塑料包装薄膜用抗静电剂的研究进展

2021-01-21李新芳李育雄赵素芬吴成英涂志刚

塑料包装 2020年6期

李新芳李育雄赵素芬吴成英涂志刚

（1.中山火炬职业技术学院；2.中山市朗科包装有限公司；3.广东开放大学（广东理工职业学院））

塑料包装薄膜是现代社会包装印刷行业广泛使用的高分子加工材料，在塑料包装制品市场份额占有的比例越来越大。由于有很高的表面电阻率，在使用和加工过程中，薄膜与设备之间、薄膜与薄膜之间的摩擦极易产生静电[1-3]。比如由于静电的存在，薄膜与薄膜之间发生粘连，同时消弱了薄膜的印刷适性和使用性；对于包装电子产品的塑料薄膜，电子芯片的包装过程中，静电的存在有可能损坏产品。为了有效地解决塑料包装薄膜的抗静电问题，就是在塑料母粒中添加抗静电剂[4-6]或者在薄膜表面涂覆抗静电剂。塑料包装薄膜抗静电处理后，电阻值可达到108-1011Ω，能有效防止薄膜表面吸附灰尘，不影响薄膜的外观和印刷性能。本文阐述了塑料包装薄膜用抗静电剂的分类、作用机理和国内外研究现状，展望了抗静电剂的发展趋势，为抗静电剂在包装印刷行业的应用提供指导。

1. 抗静电剂的分类

抗静电剂是塑料包装薄膜助剂中需求最大的品种[7,8]，根据抗静电剂的组成不同，可以分为离子型、非离子型、高分子导电型和复合型。其中，离子型是应用最为广泛的一种[9-11]，有阳离子型、阴离子型和两性离子型。阳离子型分解于水中，产生阳离子，吸附力大，消除静电效果好，耐热性不好，易热分解，这类抗静电剂通常不得用于与食物接触的塑料薄膜中[12]，如季胺盐或胺盐；阴离子型分解于水中，产生阴离子，水溶性比较大，抗静电效果略差于阳离子型，除用作抗静电剂外，还有良好的乳化剂、纤维处理剂，但不耐酸和热，如硫酸酯及其盐；两性离子型分解于水中，酸性一侧为阳离子性，碱性一侧为阴离子性，是具有双重性质的物质，对高分子材料有较强的附着力，因而能发挥优良的抗静电性，如甜菜碱类物质等。非离子型抗静电剂在水中不分解，其分子直接作为表面活性剂产生作用。高分子导电型抗静电剂本身具有导电特性，抗静电效果良好，但添加量要多。复合型抗静电剂是多功能协效且长效一致的抗静电剂，是抗静电剂的新品种，抗静电效果远优于单一组分。

离子型抗静电剂对塑料包装薄膜吸附力强，抗静电性能良好，但其热稳定性差，尤其是阳离子型抗静电剂高温下加工易分解而变色，大大降低薄膜的透明度和光泽度[13]。而非离子型抗静电剂热稳定性好、不易引起塑料的老化降解，不影响薄膜透明度和光泽度等，有离子型抗静电剂不具备的优点，综合性能较好，是理想的塑料包装薄膜抗静电剂。详见表1。

表1 离子型和非离子型抗静电剂的抗静电、透明和耐热效果对比

表2 非离子型抗静电剂的抗静电、透明和耐热效果对比

表3 非离子抗静电剂特性和使用方法

非离子型抗静电剂是不带电低极性的表面活性分子，通过亲水性基团吸附水分子形成溶剂化合物，最终形成导电层来降低并消除薄膜表面的静电。

因此，塑料包装薄膜中通常采用非离子型抗静电剂。各种非离子型抗静电剂的抗静电、透明和耐热效果对比见表2，胺类非离子型抗静电剂的抗静电效果良好。

具体到非离子抗静电剂中每一个品种，它们的特性和使用方法见表3，从表3可以看出胺类比酯类抗静电剂的综合效果好。非离子抗静电剂实际上属于非离子表面活性剂，具有如下基本特性。（a）降低表面张力；（b）对表面的吸附作用，因为溶于水中的表面活性剂既亲水也亲油，它们会向表面或界面移动逐步稳定；（c）在表面（界面）上发生的排列，并形成膜；（d）表面活性剂在水溶液中处于低浓度时，其以分子状态分散于水中，随着浓度的上升分子产生缔合并形成胶束。

2. 抗静电剂的作用机理

塑料包装薄膜专用抗静电母料中的抗静电剂多为非离子表面活性剂，如图1所示，抗静电剂迁移至塑料聚合物的表面，一个憎水基团（非极性基）向内侧（塑料聚合物一侧）排列形成连续的膜状，保证抗静电剂固定在塑料聚合物内部，而亲水基团（极性基）则向外吸收空气中的水分，形成一层导电层来降低塑料包装薄膜的表面电阻率。当抗静电剂迁移到塑料包装薄膜表面后，吸附空气中水分的能力越强，则形成导电层后，分散电荷越多，抗静电效果越好[13,14]。

影响抗静电剂的抗静电性最重要的因素是抗静电剂在塑料聚合物中的迁移状况，抗静电剂的迁移受其与塑料聚合物的相容性、塑料聚合物的玻璃化转变温度（Tg）以及结晶度的影响较大。

相容性越好，抗静电剂向表面迁移的越少，也就越难达到抗静电效果所需要的浓度。相容性的标准，可以用SP值（溶度参数）判断，SP值越接近的物质的相容性越好[15]。塑料聚合物和抗静电剂的SP值和熔点见表4，可见聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）的SP值与抗静电剂的SP值比较接近，所以PVC和PS聚合物中的抗静电剂向表面迁移较少。

图1 非离子型抗静电剂的抗静电效果结构图

表4 塑料聚合物和抗静电剂的SP值和熔点

抗静电剂的迁移速度，以聚合物的玻璃化转变温度Tg值为界，会发生很大的变化。聚合物的Tg值低于常温时，聚合物分子的链段产生微弱布朗运动，并因此使抗静电剂向表面的迁移变得容易。相反，Tg值高于常温的硬聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）等的布朗运动被冻结，使抗静电剂的迁移变得困难。

另外，抗静电剂被认为存在于聚合物的非晶性（无定型）的区域，对于结晶性高的树脂来说，其结晶将妨碍抗静电剂的扩散和迁移。结晶性高的聚合物也受布朗运动的抑制，其抗静电剂的迁移也会受到限制。

研究也表明要使聚合物表面产生抗静电效果[13,14]，一般认为要达到必要的临界浓度，抗静电剂不仅仅以单层分子形式存在，而是以十层左右存在。其理由是抗静电剂并不一定以理想的单层分子整齐地排列于聚合物表面，在一定程度上是抗静电剂层的重叠的结果，使最表层（外层）的抗静电剂平等排列，亲水基在表面上形成各向同性状态，这种结果可使表层迅速获得抗静电的效果。如图2所示。

图2 塑料聚合物表面的抗静电剂的吸附排列示意图

3. 抗静电剂的开发及应用

抗静电剂在美国、西欧和日本等发达国家发展很快。美国菲泽公司的Astistat 68、美国北方石油的Norchem 700 F可用于聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）和PS等多种树脂，耐温高达240℃[13]。日本三洋化成公司开发的非离子型乙氧基化脂肪胺抗静电剂应用于PP和PE树脂，瑞士的Lonza公司开发的多元醇脂肪酸酯抗静电剂应用于PP、PE和PS树脂[16]。

与国外相比，国内抗静电剂的研究工作起步较晚，远远落后于美国、西欧和日本等发达国家。但近年来国内许多学者对抗静电剂的研究取得一定的进展，如北京化工研究院、杭州化工研究院、济南化工研究所、大连轻工研究所、陕西省化工研究所、山西化工研究所等开发的抗静电剂都适用于PE、PP、PET和PVC等塑料包装薄膜。鲍治宇[17]等将二甲基乙醇基十八酰胺丙基铵硝酸盐阳离子抗静电剂添加到PP树脂中，采用正交实验研究了PP样品的抗静电性能，表明添加阳离子抗静电剂的PP样品的表面电阻小于109Ω，抗静电性能优良。

吴逊[18]等将4种非离子型抗静电剂（硼酸酯、单甘酯、固态乙氧基胺和液态乙氧基胺），添加到PP树脂后熔融混合制得薄膜，研究了不同湿度条件下PP薄膜的抗静电性能。表明环境湿度为70%时，添加了液态乙氧基胺的PP薄膜的表面电阻率降到108Ω，添加了单甘酯的PP薄膜的表面电阻率降到1011Ω；而环境湿度为30%时，非离子型抗静电剂的抗静电效果较差。

华东理工大学许祥[19]对抗静电剂吐温40（T40）进行双键化改性后，添加到PP中，当T40添加量为0.5%时，PP样品的表面电阻率降到1010Ω。

叶伦学[20]等采用季铵盐、丙烯酸酯类和无水乙醇等无规共聚反应制备了一种涂覆高分子抗静电剂，当季铵盐的含量大于15%时，PET样品的表面电阻为107Ω，抗静电性优良。

卢志凯[21]等研究了水性聚氨酯（WPU）抗静电涂料，并应用于PET样品。表明WPU复合抗静电涂层的抗静电性能受环境温湿度影响较小，在合适的WPU复合抗静电剂加入量下，PET样品在低湿度环境条件下可保持较好抗静电性能。