هنگامی که دو جامد با حالتهای فیزیکی متفاوت با یکدیگر تماس پیدا میکنند و به یکدیگر ساییده میشوند، سطوح مربوطه آنها تحت توزیع مجدد بار قرار میگیرد. پس از جداسازی مجدد، هر سطح جامد دارای بار مثبت (یا منفی) اضافی نسبت به قبل از تماس است که به آن الکتریسیته ساکن می گویند. برای مشخص کردن رسانایی یک ماده، از مفهوم مقاومت استفاده می شود. مقاومت حجمی نسبت گرادیان پتانسیل موازی با جهت جریان روی سطح ماده به جریان در واحد عرض روی سطح است. به طور کلی، پلیمرها مواد عایق بالا با مقاومت الکتریکی بالا هستند، بنابراین پس از شارژ شدن، حذف آنها دشوار است. در زندگی روزمره، هنگام راه رفتن روی یک کف پلاستیکی، اصطکاک بین کف کفش و کف می تواند بدن انسان را شارژ کند. در موارد شدید، اگر دست با دستگیره در یا شیء تماس پیدا کند، ممکن است ترشحاتی نیز ایجاد کند که باعث احساس سوزن سوزن شدن می شود. یک تصادف برق گرفتگی در حین جراحی پزشکی رخ می دهد. در صنعت الکترونیک، برقرسانی انسان میتواند به راحتی مدارها را بشکند و به مدارهای مجتمع آسیب برساند. صنعت نساجی باعث تجمع الیاف و غیره می شود.
دو روش برای حذف الکتریسیته ساکن در پلیمرها وجود دارد
(1) پرکننده های رسانا مانند فلز، فیبر کربن و کربن را اضافه کنید. این روش به مقدار زیادی فیلر نیاز دارد. کاهش ناگهانی رسانایی پرکننده باید به درصد معینی برسد تا به اثر ضد الکتریسیته ساکن برسد. رنگ و کیفیت محصولات با مقدار زیادی افزودنی بسیار محدود خواهد بود. به عنوان مثال، رسانایی PP پر شده از کربن سیاه تنها زمانی که درصد به 15 درصد می رسد به طور قابل توجهی تغییر می کند. در این زمان رنگ مواد دیگر نمی تواند پاسخگوی نیاز متریال های متعدد و زیبا باشد. پرکننده های فلزی باعث افزایش کیفیت مواد می شوند. پرکننده های الیاف فلزی کیفیت پایینی دارند، اما در حین پردازش مستعد شکستن و اکسیده شدن هستند که باعث گران تر شدن آنها می شود.
(2) افزودن عوامل ضد الکتریسیته ساکن برای فعال کردن سطح و بهبود رسانایی سطح: 1. مواد ضد الکتریسیته ساکن با پوشش سطحی دوام کمی دارند و به راحتی به دلیل اصطکاک و شستشو از بین می روند و فقط اثرات ضد الکتریسیته ساکن موقت یا کوتاه مدت را ارائه می دهند. 2. عوامل ضد الکتریسیته ساکن دارای دوام بالایی هستند، اما نیازمند الزامات بالایی برای عوامل ضد الکتریسیته ساکن هستند.
عامل آنتی استاتیک
تولید الکتریسیته ساکن بر روی سطوح پلاستیکی می تواند مشکلات مختلفی از جمله ایجاد مانع در تولید، جرقه های انفجاری و آسیب به مدارهای مجتمع دستگاه های الکترونیکی ایجاد کند. روش کلی برای حذف الکتریسیته ساکن استفاده از سورفکتانت ها مانند عوامل آنتی استاتیک برای کاهش مقاومت سطحی پلیمرها است. به دلیل رطوبت سنجی چنین افزودنی ها، آنها رطوبت را از اتمسفر روی سطح پلیمر جذب می کنند و یک فیلم رسانای نازک تشکیل می دهند که به سرعت الکتریسیته ساکن را از بین می برد. آب نقش مهمی در این فرآیند دارد. با افزایش رطوبت اتمسفر، رسانایی سطحی پلیمر نیز بهبود می یابد و باعث از بین رفتن سریع بار استاتیک و تولید عملکرد ضد الکتریسیته ساکن می شود.
با توجه به کاربردهای مختلف، دو نوع آنتی استاتیک فعال سطحی وجود دارد که عبارتند از خارجی و داخلی. عوامل آنتی استاتیک خارجی یا موضعی از طریق پاشش، پاک کردن یا آغشته کردن به سطح پلیمرها اعمال می شوند. اگرچه این ماده ضد الکتریسیته ساکن خارجی برای پلیمرهای مختلف مناسب است، اما اثربخشی آن موقتی است و پس از تماس با حلال ها یا اصطکاک با مواد دیگر، به راحتی از بین می رود. عوامل داخلی ضد الکتریسیته ساکن در طول پردازش پلیمر اضافه می شوند. این نوع ماده ضد الکتریسیته ساکن سطحی می تواند عملکرد ضد الکتریسیته ساکن را که در اثر جابجایی فرسایش یافته است، تکمیل کند. اثر این ماده ضد الکتریسیته ساکن داخلی به یخ پاشی بستگی دارد. منظور از یخ پاشی در اینجا به فرآیندی اشاره دارد که در آن ماده ضد الکتریسیته ساکن داخلی اضافه شده به رزین تا حدی به سطح پلیمر مهاجرت می کند. بنابراین، عوامل داخلی ضد الکتریسیته ساکن اثر محافظتی طولانی مدت ضد الکتریسیته ساکن دارند.
عوامل آنتی استاتیک فعال سطحی را می توان به انواع کاتیونی، آنیونی و غیر یونی تقسیم کرد.
عوامل آنتی استاتیک کاتیونی معمولاً آلکیل چهارتایی آمونیوم، فسفر یا نمک های سرب با زنجیره بلند با کلریدها به عنوان یون های تعادلی هستند. آنها در ماتریس های قطبی مانند پلی وینیل کلرید سفت و پلیمرهای مبتنی بر استایرن به خوبی کار می کنند، اما تاثیر منفی بر پایداری حرارتی آنها دارند. این نوع ماده ضد الکتریسیته ساکن معمولاً مجاز به استفاده در اقلام در تماس با غذا نیست. و اثر ضد الکتریسیته ساکن تنها 1/5 تا 1/10 اثر عوامل ضد الکتریسیته ساکن داخلی مانند آمین های اتوکسیله است.
عوامل آنتی استاتیک آنیونی معمولاً نمک های فلز قلیایی آلکیل سولفونیک اسید، اسید فسفریک یا دی تیوکاربامات هستند و عمدتاً در رزین های پلی وینیل کلرید و استایرن استفاده می شوند. اثر کاربرد آنها در رزین های پلی الفین مشابه عوامل آنتی استاتیک کاتیونی است. آلکیل سولفونات سدیم به طور گسترده در رزین های مبتنی بر استایرن، پلی وینیل کلرید، پلی اتیلن ترفتالات و پلی کربنات به عنوان یک عامل آنتی استاتیک آنیونی استفاده شده است.
عوامل ضد الکتریسیته ساکن غیر یونی مانند آلکیلامین های آلیفاتیک اتوکسیله بزرگترین دسته از عوامل ضد الکتریسیته ساکن هستند. آنها به طور گسترده در پلی اتیلن، پلی پروپیلن، ABS و سایر پلیمرهای مبتنی بر استایرن استفاده می شوند. در حال حاضر چندین آلکیل آمین اتوکسیله تولید و فروخته می شود که تفاوت آنها در طول زنجیره آلکیل و درجه اشباع نشدن است. اتوکسی آلکیل آمین یک عامل آنتی استاتیک بسیار موثر است، حتی در شرایط رطوبت نسبی کم، و برای مدت طولانی موثر است. این نوع ماده ضد الکتریسیته ساکن توسط سازمان غذا و داروی فدرال برای استفاده در اقلامی که در تماس غیرمستقیم با غذا هستند تایید شده است. سایر عوامل آنتی استاتیک غیر یونی با ارزش تجاری شامل آلکیل آمین اتوکسیله مانند لورویل آمین اتوکسیله و مونو استئارات گلیسرول (GMS) می باشد. اتوکسی لوریل آمین برای پلی اتیلن و پلی پروپیلن مورد استفاده در محیط های کم رطوبت مناسب است و به عملکردهای ضد الکتریسیته ساکن سریع و طولانی مدت نیاز دارد. عوامل ضد الکتریسیته ساکن GMS فقط برای حفاظت الکترواستاتیک در طول پردازش در نظر گرفته می شوند. اگرچه GMS به سرعت به سطح پلیمرها مهاجرت می کند، اما نمی تواند اثرات ضد الکتریسیته ساکن طولانی مدت مانند آلکیل آمین اتوکسیله یا آلکیلامین اتوکسیله داشته باشد.
گروه ها و پلیمرهای آلکیل اتوکسیله شده تا 75 درصد مایع یا نقطه ذوب پایین را می توان برای تشکیل مستربچ غلیظ مخلوط کرد. این مستربچ ها محصولات کروی با جریان آزاد هستند که حمل و نقل آسانی دارند، در حالی که به راحتی در حین اختلاط پراکنده می شوند. مزایای مستربچ آلکیلامین اتوکسیله را می توان به شرح زیر خلاصه کرد:
(1) پراکندگی خوب، با افزودن مواد فعال از پیش پراکنده.
(2) یک محصول کوچک به شکل توپ با قابلیت حمل و نقل خوب و جریان آزاد، اندازه گیری و مخلوط کردن آسان.
(3) عملکرد پردازش خوب، با لغزش کمتر پیچ در اکسترودر.
انتخاب و دوز عوامل ضد الکتریسیته ساکن به خواص پلیمر، روش های فرآوری، شرایط فرآوری، انواع و مقادیر سایر افزودنی ها، رطوبت نسبی و استفاده نهایی پلیمر بستگی دارد. زمان لازم برای به دست آوردن اثر ضد الکتریسیته ساکن متفاوت است و سرعت و مدت حفاظت ضد الکتریسیته ساکن را می توان با افزایش غلظت عامل ضد الکتریسیته ساکن افزایش داد. با این حال، استفاده بیش از حد از عوامل ضد الکتریسیته ساکن ممکن است منجر به لغزنده شدن سطح محصول نهایی شود که می تواند به عملکرد چاپ یا چسبندگی آسیب برساند. پرکنندهها و رنگدانههای معدنی تصفیه نشده میتوانند مولکولهای عامل ضد الکتریسیته ساکن را روی سطوح خود جذب کنند و در نتیجه اثر عوامل ضد الکتریسیته ساکن را کاهش دهند. این پدیده را می توان با افزایش میزان استفاده از ماده ضد الکتریسیته ساکن جبران کرد. با این حال، برای محصولاتی که با غذا در تماس هستند، مقدار مواد ضد الکتریسیته ساکن اضافه شده باید با مقررات سازمان غذا و داروی فدرال مطابقت داشته باشد (به کد مقررات فدرال، 21 (21CFR) مراجعه کنید). (کد مقررات فدرال، عنوان 21 (21CFR)).
هنگام استفاده از پلی اتیلن، انتخاب عامل آنتی استاتیک آلکیلامین اتوکسیله شده باید شکل فیزیکی آنها مانند خمیر، مایع، ذرات کوچک یا جامد را در نظر بگیرد. اگر آمین پیه اتوکسیله به دلیل ماهیت خمیری آن قابل درمان نباشد، می توان از اولامین اتوکسیله مایع استفاده کرد. تحت شرایط پردازش در دمای بالا (بالای 180 درجه)، استارفتالامین اتوکسیله را می توان انتخاب کرد. در صورت نیاز به اثر سریع ضد الکتریسیته ساکن، می توان لوریل آمین اتوکسیله را انتخاب کرد. مواردی که در استفاده از پلی پروپیلن باید در نظر گرفته شود مشابه مواردی است که هنگام استفاده از پلی اتیلن انجام می شود. صرف نظر از نوع رزین مورد استفاده، باید به محدودیت های نظارتی سازمان غذا و داروی فدرال برای مصارف مختلف توجه کرد. هنگام استفاده برای پلیمرهای مبتنی بر استایرن، توصیه می شود آمین نارگیل اتوکسیله یا یکی از مستربچ های مناسب آن را انتخاب کنید.
مخلوط کردن و پردازش
به طور کلی، عوامل ضد الکتریسیته ساکن با رنگدانه ها و سایر مواد افزودنی در یک میکسر یا اکسترودر مخلوط می شوند. از نظر فنی، عوامل آنتی استاتیک خالص، مانند آلکیل آمین اتوکسیله، مزیت دیگری نیز دارند و آن این است که می توانند در طی قالب گیری تزریقی مایع ذوب شوند و در نتیجه به عنوان پراکنده کننده برای مستربچ رنگدانه عمل کنند. مستربچ عامل آنتی استاتیک را می توان مستقیماً به تجهیزات پردازش نهایی اضافه کرد. اثر عوامل داخلی ضد الکتریسیته ساکن ارتباط تنگاتنگی با شرایط تولید و فرآوری محصول نهایی دارد. به عنوان مثال، عملکرد ضد الکتریسیته ساکن محصولات قالب گیری تزریقی به دمای قالب بستگی دارد. معمولاً هنگامی که دمای قالب پایین است، عامل ضد الکتریسیته ساکن به سرعت مهاجرت می کند و در نتیجه عملکرد ضد الکتریسیته ساکن را بهبود می بخشد.
دو روش آزمایش برای ارزیابی اثربخشی عوامل ضد الکتریسیته ساکن وجود دارد: روش مقاومت سطحی (نرخ) و روش فروپاشی الکترواستاتیک. هر دو روش به طور گسترده استفاده می شود.
طبق تعریف ASTMD{0}}، مقاومت سطحی یک ماده، نسبت گرادیان پتانسیل به جریان عبوری از عرض واحد سطح ماده است که به طور کلی به شکل هندسی نمونه مربوط می شود. دو الکترود را در یک طرف سطح نمونه پلاستیکی قرار دهید و جریان مستقیم را به الکترودها اعمال کنید. جریان عبوری از نمونه را اندازه گیری کنید و مقاومت را محاسبه کنید. سپس نتایج اندازه گیری مقاومت سطح را بر حسب اهم نشان دهید.
طبق تعریف روش تست فدرال 4046، واپاشی الکترواستاتیک به نرخ تخلیه بارهای القایی اشاره دارد. نمونه را (معمولاً یک صفحه یا فیلم نازک) بین دو الکترود، با فاصله چند میلی متری بین الکترودها و سطح نمونه قرار دهید. یک الکترود به منبع تغذیه و الکترود دیگر به آمپرمتر و ضبط کننده متصل است. تغییر میدان الکتریکی ناشی از بار القا شده توسط یک الکترود روی سطح نمونه توسط الکترود دیگر اندازه گیری می شود. نمونه های آنتی استاتیک پوسیدگی بارهای القایی را نشان می دهند. نیمه عمر فروپاشی (بر حسب ثانیه) مدت زمانی است که طول می کشد تا یک شارژ به نصف مقدار اولیه خود کاهش یابد.
یکی دیگر از روش های تست استاندارد پرکاربرد در صنعت، استاندارد آمریکایی است که برای بسته بندی محصولات الکترونیکی استفاده می شود. انتخاب روش مناسب به استفاده نهایی از پلاستیکی که نیاز به آزمایش دارد بستگی دارد.
مقاومت الکتریکی خود پلاستیک 1014 اهم است. هنگام افزودن عوامل ضد الکتریسیته ساکن با توجه به مقدار نشان داده شده در جدول A، مقاومت الکتریکی ممکن است به 1013 تا 109 اهم کاهش یابد. اگر بخواهیم مقاومت را بیشتر کاهش دهیم، تنها می توانیم به بهبود رسانایی، مانند استفاده از کربن سیاه رسانا، تکیه کنیم.
فناوری بسته بندی ضد استاتیک برای تأکید بر نگرانی های زیست محیطی در حال توسعه است. آلکیل آمین اتوکسیله که به طور گسترده استفاده می شود، اکنون در ظروف فله قابل استفاده مجدد بسته بندی می شود. تامین کنندگان تمایل به تولید عوامل ضد الکتریسیته ساکن با غلظت بالاتر دارند که می توانند پس از تحویل به کاربران بر اساس نیازهای پردازش رقیق شوند. هدف از انجام این کار کاهش هزینه های تصفیه زباله جامد است. با توسعه عوامل ضد الکتریسیته ساکن با غلظت بالا، تولیدکنندگان می توانند مواد ضد الکتریسیته ساکن بیشتری را به یکباره ارسال کنند و تعداد ظروف بسته بندی را که نیاز به جابجایی توسط کاربران دارند، کاهش دهند.
از نظر فنی، تحقیقات و توسعه زیادی هنوز حول محور بازار بسته بندی محصولات الکترونیکی می چرخد. لوریل آمید اتوکسیله، که معمولا به عنوان یک عامل آنتی استاتیک بدون آمین دیده می شود، معمولا در این زمینه استفاده می شود. مقدار لوریل آمین اتوکسیله مورد استفاده در قالب گیری بادی فیلم های LDPE و LLDPE نیز در حال افزایش است، زیرا اثر ضد الکتریسیته ساکن آن نیز در شرایط رطوبت کم بهتر است. کنسانتره و مستربچ این محصول نیز قابل خرید می باشد. استاروفتالامین اتوکسیله (حاوی 18 زنجیره آلکیل کربنی کاملا اشباع شده) در تولید فیلم های پلی پروپیلن جهت دار دو محوره استفاده شده است. در این فرآیند تولید، دماهای بالای پردازش نیاز به عوامل ضد الکتریسیته ساکن دارند تا پایداری حرارتی بالایی داشته باشند.