抗静电剂用于在加工的各个阶段管理静电，或根据最终用途提供长期静电保护。但是，在市场上的各种添加剂中为您的产品寻找合适的添加剂可能是一项艰巨的任务！
全面回顾与抗静电剂及其化学性质相关的重要方面，以及影响抗静电剂选择的因素，包括它们与聚烯烃、聚酯、聚酰胺、氟聚合物等各种聚合物的兼容性。
聚合物中抗静电剂的需求
塑料是一种绝缘材料，根据零件的表面电阻率，会产生静电和放电。塑料，如PP和PVC，倾向于收集电子并带负电。抗静电剂是控制静电积聚的材料，尤其是在聚合物表面。
这个表面电荷积累使材料容易放电、灰尘粘附和静电粘附。
静电的耗散依赖于为不需要的电子离开表面创造条件。大多数抗静电剂都利用装药结构消散材料累积电荷。其他反静电仅依赖电子孤对电子和/或吸湿性。
一般来说，耗散或ESD聚合物具有：
- 10范围内的表面电阻率5或106最多10个12欧姆。
- 静电放电半衰期通常低于60秒。
根据目标应用，当心电阻率过低会导致导电聚合物和固有风险。问题的严重程度千差万别，从轻微到严重，甚至可怕：
- 灰尘和其他污染物的吸引力与营销、使用和处理问题
- 触摸塑料部件时静电积聚或放电：合成地毯、旋钮、汽车把手
- 油漆和印刷缺陷
- 易燃易爆环境、有机粉末发生火灾或爆炸
- 电视、收音机、电子干扰
临时或长期保护的防静电策略
静电积聚和放电普遍存在于：
- 薄膜等塑料的连续加工
- 电子制造、搬运和维修
- 电子应用
- 含尘有机材料的包装
- 航空：闪电和干扰
- 汽车：燃油管路静电放电导致火灾
- 易燃易爆环境：医疗保健、手术室、油漆店
- 用于房间清洁
因此，静电的耗散依赖于为不需要的电子离开表面创造条件。大多数防静电装置利用电荷结构来消散材料积累的电荷。其他防静电剂仅依赖电子孤对和/或吸湿性。
抗静电剂可以是液体、半固体或固体。这些材料通常为：
应用的防静电剂通常用于在加工的各个阶段管理静电。它们被认为是暂时使用物种。
如果“终身”静电保护是最终用途的标准，则需要将其纳入材料矩阵。例如，抗静电地毯纤维和某些容易产生静电的复合材料。
此外，水（湿度）在协助机制中的静电消散电荷（即通过导电性）方面起着关键作用。
在理解了聚合物中反静电的重要性之后，让我们来探索用于有效电荷耗散的主要化学物质是什么…
抗静电剂化学
反状态分为两个子集：无机的和 有机的没有任何通用策略来最小化静态积聚，但使用了多种方法，有时是组合使用的。因此，首选抗静电剂的选择取决于需要和使用。
聚合物中的抗静电方法
无机抗静电剂
无机盐和一些基本有机元素可以并入聚合物基质中，以抑制长期使用的静态积累。示例包括：
- 地毯纤维中用于生产抗静电地板的碳
- 用于洁净室和航空航天应用的许多无纺布擦拭应用中的碳
聚合物基质中加入的各种盐可以提供一些抗静电性能。然而，锁定在基质中，离子性质不易获得（离子分离），从而有助于电荷的耗散。
有机抗静电剂
有机防静电剂包括用于帮助聚合物表面多余电荷导电的大多数材料。虽然一些可以并入固体基质中，但大多数用于外部控制加工和最终用途期间的静电。有机系统的一般子集类别为：- 磷酸盐，通常是相应游离酸的钾盐或钠盐；
- 季胺类；
- 非离子吸湿材料，即环氧乙烷和/或环氧丙烷的表面活性剂。
对于主要的抗静电剂，磷酸盐和季胺类是带有正负电荷离子的有机分子。物种的尺寸越小，分子周围观察到的电子密度就越大，从而增强耗散能力。可以使用硫酸盐或磺化化学品，尽管它们不是特别有效。例如，用作表面活性剂的磺基琥珀酸二辛酯钾盐显示出弱抗静电特性。非离子表面活性剂因其吸湿性和氧上的孤对电子而起作用。疏水侧与材料表面相互作用，而亲水侧与空气水分相互作用并结合水分子。同样，与磷酸盐或季胺类相比，抗静电效果很小。让我们详细了解一些有机抗静电剂…磷酸酯盐
这些材料通常是由有机醇（ROH）与P反应生成的2O（运行）5或POCl三在这两种情况下，均形成单酯和双酯（见图1）。在正常使用中，这些游离酸酯被转化为相应的盐，最好是钾（K+).P2O（运行）5这一途径通常会导致单胎/双胎比率为55:45，妊娠期较少。POCl公司三该路线往往会产生约50%的三酯，这是一种抗静电性能很低或没有抗静电性能的成分。下表概述了其他方面。| 磷酸盐（RO）2P（O）O-） |
| 优点 | 欺骗 |
- 非常有效
- 可提供多种磷酸酯
- 首选钾盐
- 原位酸盐制备很常见
- 低分子量磷酸盐比高分子量类似物更有效
P制磷酸酯2O（运行）5优先于POCl三
| - 效率随着MW的增加而降低
- 固体磷酸盐很难配制
- 未中和的酯类抗静电效果较差
- 许多盐类不符合EPA和Reach标准
- 低分子量抗静电剂更有可能被聚合物特别是尼龙和氨纶吸收
- 三氯氧磷三制备的酯留下腐蚀性卤素离子残留物
|
季胺类
这种抗静电类别是由适当的胺与卤代烷或二烷基硫酸盐反应形成的。这会产生五价带正电荷的氮与相应的阴离子耦合。下表概述了季胺的用途和限制条件。| 季胺类 |
| 优点 | 欺骗 |
- 可用系统范围
- 易配制成润滑系统
- 化妆品行业常用
- 与磷酸盐相比，沉积问题更低
- 即使在低相对湿度条件下，也具有中等的防静电能力
| |
非离子表面活性剂
非离子表面活性剂类涵盖了非常广泛的化学品。这些可以包括简单的醇到复杂的生物基多元醇结构。在本节中，重点将放在与聚合物应用相关的常见问题上，乙醇或酸乙氧基化或乙氧基/丙氧基化系统。这些系统往往是吸湿的在自然界中，氧原子上有孤立的电子对，有助于从聚合物表面传导静电。下表概述了静态控制的功能。| 非电子设备 |
| 优点 | 欺骗 |
- 大量产品可用
- 非破坏性抗静电效果
- 具有良好的吸湿性，可增强防静电效果
- 与磷酸盐或季铵盐抗静电剂配方的相容性辅助
| - 与磷酸盐或季胺相比，抗静电电位低
- 配方中使用了较大的%
|
导电填料和添加剂
这些解决方案产生了体积导电塑料，它可以充当导体，接收来自其他静电材料的电子，具有静电放电的已知风险。所有适当填充的塑料，如下所列，可用于ESD、EMI或RFI屏蔽。- PE、PS、PP等商品塑料
- 工程塑料，如ABS、PA 6/6、PA 6、PC、POM、PBT、PPO、PPS
- PEI、PEEK等特种塑料
- PC/PMMA、PC/ABS等合金
对于静电放电聚合物，很难将电阻率控制在填料的渗流阈值以上。电阻率可以很低，使聚合物具有导电性。让我们了解一下塑料中使用的一些关键导电添加剂。碳黑
有市场上的各种炭黑能够提供防静电或导电性能。影响炭黑导电性能的主要性质是比表面积、结构和表面化学。市场上大多数导电炭黑具有较高的表面积和结构，并且可以含有大量微孔。最终材料的电阻率取决于：- 炭黑的表面积及其表面的离子水平
- 炭黑的含量
- 聚合物或最终聚合物合金的等级
- 混合方法
炭黑改变了聚合物的其他性能，尤其是其颜色。
导电纤维
在工业上，碳纤维、钢纤维以及高度填充导电炭黑的导电纤维素纤维被用于制造塑料和复合材料的导电性。最终材料的电阻率取决于：有具体的导电填料或纤维等级特别用作导电塑料和橡胶的添加剂。对最终材料的其他性能、颜色、模量、冲击强度等进行了修改。石墨
最终材料的电阻率取决于：- 石墨的类型：一些等级是专门为其导电性而开发的
- 纵横比
- 石墨水平
- 聚合物的等级
- 混合方法
此外，石墨具有润滑性能。某些生产商声称，电阻率可以与导电炭黑的电阻率相同，根据使用的等级，电阻率可以更低或更高。
金属粉末或薄片
铝、铜、镍、银粉或银片用于增加导电性。最终材料的电阻率取决于：有特定等级的导电塑料和橡胶添加剂。聚合物影响金属选择。硫硫化尤其会导致铜和银等金属受到硫侵蚀时出现一些问题。其他性能，如颜色、模量、冲击强度等也进行了修改。下表显示了一些有关EMI屏蔽铝粉的示例。
| 属性名称 | 单位 | EMI屏蔽ABS | 整洁的ABS | EMI屏蔽PA66 | 整洁的PA66 | EMI屏蔽PPO | 颇 |
| 铝液位 | % | 40 | 0 | 40 | 0 | 40 | 0 |
| 比重 | 克/立方厘米 | 1.57 | 1.1 | 1.48 | 1.1 | 1.45 | 1.1 |
| 弹性模量 | 全球生产总值 | 2.5 | 1到3 | 5 | 1至1.35 | 5.2 | 2.5 |
| 拉伸强度 | 兆帕 | 23至29 | 30至65 | 41 | 40至85 | 45 | 45至65 |
| 断裂伸长率 | % | 2至5 | 3至60 | 4 | - | 三 | 2至60 |
| CTE公司 | 10-5/摄氏度 | 4 | 6至10 | 2.2 | 5至14 | 1.1 | 3到8 |
| 1.82 MPa时的HDT | °C（摄氏度） | 95 | 100 | 190 | 85 | 110 | 110 |
与纯聚合物相比，EMI等级的特性与通用等级相比，EMI等级具有较高的模量、HDT和密度。伸长率、热膨胀系数和强度降低。一些由钛和锆制成的牌号专门开发用于聚合物中以获得静电放电，其他抗静电材料用于许多塑料中，如ABS、EVA、聚乙烯、聚丙烯、PVC、PETG、聚酰胺、聚醚砜、丙烯酸酯、聚氨酯。碳纳米管（CNT）
碳纳米管对于大规模生产或特定设备，增长迅速。相对知名的碳纳米管价格昂贵，尽管成本持续下降。碳纳米管（CNT）的非常低的电阻率允许获得CNT含量低于1%的EMI聚合物，远低于传统和导电炭黑的使用水平。
聚合物电阻率与碳负载
固有导电聚合物（ICP）
ICP是大规模生产或特定设备最令人兴奋的机会。它们主要用于透明电子、TCF（透明导电膜）和光伏。
例如，多家公司提出了PEDOT、聚苯胺、离聚电解质（IPE®）等。
ICP可以与各种传统塑料合金化，包括ABS、丙烯酸酯、复合材料、聚酰胺、聚碳酸酯、聚酯、橡胶和TPE。
评估抗静电剂性能
评估抗静电剂性能的常见测试是电阻率测试结果表示为电阻率测井。通常，抗静电性能规定为特定湿度条件下的最大允许对数R。下表给出了反映抗静电效果好。
可以使用各种仪器获得，如Hayek-Chromey Wheel、静电诚实度计或更常见的聚合物、罗斯柴尔德静电电压计。
抗静电剂选择标准
抗静电剂的选择取决于加工条件和聚合物的性质。以下内容可能会对静态耗散性能:湿度（RH%）对抗静电性能的影响
虽然非离子物质受正常植物相对湿度因子的影响较小，但磷酸盐和季胺类往往会根据湿度表现出明显的行为。下图说明了相对湿度对物种分子量静态耗散（通过电阻率对数测量）的影响。
电阻率（Log R）与分子量下面的选择图表提供了对单个类型内和类间耗散性能的深入了解。
| 防静电类型 | 物理状态 | 湿度%（RH） | 聚合物制备温度 | 最终用途工艺温度* | 储存稳定性** |
|
| 高（55-70） | 低（<45） | 内部使用 | 外部使用 | 内部使用 | 外部使用 |
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| 无机盐 |
| 3+ | 3+ | 5 | 不适用 | 5 | 不适用 | 5 |
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| 碳 |
| 5 | 5 | 5 | 不适用 | 4 | 不适用 | 5 |
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| 磷酸盐 | 液体 | 5 | 4 | 1 | 5 | 1 | 5 | 3+ |
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| 半固态 | 5 | 4 | 2 | 5 | 2 | 5 | 5 |
|
| 固体 | 4 | 三 | 三 | 4 | 三 | 3+ | 5 |
|
| 季胺类 | 液体 | 4 | 4 | 0 | 4 | 0 | 3+ | 5 |
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| 半固态 | 4 | 4 | 1 | 4 | 1 | 4 | 5 |
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| 固体 | 3+ | 三 | 2 | 三 | 2 | 2+ | 5 |
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| 非离子 | 液体 | 2 | 2 | -2 | 2 | -1 | 2 | 三 |
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| 半固态 | 2 | 2 | -1 | 2 | -1 | 2 | 4 |
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| 固体 | 1+ | 1+ | 1 | 2 | -1 | 1+ | 5 |
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*大多数各类聚合物的正常工艺温度
**正常仓库；对于短纤维、POY和PU聚合物产品，低分子量磷酸盐特别容易吸收到聚合物结构中，从而失去最佳功能的能力。 |
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基于聚合物类型的抗静电选择
一般类别的聚合物与抗静电剂配合使用效果良好。如果合并可行，则认为无机盐和碳与所有聚合物系统完全兼容。以下指南显示了相对于物理形式和聚合物类型消散静电的能力。（5分为优秀，-5分为差）。
| 聚合物类型 | 磷酸盐** | 季胺类 | 非电子设备 |
| 液体 | 半固态 | 固体 | 液体 | 半固态 | 固体 | 液体 | 半固态 | 固体 |
| 聚烯烃 | 5 | 3+ | 2 | 4 | 三 | 0 | -1 | -1 | -1 |
| 聚酯纤维 | 5 | 5 | 5 | 4 | 4 | 三 | 1 | 1 | -2 |
| 聚酰胺* | 4+ | 5 | 3+ | 4 | 3+ | 2+ | 1 | 1 | -2
|
| 芳纶 | 5 | 5 | 5 | 4 | 4 | 4 | 1 | 1 | 1 |
| 聚氨酯 | -1 | 1 | 三 | -1 | 1 | 三 | 1 | 1 | 1 |
| 聚酮 | 5 | 5 | 5 | 4 | 4 | 三 | 1 | 1 | 0 |
| 氟聚合物 | 5 | 5 | 5 | 4 | 4 | 4 | 2 | 1 | 0 |
| 碳纤维 | 5 | 5 | 5 | 4 | 三 | 三 | 2 | 1 | 0 |
**POY和短纤维尼龙（6&6,6）比FDY对低MW吸收问题更敏感。低于C12的MW酯类只会导致短期静电保护，长时间储存会导致加工不良。
**物理形态-通常为K或Na中和盐
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