高分子塑料抗静电剂的机理分析和应用

汪晓鹏

（甘肃省轻工研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730046）

静电现象很早就已被发现。公元前650～前550 年，古希腊哲学家塔勒斯在研究天然磁石的磁性时发现了静电现象，并发现用丝绸、法兰绒摩擦琥珀之后也有类似于磁石能吸收轻小物体的性质。所以，塔勒斯成为有史记载的第一个静电实验者[1]。

随后，人们发现许多物体摩擦后也可以产生静电现象，包括玉石、松香、蜡、硫磺等材料。由于高分子材料大多属于电介质，其表面电阻率和体积电阻率很大，其电导率很小，所以容易在其表面积聚电荷，影响某些高分子材料的使用性能，甚至带来各种危害。极少的静电荷，就足以形成极高的静电压，当静电压大于500V 时，就能发生火花放电。因此，高分子塑料的静电现象日益受到人们的重视。

高分子塑料具有优良的绝缘性能，如PP、PE 体积电阻率ρν 一般在1017～1019 Ω.m，但其绝缘性有时在很多场合会遇到麻烦，甚至造成很大的损失，如制造PE、BOPP 薄膜时，易发生电击现象。塑料制品易吸尘，这样降低了使用价值。遇静电火花还会引起爆炸、火灾等重大生产安全事故。

研究表明，高分子塑料的电阻大小决定其实际应用，详见表1 塑料电性能与应用的关系[2]。

表1 塑料电性能与应用的关系

针对高分子塑料加工和使用过程中的静电问题，大多采用添加抗静电剂和相关助剂或填料的方法来降低其所积累的静电量，使制品的综合性能达到比较理想的效果。

1 抗静电原理

绝缘体由于摩擦，在干燥的空气中容易产生静电荷，从而给加工和使用造成巨大危害。防止静电危害的方法从本质讲就是减轻和防止摩擦以减少静电荷的产生，或者通过各种途径使静电荷很快地泄漏掉。在20 ℃时，高聚物试样的体积电阻率ρν 低于1010 Ω.m，就认为该高聚物有很好的抗静电性能；若ρν 在1010～1012 Ω.m 之间，则认为该高聚物有良好的抗静电性能；当ρν 在1012～1014 Ω.m 之间时，则认为此高聚物有适度的抗静电作用；当ρν 在1014～1015 Ω.m 之间时，只有很弱的抗静电作用；当ρν 高于1015 Ω.m 时，则认为没有抗静电作用，详见表2。

表2 部分高聚物的体积电阻率

目前抗静电剂高分子塑料复合材料加工方法主要有添加型导电填料法、添加抗静电剂法和与结构型导电高分子材料共混等。

2 改性研究方法

2.1 添加导电填料法

该类方法是将无机导电填料掺入高分子塑料材料基体中。当前用炭黑（CB）填充的应用最广，这是因为CB 原料易得、价格低廉、导电性能持久稳定，还可大幅度地调节导电性能。CB 本身的体积电阻率在0.1～10.2Ω.m 之间，是天然的半导体。因此，有CB 填充制成的复合型抗静电高分子材料是目前用途较广、用量较大的一种抗静电剂材料。亦可采用金属类填料，主要包括金属粉末（Ag、Cu、Al、Ni 等）、金属纤维（铜纤维、铝纤维、不锈钢纤维、合金纤维等）和金属氧化物。

2.2 添加抗静电剂

抗静电剂的作用机理是在材料表面形成导电层，降低其表面电阻率，使产生的静电荷迅速泄露，赋予材料表面一定的润滑性，降低摩擦系数，抑制和减少静电荷的产生。所以，抗静电剂的极性、与基材的相容性及它在材料的分散性均影响抗静电剂效果。

抗静电剂根据分子中亲水基能否电离和离子化特征，可以将其分为阳离子型、阴离子型、两性离子型、非离子型和高分子型。研究表明，在PE抗静电剂中非离子型效果最好，阳离子型次之，两性离子再次之，阴离子型最差。研究还发现，不论离子型还是非离子型抗静电剂，其抗静电效果均与其吸附空气中水分的能力直接相关，试样表面电阻值的下降倍数与添加了抗静电材料的单位表面积吸水量呈线性正相关，但离子型抗静电剂与非离子型抗静电剂不同之处在于离子型抗静电剂兼具离子导电机理（详见表3 抗静电剂的种类[3]）。

表3 抗静电剂的主要种类

通常，既要使抗静电剂与基体有一定的相容性，但又不能太强；极性基材应选择离子型抗静电剂，而非离子型抗静电剂更适于弱极性或非极性聚合物。

2.3 与结构型导电高分子材料共混

这类结构型导电高分子材料主要包括聚苯胺、聚乙炔、聚吡啶、聚噻吩、聚喹啉、聚对苯硫醚等共轭性高分子，这些高分子由于结构中含有共轭双键，π 电子可以在分子链上自由运动，载流子迁移率很大。因而这类材料具有高的导电率。从根本上讲，该类导电高分子材料本身就可以作为抗静电材料，但由于这类高分子材料一般分子刚性大、不溶不熔、成型困难、易氧化和稳定性差，无法直接单独应用，一般作导电填料需与其他高分子基体进行共混，制成抗静电复合材料，而且这类结构型导电高分子材料与高分子材料之间具有较好的相容性，效果更好更持久。

2.4 填充复合抗静电材料

制备抗静电剂的另一种方式是在基体聚合物中加入无机导电填料或其他导电聚合物，采用物理或化学方法复合得到的具有一定抗静电功能，又具有良好力学性能的复合材料。无机填充抗静电材料品种繁多，主要有碳系抗静电材料、金属系抗静电材料和金属氧化物抗静电材料等。

3 国内外抗静电剂生产应用厂商

3.1 国内抗静电剂主要生产厂商（见表4）。

表4 国内抗静电剂主要生产厂商和产品

3.2 国外抗静电剂主要生产厂商（见表5）。

表5 国外抗静电剂主要生产厂商牌号和组成

4 影响抗静电性的因素和改性时需要注意的问题

4.1 影响因素

无论是使用外部抗静电剂，还是内部抗静电剂对高分子塑料材料进行抗静电处理，环境的相对温度、湿度和浓度、加工性、相容性等对抗静电性均有一定的影响。具体影响因素：a 温度和湿度的影响；b 与树脂相容性的影响；c 高聚物分子结构的影响；d 抗静电剂表面浓度的影响；e 其他添加剂的影响；f 加工过程的影响。因此，在设计使用抗静电剂时需综合考虑这些因素，通过配方设计和优化，筛选确定最佳使用品种和组分，以达到最佳效果。

4.2 改性时需要注意的问题

如何用多种季铵盐来增加聚合物的电导率，但添加此类抗静电剂的聚合物的体积电阻率对湿度具有明显的依赖性问题；使用炭黑时，需考虑产品着色及添加量过大时CB 对聚合物的力学性能降低问题；抗静电剂的热稳定性问题，对加工温度要求较高，可能造成降解，就聚合物而言应特别注意；抗静电剂与聚合物的相容性，不因熔融加工而渗出或蒸发，或者长期使用过程中“迁移”，基体聚合物的力学性能，不会因添加剂而显著受损等。

5 抗静电剂的未来发展趋势

我国目前抗静电剂品种主要有季铵化合物、羟乙基烷基胺、烷基醇胺硫酸盐、多元醇脂肪酸酯及其衍生物等，与国外品种相比单一，性能有待提高；抗静电剂发展趋向于对抗静电剂新品种的开发；扩大复配协同技术；尤其重视无机抗静电剂发展;开发本征型高分子永久型抗静电剂。

中国对抗静电剂品种的研究开发，近几年来呈快速发展的势头，其主要聚焦在提高其耐热性和持久性，利用现有的抗静电剂，按照不同的塑料制品的不同要求的进行复配研究，以期开发出专用性强、抗静电性高、与树脂相容性好、低挥发性和耐久性强的抗静电剂，尤其要加强开发低毒或无毒的绿色环保抗静电剂产品，综合性能优良的复合多功能性抗静电剂。加强抗静电剂之间的复配协同研究，加快高分子永久性抗静电剂的研发。因此，对高分子型抗静电剂的研究开发无疑将是我国抗静电剂的发展趋势[4]。

除此之外，采用纳米技术，用无机纳米导电粉末进行共混制备高分子塑料抗静电复合材料的研究上取得较大的突破。今后研究的方向，集中于如何消除和减少高分子塑料及其制品中的静电危害已成为高分子材料领域急需解决的的重要技术课题。