让灰尘无处藏身的抗静电处理工艺

抗静电剂可防止产生静电，从而避免灰尘被吸附于塑料制品。这不仅可以确保外表美观，还关系到安全。然而，许多抗静电系统的效果并不理想。因此，母粒生产商Grafe开发出一种抗静电处理工艺，有助于显著降低表面电阻率，并可与色母粒和各种填料一起使用。

在Grafe的实验工厂开发出了无尘塑料零部件的抗静电系统 ©Grafe

对许多行业来说，塑料的静电放电和由此产生的灰尘沉积是一个相当严重的问题。“这种表面缺陷会妨碍包装行业的客户做出购买决定。另一方面，对于服装或玩具而言，制造商应尽可能减少表面的灰尘吸附，以防止过敏性粉尘对健康造成危害。因此，对塑料制品进行有效的防静电处理变得日益重要。”Grafe的销售经理Lars Tonnecker解释道（图1）。汽车制造商也认为，消费者不希望看到高档汽车内饰塑料件积灰。

Grafe销售经理

Lars Tonnecker认为：“即使低于感知阈值的放电也会导致敏感元件失效。抗静电剂有助于保护这些元件。”

© Grafe

这一议题也关乎人类安全。Tonnecker提到了ATEX操作指令1999/92/EC，其中明确了健康保护和员工安全的最基本要求，而爆炸性环境可能对这些造成危害。“这一议题与人员安全密切相关。静电是一种比较容易触发的火源。因此，在易燃气体、蒸汽或粉尘与空气混合物构成的爆炸性环境中存在着火风险。”Tonnecker解释说。

对电子设备的损害

此外，静电放电（ESD）效应还会损坏电子设备。“即使是低于感知阈值的放电也会导致敏感元件失效。”Tonnecker指出。静电电荷还会对仪器和设备控制技术产生不利影响，因为仪器的功能可能因此受损。

为了解决这个问题，业界采用了各种抗静电解决方案。“原则上，我们要将内部与外涂抗静电剂，以及体内与表面活性物质区分开来，”Grafe添加剂专家Petra Henkel解释说。但这都存在不同的缺点。Grafe因此开发了一种面向塑料应用的高性能抗静电系统（HPAS）。所谓的HPAS主要应用于工业领域的软管和非织造布、汽车内饰件、电子元件的包装等，这些领域尤其能够发挥其优势。

与传统抗静电系统相比，其表面电阻率更低

HPAS是一种纯内部抗静电剂，通过在载体聚合物中挤出和稀释产生，载体聚合物通常为聚丙烯（PP），但也会使用乙烯-醋酸乙烯酯（EVA）。“根据母料用量，我们可以很容易在短时间内实现10 x 10⁶至10 x 10⁹Ω的表面电阻率，静电耗散，通常紧随零部件生产之后，并且不受到工厂环境条件的影响。” Henkel表示。

正如他所说，这种效应完全是基于表面活性物质的迁移，在表面形成一层水膜。但在许多情况下其厚度高于标准材料，且具有更多的载流子。Henkel继续道：“因此，通过多年努力，我们取得了持久的效果。此外，色母粒可以与白垩或滑石粉等填料结合。由于低添加量的效果非常好，因此可以显著提升性能和成本效益。”

许多抗静电剂性能不佳

传统的内部抗静电剂通常以母料的形式用于各类聚烯烃薄膜，例如纵向拉伸PP（OPP）、双向拉伸PP（BOPP）吹塑和流延薄膜的制造，同时还经常用于注射成型和挤出，如短纤维和非织造布的生产过程。作为抗静电活性物质，单硬脂酸甘油酯（GMS）和乙氧基化烷基胺以2:1的比例作为协同混合物，通常在PE中挤出，随后按2-3%重量比添加于最终产品中。此时，GMS用作快速抗静电剂，乙氧基化烷基胺用作长效抗静电剂。这种组合的优势在于其性价比高。

但许多用户已多年甚至数十年习以为常的低价，并不能让我们忽视添加量与性能之间存在差异的事实。通常添加量需要高于建议或预期。在许多情况下，抗静电效果持续的时间短于预期；而表面电阻率高于假设值，电导率低于预期值，通常不超过10 x 10¹⁰Ω。根据不同生产工艺，还存在其它不足。这种不利影响可能发生在添加填料（如玻璃纤维）的注射成型过程中，或在向挤出零部件过渡期间，或热成型后，以及在大气湿度较高的环境条件下。

效果差的原因

这种负面影响主要是基础塑料与相应抗静电混合物之间的相互作用、相容性和亲和力的结果。这通常因加工商的环境所致，如旨在快速优化最终产品的特殊生产工艺，或者由内部错误引起，以实验室或质保中的测试和测量设备不符合应满足的要求为例。比如，通常在最终零部件产出后立即测量表面电阻率，而不是等待一定的静止时间，让塑料缓慢冷却，使聚合物在静止状态下从熔体中结晶。

传统抗静电母粒系统效果不佳的其它原因还包括最终产品的复杂结构，如具有部分矛盾或自放大表面效应的多层膜中。这些是填料、颜料、玻璃纤维和其它表面活性物质（如防雾剂、分散剂和润滑剂）共同作用的结果。

HPAS与标准抗静电母粒的比较

为了比较标准抗静电母料与HPAS，Grafe在用这些添加剂改性的薄PP流延膜上进行了试验（图2）。根据母料用量，HPAS的值低于10 x 10¹⁰Ω。这是相对于其它现有系统的重大改进。在1%到5%的重量比下，可实现最佳的成本（母料用量）和性能（表面电阻率）比。

PP流延膜的表面电阻率取决于母料用量：HPAS的值明显优于参照体系（来源：Grafe；图片：©Hanser）

这项开发以GMS和乙氧基化烷基胺等增效剂的组合为基础。但有必要注意所用化学品的纯度（采购来源）和粒度。此外，必须精确监控和优化母料与最终产品性能之间的比率，以获得最佳结果。由于此处使用的物质具有强烈的吸湿性，因此在生产条件下搬运就显得尤为关键。所以，在加工前，务必避免吸湿。适中的挤出条件也有助于获得理想的成品。

添加量小，效果好

在研究中，对不同HPAS添加量下30μm厚PP流延膜表面电阻率的变化进行了几天的跟踪（图3）。将薄膜储存在23 °C、50%的大气湿度下，以使条件尽可能满足DIN-EN试验要求。在仅为1%的最小推荐添加量下，薄膜生产的第一天就达到了显著效果。

两个相同寿命的PP薄膜（30μm）上的静电消散：仅为1%的HPAS下，在薄膜生产的第一天就可以确定助剂的影响显著（来源：Grafe；图片：©Hanser）

HPAS母料通常按2%至3%的比例添加。一般情况下，表面电阻率达10 x 10⁷至10 x 10⁸Ω。进一步添加母料可产生高达10 x 10⁶Ω的值。然而，薄膜表面添加剂高度饱和会导致浑浊、更低的半透明度、更差的触感（产生油腻感）。

色母粒的组合不会降低抗静电效果

HPAS也可与色母粒结合使用。对先前使用3%HPAS和5%色母粒制造的三个相同寿命的PP注塑件的电阻率研究（图4）表明，与同类产品不同，添加颜料后抗静电效果不会降低。

HPAS与色母粒在PP注塑样品上的组合：添加颜料后，抗静电效果不会降低（来源：Grafe；图：©Hanser）

在色母粒中，通常使用各种填料，如白垩、滑石、硫酸钡、二氧化钛和炭黑。无法确定使用这些物质的组合是否存在任何缺点。然而，亮度（L轴）存在颜色偏差。这是由于表面的导电湿膜增加了光泽度。另一方面，其它颜色轴（a和b）几乎保持不变。

值得使用的行业

高性能抗静电系统主要面向工业应用，不适用于食品包装、医药产品以及工程塑料。因为事实证明，这些应用中相对较高的加工温度以及这些聚合物对含水率的敏感，会导致问题的产生。由于制造此类产品通常涉及二次加工，如拉伸、热成型或共挤，因此迁移性母料不适用于这些工艺。相反，喷涂、喷漆、涂层和多层结构则被考虑在内。

如果使用HPAS，需要在原材料准备、加工和生产方面做更多工作。因此，加工商必须注意一些特殊的特性才能获得良好的结果。例如，必须避免母料吸湿。故不能预干燥，必须在密封条件下包装和储存。HPAS的影响也不是永久性的。此外，改性后的表面会影响印刷和喷涂。直接或持续接触洗涤液也会降低抗静电效果。

但作为回报，抗静电系统带来了诸多优势。仅1%至3%的母粒添加量即可显示出显著的效果，并在零部件生产完成后立竿见影。此外，在添加色母粒和填料后也会展现出所期望的效果，且不会导致抗静电效果的降低。HPAS还可用于薄壁和厚壁物品，有效时间长达至少一年。

本文翻译自KUNSTSTOFFE INTERNATIONAL杂志

作者: Juan Carlos Caro博士