高聚物包装材料静电起电原理的研究

陈 晰，杨宏伟1，，吴 超，杨士钊

（1. 中国矿业大学，江苏 徐州 221008； 2. 徐州空军学院，江苏 徐州 221006）

高聚物包装材料静电起电原理的研究

陈 晰2，杨宏伟1，2，吴 超2，杨士钊2

（1. 中国矿业大学，江苏 徐州 221008； 2. 徐州空军学院，江苏 徐州 221006）

解释了高聚物包装材料固体之间发生接触和分离过程时发生静电起电现象的机理；探讨了摩擦在高聚物起电中的作用；详细讲解了剥离起电、破裂起电、压电起电、感应起电和吸附起电等起电方式；最后指出设计更加成熟的模型和引入更加合理的参数是静电起电进一步研究的关键。

高聚物；包装材料；静电起电；摩擦

随着经济和科学技术的高速发展，高聚物以其特有的性能，在医药、食品、电子元件、武器弹药等包装领域中得到了广泛的应用［1-4］。但是高聚物的高绝缘、易带静电的性能，给科学工作者带来了许多新的挑战和机遇。高聚物的静电学是建立在经典静电学的基础之上的，但是高聚物与金属的静电学概念和理论有较大差别。深入研究和分析高聚物静电起电的原理和影响因素，对于高聚物包装材料的开发设计、制作、改性、应用等均具有重要的指导意义［5-7］。

1 静电起电原理

由于物体的接触分离、静电感应、介质极化和带电微粒的附着等原因，使物体正负电荷失去平衡或电荷分布不均，而在宏观上呈现带电的过程，称为静电起电［8］。当然有的起电过程非常微弱，有的在起电时产生的静电荷被中和或转移，在宏观上没有呈现静电带电现象。

关于物体接触起电的理论，金属间的接触起电理论已经比较成熟，高聚物材料之间的接触起电过程比较复杂，加之表面状态变化和表面粘污的影响，使问题交错复杂，因此目前国际上还没有形成普遍公认的理论。

1.1 高聚物之间的接触起电

两种高分子聚合物材料相互接触时，会发生电荷的转移。当然高聚物材料的接触起电机理较为复杂，依照电荷转移的载流子类型来看，可以区分为电子型和离子型。高聚物材料之间发生接触起电和金属之间接触起电显然不同：金属之间接触起电产生的电荷一般来说仅仅分布在金属表面；而高聚物材料接触起电时，产生的电荷不仅仅分布在材料表面，还会进入材料内部，分布形成体电荷。

高聚物材料带电普遍认为电子为带电载流子，除了离子晶体等具有简单的结晶构造的物质以外，关于其能级和功函数方面的知识无论在实验和理论方面都很贫乏。并且高聚物的表面导电，特别是在其表面吸附了水分时，参与传导的带电载流子可以认为是离子。因此，有的认为高聚物材料带电时，通过接触界面移动的带电载流子为离子。即使在非常干燥的空气里，材料表面上都多少会吸附少量水分。湿度小时一般是单分子层吸附，湿度大时一般是多层吸附，有时甚至将水分吸入到材料的内部。部分水分离解成H+和OH-。此外，因为污染和周围空气中的灰尘及其它沉积在材料表面上的物质吸附了水，也将产生离子。当材料具有离子性原子基团时，更为增加了水的吸附，离解出离子从而成为带电载流子。

清洁表面，例如材料新破开的内表面，因为在化学方面是不稳定的，总是力图形成稳定化的表面层。亲电性的高聚物因为有亲水性，因此就吸引这个表面上的OH-原子团而趋于稳定，表面即带负电。具有正离子（或负离子）的物体是亲电性高聚物，没有这些东西的是疏电性高聚物。疏电性高聚物是琥珀和塑料类，如果它们被清洗干净，则相对于金属等显示不出接触带电。这些东西通常带电是由于表面被污染而带上亲电性物质的缘故。

1.2 分离过程

前面讨论可知，两种材料相互接触时，接触表面上就会发生电荷的交换，电荷达到平衡时，在接触界面处就会形成偶电层，即两种材料分别带上等量的正电荷和负电荷。由于偶电层的间距非常小，若把相互接触的种材料看作为一个系统，从整个系统来看仍是不带电的，呈电中性。当接触后又分离时，两种材料才会分别显示出带正电荷或者带负电荷，且分离后每种材料所带电荷的绝对值，与相互接触并处于平衡状态时，偶电层中正负电荷的绝对值不相等，一般是前者总小于后者。用Q表示分离后任一物体上所带电荷电量的绝对值，用Q0表示分离前偶电层中正电荷或负电荷的绝对值，两者之间的关系为：

式中:k的取值范围为0

1.3 摩擦在接触起电过程中的作用

摩擦并不是静电起电的必要条件，单纯的接触—分离过程就会使物体带电，但摩擦确实可以增强接触起电的效应。实质上摩擦过程就是相互摩擦的两种物体接触面上不同接触点之间，接连不断地接触和分离的一个过程。对于高聚物而言，摩擦的整个过程都和静电起电有关，如摩擦引起的升温、材料界面凸起部分的热分解、热电效应、断裂和压电效应等，都会改变静电起电量。此外，摩擦类型、摩擦速度、摩擦时间、摩擦时的接触面积和摩擦正压力等因素，都和起电电量相关。

相互摩擦时两种物体表面的温度都要升高。一般情况下，发生摩擦的两物体温度的升高值并不相等，例如锉刀对高聚物进行工作时，即是金属与高聚物的非对称摩擦，相当于高聚物一方的一点由于长时间被摩擦，所以温度就比较高，这里就产生热点。此外，即使不是非对称摩擦，物体表面的凸起部分由于经常被摩擦也会产生热点。因为摩擦而引起的局部温度升高与热扩散一样，产生带电载流子从高温处向低温处移动，该过程与热电子发射相似。

2 高聚物起电方式

2.1 剥离起电

剥离两个紧密结合的物体时引起正负电荷分离而使两物体分别带电的过程，称为剥离起电（如图1所示）。

图3 剥离起电Fig.3 stripping electrification

剥离起电实质上就是一种接触—分离起电。一般条件下，由于被剥离的物体剥离前紧密接触，在剥离起电过程中实际的接触面积比发生摩擦起电时的接触面大很多，因而在通常情况下剥离起电比摩擦起电产生的静电量要大。剥离起电能产生很高的静电电位。剥离起电的起电电荷量与接触面积、剥离的速度和接触面上的粘着力大小相关。

在静电安全工程中，防止剥离起电具有重要的实际意义，例如防静电包装中对于封条、产品标签材料及粘合剂的选用，尽量考虑选用剥离起电小的材料。在高质量录像带、录音带的制造和工艺处理过程中，也要尽量避免产生剥离起电。

2.2 破裂起电

物体破裂时发生电荷分离，由于正负电荷平衡受到破坏而产生静电的过程，称为破裂起电。在破裂过程中破裂起电除了因摩擦而产生之外，有的则是在破裂前就存在着电荷分布不均匀的情况。破裂起电过程中电荷量的大小与裂块数量、裂块大小、破裂速度、破裂前电荷分布的不均匀度等因素相关。由于破裂引起的静电，通常是带正电荷的粒子与带负电荷的粒子双方同时发生。

2.3 压电起电

在给离子型晶体加压过程中，其表面上会产生极化电荷，该现象我们称为压电效应。产生的原因是晶体在电学上的各向异性。在晶体性高聚物中也发现有压电效应。木材是一种单轴取向晶体性高聚物纤维素微晶的集合体，具有压电效应。通常情况下，压电效应产生的电荷量很小。极化聚合物（例如聚甲基丙烯酸钾酯、聚氯乙烯）和非极化聚合物（例如聚苯乙烯、聚乙烯和聚丙烯）的情况不同。这些物质的压电效应较为显著。聚甲基丙烯酸甲酯粉末经过特定加工后制成的薄片状试件，压电效应产生的最大电荷密度为 40 μC/m2。薄片上、下两面均出现电荷和电位的不均匀分布。

压电效应可以解释合成纤维制品容易吸附粉尘的现象，也可以解释同种材料相互分离的起电等。自然界中还有很多能产生压电效应的物质，如丝蛋白、角蛋白等。此外，在骨、腱等为主要原料的胶原中也发现有压电效应。

2.4 感应起电

通常感应起电是对导体而言的。静电场中的物体，由于静电感应使导体上的电荷重新排列，从而使材料的电位发生改变。对于高聚物材料，在静电场中由于极化也可使其带电，也把它称为感应起电。极化后的高聚物，其电场将周围介质中的某种自由电荷吸向自身，和高聚物上与之符号相反的束缚电荷中和。外电场撤走后，高聚物上的两种电荷已无法恢复电中性，因而带有一定量的电荷。这就是感应起电。

有一些高聚物，如天然腊、树脂、松香、钛酸钙陶瓷、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯等经强电场作用后能永久或在较长时间内保持其极化状态，即形成驻极体。实用的驻极体，其弛豫时间（表面电荷密度减少到其初始密度的1/e的时间）可达3～10 a。有的驻极体的电荷不仅分布在表面，也分布在体内。若把驻极体去掉一层或一截，新的表面仍有电荷存在。若将驻极体切为两段，则成为两个小的驻极体。

2.5 吸附起电

大多数材料的分子为极性分子，即具有偶极矩；偶极子在界面上呈现定向排列。此外，空气中由于空间电场、放电现象、宇宙各种射线等因素的作用，漂浮着一些带正电荷或负电荷的粒子。这些飘浮的带电粒子被材料表面的偶极子吸引附着在材料上时，整个物体就会带有过剩电荷而带电。如果物体表面定向排列的偶极子的负电荷位于空气一侧，则物体表面吸附空气中带正电荷的粒子，使整个物体带正电。反之，如果物体表面定向排列的偶极子的正电荷位于空气一侧，则物体表面吸附空气中带负电荷的粒子，使整个物体带负电。吸附起电电量的大小与分子偶极矩大小、偶极子排列状况、物体表面清洁程度、空气中悬浮的带电粒子种类等因素相关。

3 结束语

前面我们对高聚物静电起电机理进行了讨论，希望能有一个比较统一的解释。但是，由于起电问题本身的复杂性，致使在这方面还保留着许多没有被解释的现象。这种复杂性的原因是由于，一方面所涉及的材料自身结构的复杂性，另一方面是静电起电现象同时受环境因素的影响。因此，还有待科学工作者设计更成熟的模型、引入更合理的参数，对静电起电理论作进一步详细的分析研究。

［1］ 王超．高分子材料在药品包装中的应用[J].天津化工，2011，25(4)：10-12．

［2］ 丁毅．电子产品防静电包装设计[J].包装工程，1994，25(1)：80-81．

［3］ 王长安，邹永德，陈晓翔. 抗菌食品包装研究进展[J]. 包装工程，2009，（10）：121-124.

［4］ 马辉，高绪勇，杨士亮．野战弹药防静电包装设计[J]. 包装工程，2005，26(5)：145-146．

［5］谭志良，陶凤和，刘尚合,等．防静电阻隔包装材料发展动态及其防静电机理探讨[J].包装工程，2000，.21(1)：3-5．

［6］李宇明，孙永卫．包装材料的防静电设计[J].包装工程，2011，32(19)：73-74．

［7］张玉峰．可剥性导电塑料在静电防护包装中的应用研究[J].包装工程，2001，22（1）：56-58．

［8］国家技术监督局．GB/T 15463-1995静电安全术语[S].

Study on the Electrostatic Electrification of Polymer Packaging Materials

CHEN Xi2，YANG Hong-wei1,2，WU Chao2，YANG Shi-zhao2
（1. China University of Mining and Technology, Jiangsu Xuzhou 221006，China；
2. Xuzhou Air Force College, Jiangsu Xuzhou 221008，China）

The rules of electrostatic electrification during contacting and parting between solids of polymer packaging materials were studied. The function of friction in the electrostatic electrification of polymer was analyzed. Electrification means were explained in detail, including stripping electrification, crack electrification, piezoelectric electrification, inductive electrification and attaching electrification. It’s pointed out that designing more mature model and introducing more reasonable parameters will be the research tendency of electrostatic electrification theory.

polymer; packaging materials; electrostatic electrification; friction

TQ 326

A

1671-0460（2012）09-0983-03

2012-04-22

陈晰（1981-），男，江苏徐州人，讲师，研究生（硕士），2003年毕业于南京师范大学化学专业，研究方向：从事材料科学和分析化学的教学和研究。E-mail：173808485@qq.com。