能可永久保持，对环境湿度依赖小。主要包含聚醚型、磺酸型衍生物，丙烯酸型衍生物、聚季铵盐型和其复合物等。[6]这些聚合物分子中含有大量亲水基团，与表面活性剂相比其抗静电效果能长久保持且不易迁移，其抗静电机理不完全依靠吸水性，关键是提升其和基体树脂的相容性以及在基体中的分散性。高分子型抗静电剂作用机理被概括为：亲水性聚合物在加工过程中形成“蕊壳”结构（表面呈筋状分布，内部呈球形），积累的静电荷可通过此结构释放，有效减少静电产生；亲水性聚合物在基体材料中的分布对抗静电性能影响很大，让抗静电剂在基体材料中形成导电通路，将极大的提升材料的抗静电性能，且一般价格较为低廉，对高分子材料力学性能损失较小。[7]

参考文献：

1. 刘阳冬. 抗静电剂的设计合成及其对聚丙烯性能的影响研究[D]. 兰州理工大学硕士学位论文. 2023.

2. 胡雪玉, 安琳, 杨银英. 纺织品表面化学镀综述[J]. 国际纺织导报, 2010, 62-64.

3. 王丽丽. 塑料抗静电技术的发展及应用[J]. 塑料科技, 2004, 44-47.

4. Rezaei S, Pakdehi S G, Fathollahi M. Conductivity enhancement and chargeability reduction of tetralin via some nonionic surfactants[J]. Journal of Electrostatics. 2022, 115: 103677.

5. Tsurumaki A, Tajima S, Iwata T, et al. Evaluation of ionic liquids as novel antistatic agents for polymethacrylates[J]. Electrochimica Acta. 2017, 248: 556-561.

6. Seki Y, Taa A. A. Implementation of imidazolium and ammonium based ionic liquids and the effect on electrical conductivity of poly propylene fabrics[J]. Polymer-Plastics Technology and Materials. 2019. 59: 1-11.

7. 张福强, 王立新. 永久性抗静电剂[J]. 塑料科技, 1996. 5-9.