Cuando dos sólidos con diferentes estados físicos entran en contacto y se frotan entre sí, sus respectivas superficies experimentan una redistribución de carga. Después de la nueva separación, cada superficie sólida llevará un exceso de carga positiva (o negativa) en comparación con antes del contacto, lo que se llama electricidad estática. Para caracterizar la conductividad de un material, se utiliza el concepto de resistividad. La resistividad volumétrica es la relación entre el gradiente de potencial paralelo a la dirección de la corriente en la superficie del material y la corriente por unidad de ancho en la superficie. Generalmente, los polímeros son materiales de alto aislamiento con alta resistividad eléctrica, por lo que una vez que se cargan, es difícil eliminarlos. En la vida diaria, al caminar sobre un piso de plástico, la fricción entre la suela del zapato y el piso puede hacer que el cuerpo humano se cargue. En casos severos, si la mano entra en contacto con la manija de una puerta o un objeto, también puede producir una descarga, causando una sensación de hormigueo; un accidente por descarga eléctrica ocurre durante una cirugía médica. En la industria electrónica, la electrificación humana puede romper fácilmente los circuitos, causando daños a los circuitos integrados; la industria textil provoca la agregación de fibras, etc.
Existen dos métodos para eliminar la electricidad estática en los polímeros.
(1) Agregue rellenos conductores, como metal, fibra de carbono y carbono. Este método requiere una gran cantidad de relleno. La disminución repentina de la conductividad del relleno debe alcanzar un cierto porcentaje para lograr un efecto antiestático. El color y la calidad de los productos con una gran cantidad de adición se verán muy limitados. Por ejemplo, la conductividad del PP relleno con negro de carbón solo cambia significativamente cuando el porcentaje alcanza el 15%. En este momento, el color del material ya no puede cumplir con los requisitos de múltiples y hermosos materiales. Los rellenos de metal aumentan la calidad de los materiales. Los rellenos de fibra de metal tienen baja calidad pero son propensos a romperse y oxidarse durante el procesamiento, lo que los hace más caros.
(2) Adición de agentes antiestáticos para activar la superficie y mejorar la conductividad de la superficie: 1. Los agentes antiestáticos recubiertos de superficie tienen baja durabilidad y se pierden fácilmente debido a la fricción y el lavado, proporcionando solo efectos antiestáticos temporales o de corto plazo. 2. Los agentes antiestáticos mixtos tienen alta durabilidad, pero requieren altos requisitos para los agentes antiestáticos.
Agente antiestático
La generación de electricidad estática en las superficies de plástico puede provocar diversos problemas, como obstaculizar la producción, chispas que provoquen explosiones y daños en los circuitos integrados de los dispositivos electrónicos. El método general para eliminar la electricidad estática es utilizar surfactantes, como agentes antiestáticos, para reducir la resistencia superficial de los polímeros. Debido a la higroscopicidad de dichos aditivos, absorben la humedad de la atmósfera en la superficie del polímero, formando una fina película conductora que elimina rápidamente la electricidad estática. El agua juega un papel importante en este proceso. Con el aumento de la humedad atmosférica, la conductividad superficial del polímero también mejora, provocando una rápida pérdida de carga estática y produciendo un buen rendimiento antiestático.
Según los diferentes usos, existen dos tipos de agentes antiestáticos tensioactivos, a saber, externos e internos. Los agentes antiestáticos externos o locales se aplican a la superficie de los polímeros mediante pulverización, limpieza o impregnación. Aunque este agente antiestático externo es adecuado para varios polímeros, su eficacia es solo temporal y es fácil perderla después del contacto con disolventes o la fricción con otras sustancias. Los agentes antiestáticos internos se añaden durante el procesamiento del polímero. Este tipo de agente antiestático tensioactivo puede complementar la función antiestática que se ha erosionado debido a la manipulación. El efecto de este agente antiestático interno depende de la pulverización helada. El significado de pulverización helada aquí se refiere al proceso en el que el agente antiestático interno añadido a la resina migra parcialmente a la superficie del polímero. Por tanto, los agentes antiestáticos internos tienen un efecto de protección antiestática a largo plazo.
Los agentes antiestáticos tensioactivos se pueden dividir en tipos catiónicos, aniónicos y no iónicos.
Los agentes antiestáticos catiónicos suelen ser sales de amonio cuaternario de alquilo de cadena larga, fósforo o plomo, con cloruros como iones de equilibrio. Funcionan bien en matrices polares como el cloruro de polivinilo rígido y los polímeros basados en estireno, pero tienen un impacto negativo en su estabilidad térmica. Este tipo de agente antiestático no suele utilizarse en artículos en contacto con alimentos; y el efecto antiestático es solo de 1/5 a 1/10 del de los agentes antiestáticos internos como las aminas etoxiladas.
Los agentes antiestáticos aniónicos son generalmente sales de metales alcalinos de ácido alquilsulfónico, ácido fosfórico o ditiocarbamato, y se utilizan principalmente en resinas de cloruro de polivinilo y estireno; su efecto de aplicación en resinas de poliolefina es similar al de los agentes antiestáticos catiónicos. El alquilsulfonato de sodio se ha utilizado ampliamente en resinas a base de estireno, cloruro de polivinilo, tereftalato de polietileno y policarbonato como agente antiestático aniónico.
Los agentes antiestáticos no iónicos, como las alquilaminas alifáticas etoxiladas, representan la clase más grande de agentes antiestáticos. Se utilizan ampliamente en polietileno, polipropileno, ABS y otros polímeros a base de estireno. Actualmente se producen y venden varias alquilaminas etoxiladas, con la diferencia de la longitud de la cadena alquílica y el grado de insaturación. La etoxialquilamina es un agente antiestático muy eficaz, incluso en condiciones de baja humedad relativa, y es eficaz durante mucho tiempo. Este tipo de agente antiestático ha sido aprobado por la Administración Federal de Alimentos y Medicamentos para su uso en artículos que entran en contacto indirecto con alimentos. Otros agentes antiestáticos no iónicos comercialmente valiosos incluyen alquilamina etoxilada, como lauroilamina etoxilada, y monoestearato de glicerol (GMS). La etoxilaurilamina es adecuada para polietileno y polipropileno utilizados en entornos de baja humedad y requiere funciones antiestáticas rápidas y duraderas. Los agentes antiestáticos GMS solo se consideran para la protección electrostática durante el procesamiento. Aunque el GMS migra rápidamente a la superficie de los polímeros, no puede ejercer efectos antiestáticos duraderos como la alquilamina etoxilada o la alquilamina etoxilada.
Se pueden mezclar hasta un 75 % de grupos alquilo etoxilados líquidos o de bajo punto de fusión y polímeros para formar masterbatch concentrados. Estos masterbatch son productos esféricos de flujo libre que son fáciles de transportar y se dispersan fácilmente durante la mezcla. Las ventajas del masterbatch de alquilamina etoxilada se pueden resumir de la siguiente manera:
(1) Buena dispersabilidad, con la adición de materiales activos pre-dispersados.
(2) Un producto pequeño en forma de bola con buena transportabilidad y flujo libre, fácil de medir y mezclar.
(3) Buen rendimiento de procesamiento, con menor deslizamiento del tornillo en la extrusora.
La selección y dosificación de los agentes antiestáticos dependen de las propiedades del polímero, los métodos de procesamiento, las condiciones de procesamiento, los tipos y cantidades de otros aditivos, la humedad relativa y el uso final del polímero. El tiempo necesario para obtener un efecto antiestático suficiente varía, y la tasa y la duración de la protección antiestática se pueden aumentar aumentando la concentración del agente antiestático. Sin embargo, el uso excesivo de agentes antiestáticos puede dar como resultado una superficie resbaladiza del producto final, lo que puede dañar el rendimiento de impresión o unión. Los rellenos y pigmentos inorgánicos sin tratar pueden adsorber moléculas de agente antiestático en sus superficies, lo que reduce la eficacia de los agentes antiestáticos. Este fenómeno se puede compensar aumentando la cantidad de agente antiestático utilizado. Sin embargo, para los productos que entran en contacto con alimentos, la cantidad de agentes antiestáticos añadidos debe cumplir con las regulaciones de la Administración Federal de Alimentos y Medicamentos (consulte el Código de Regulaciones Federales, Título 21 (21CFR)). (Código de Regulaciones Federales, Título 21 (21CFR)).
Al utilizar polietileno, la elección del agente antiestático de alquilamina etoxilada debe tener en cuenta su forma física, como pasta, líquido, partículas pequeñas o sólido. Si la amina de sebo etoxilada no se puede tratar debido a su naturaleza pastosa, se puede utilizar oleamina etoxilada líquida. En condiciones de procesamiento a alta temperatura (por encima de 180 grados), se puede seleccionar estearftalamina etoxilada. Si se requiere un efecto antiestático de acción rápida, se puede seleccionar lauril amina etoxilada. Las cuestiones a tener en cuenta al utilizar polipropileno son similares a las del polietileno. Independientemente del tipo de resina utilizada, se deben tener en cuenta los límites reglamentarios de la Administración Federal de Alimentos y Medicamentos para diversos usos. Cuando se utiliza para polímeros a base de estireno, se recomienda elegir amina de coco etoxilada o uno de sus masterbatches adecuados.
Mezcla y procesamiento
En general, los agentes antiestáticos se mezclan con pigmentos y otros aditivos en un mezclador o extrusor. Técnicamente hablando, los agentes antiestáticos puros, como la alquilamina etoxilada, tienen otra ventaja, que es que pueden fundirse durante el moldeo por inyección de líquido, actuando así como dispersantes para el masterbatch de pigmento. El masterbatch de agente antiestático se puede añadir directamente al equipo de procesamiento final. El efecto de los agentes antiestáticos internos está estrechamente relacionado con las condiciones de producción y procesamiento del producto final. Por ejemplo, el rendimiento antiestático de los productos moldeados por inyección depende de la temperatura del molde. Por lo general, cuando la temperatura del molde es baja, el agente antiestático migra rápidamente, mejorando así el rendimiento antiestático.
Existen dos métodos de prueba para evaluar la eficacia de los agentes antiestáticos: el método de resistencia superficial (tasa) y el método de desintegración electrostática; ambos métodos son ampliamente utilizados.
Según la definición de ASTMD257-78, la resistividad superficial de un material es la relación entre el gradiente de potencial y la corriente que pasa a través de la unidad de ancho de la superficie del material, que generalmente está relacionada con la forma geométrica de la muestra. Coloque dos electrodos en el mismo lado de la superficie de la muestra de plástico y aplique corriente continua a los electrodos; Mida la corriente que pasa a través de la muestra y calcule la resistencia; Luego represente los resultados de la medición de resistividad superficial en ohmios.
Según la definición del Método de prueba federal 4046, la descomposición electrostática se refiere a la tasa de descarga de cargas inducidas. Coloque la muestra (generalmente una placa o película delgada) entre dos electrodos, con una distancia de varios milímetros entre los electrodos y la superficie de la muestra. Un electrodo se conecta a la fuente de alimentación y el otro electrodo se conecta al amperímetro y al registrador. El cambio de campo eléctrico causado por la carga inducida por un electrodo en la superficie de la muestra se mide por el otro electrodo. Las muestras antiestáticas exhibirán descomposición de cargas inducidas. La vida media de descomposición (en segundos) es el tiempo que tarda una carga en decaer a la mitad de su valor inicial.
Otro método de prueba estándar ampliamente utilizado en la industria es el estándar estadounidense, que se utiliza para el embalaje de productos electrónicos. La elección del método adecuado depende del uso final del plástico que se necesita probar.
La resistividad eléctrica del plástico en sí es de 1014 ohmios. Al añadir agentes antiestáticos según la cantidad que se muestra en la Tabla A, la resistividad eléctrica puede disminuir hasta 1013 a 109 ohmios. Si queremos reducir aún más la resistividad, solo podemos confiar en mejorar la conductividad, como por ejemplo utilizando negro de carbono conductor.
Se está desarrollando una tecnología de embalaje antiestático para hacer hincapié en las preocupaciones medioambientales. La alquilamina etoxilada, ampliamente utilizada, se envasa ahora en contenedores a granel reutilizables. Los proveedores tienden a producir agentes antiestáticos con una concentración más alta, que se pueden diluir según las necesidades de procesamiento después de su entrega a los usuarios. El objetivo de esto es reducir el costo del tratamiento de los residuos sólidos. Al desarrollar agentes antiestáticos de alta concentración, los fabricantes pueden enviar más agentes antiestáticos a la vez y reducir la cantidad de contenedores de embalaje que deben manipular los usuarios.
Técnicamente hablando, todavía hay mucho trabajo de investigación y desarrollo en torno al mercado de embalajes de productos electrónicos. La laurilamida etoxilada, comúnmente considerada como un agente antiestático libre de aminas, se utiliza comúnmente en esta área. La cantidad de laurilamina etoxilada utilizada en el moldeo por soplado de películas de LDPE y LLDPE también está aumentando, ya que su efecto antiestático también es mejor en condiciones de baja humedad. El concentrado y el masterbatch de este producto también se pueden comprar. La estearoftalamina etoxilada (que contiene cadenas de alquilo de 18 carbonos completamente saturadas) se ha aplicado en la producción de películas de polipropileno orientadas biaxialmente. En este proceso de producción, las altas temperaturas de procesamiento requieren que los agentes antiestáticos tengan una alta estabilidad térmica.