Quando dois sólidos com diferentes estados físicos entram em contato e esfregam um contra o outro, suas respectivas superfícies sofrem redistribuição de carga. Após a separação, cada superfície sólida carregará um excesso de carga positiva (ou negativa) em comparação com antes do contato, o que é chamado de eletricidade estática. Para caracterizar a condutividade de um material, o conceito de resistividade é usado. A resistividade do volume é a razão do gradiente de potencial paralelo à direção da corrente na superfície do material para a corrente por unidade de largura na superfície. Geralmente, os polímeros são materiais de alto isolamento com alta resistividade elétrica, então, uma vez carregados, é difícil eliminá-los. Na vida cotidiana, ao caminhar em um piso de plástico, o atrito entre a sola do sapato e o piso pode deixar o corpo humano carregado. Em casos graves, se a mão entrar em contato com uma maçaneta ou objeto, também pode produzir descarga, causando uma sensação de formigamento; Um acidente de choque elétrico ocorre durante uma cirurgia médica. Na indústria eletrônica, a eletrificação humana pode facilmente romper circuitos, causando danos aos circuitos integrados; A indústria têxtil causa agregação de fibras e assim por diante.
Existem dois métodos para eliminar a eletricidade estática em polímeros
(1) Adicione enchimentos condutores, como metal, fibra de carbono e carbono. Este método requer uma grande quantidade de enchimento. A diminuição repentina na condutividade do enchimento deve atingir uma certa porcentagem para atingir o efeito antiestático. A cor e a qualidade dos produtos com uma grande quantidade de adição serão bastante limitadas. Por exemplo, a condutividade do PP preenchido com negro de fumo só muda significativamente quando a porcentagem atinge 15%. Neste momento, a cor do material não pode mais atender aos requisitos de materiais múltiplos e bonitos. Os enchimentos de metal aumentam a qualidade dos materiais. Os enchimentos de fibra de metal têm baixa qualidade, mas são propensos a quebra e oxidação durante o processamento, tornando-os mais caros.
(2) Adicionar agentes antiestáticos para ativar a superfície e melhorar a condutividade da superfície: 1. Os agentes antiestáticos revestidos de superfície têm baixa durabilidade e são facilmente perdidos devido ao atrito e à lavagem, proporcionando apenas efeitos antiestáticos temporários ou de curto prazo. 2. Os agentes antiestáticos mistos têm alta durabilidade, mas exigem altos requisitos para agentes antiestáticos.
Agente antiestático
A geração de eletricidade estática em superfícies plásticas pode causar vários problemas, como dificultar a produção, faíscas causando explosões e danos a circuitos integrados de dispositivos eletrônicos. O método geral para remover eletricidade estática é usar surfactantes, como agentes antiestáticos, para reduzir a resistência da superfície dos polímeros. Devido à higroscopicidade de tais aditivos, eles absorvem umidade da atmosfera na superfície do polímero, formando uma fina película condutora que elimina rapidamente a eletricidade estática. A água desempenha um papel importante neste processo. Com o aumento da umidade atmosférica, a condutividade da superfície do polímero também melhora, causando rápida perda de carga estática e produzindo bom desempenho antiestático.
De acordo com o uso diferente, existem dois tipos de agentes antiestáticos ativos de superfície, ou seja, externos e internos. Agentes antiestáticos externos ou locais são aplicados à superfície de polímeros por meio de pulverização, limpeza ou impregnação. Embora esse agente antiestático externo seja adequado para vários polímeros, sua eficácia é apenas temporária e é fácil perdê-la após contato com solventes ou atrito com outras substâncias. Agentes antiestáticos internos são adicionados durante o processamento do polímero. Esse tipo de agente antiestático ativo de superfície pode suplementar a função antiestática que foi erodida devido ao manuseio. O efeito desse agente antiestático interno depende da pulverização de congelamento. O significado de pulverização de congelamento aqui se refere ao processo no qual o agente antiestático interno adicionado à resina migra parcialmente para a superfície do polímero. Portanto, os agentes antiestáticos internos têm um efeito de proteção antiestática de longo prazo.
Os agentes antiestáticos tensoativos podem ser divididos em tipos catiônicos, aniônicos e não iônicos.
Agentes antiestáticos catiônicos são geralmente sais de amônio quaternário de alquila de cadeia longa, fósforo ou chumbo, com cloretos como íons de equilíbrio. Eles funcionam bem em matrizes polares, como cloreto de polivinila rígido e polímeros à base de estireno, mas têm um impacto negativo em sua estabilidade térmica. Este tipo de agente antiestático geralmente não é permitido para uso em itens em contato com alimentos; E o efeito antiestático é de apenas 1/5 a 1/10 daquele de agentes antiestáticos internos, como aminas etoxiladas.
Agentes antiestáticos aniônicos são geralmente sais de metais alcalinos de ácido alquil sulfônico, ácido fosfórico ou ditiocarbamato, e são usados principalmente em resinas de cloreto de polivinila e estireno; Seu efeito de aplicação em resinas de poliolefina é semelhante ao de agentes antiestáticos catiônicos. O alquilsulfonato de sódio tem sido amplamente usado em resinas à base de estireno, cloreto de polivinila, tereftalato de polietileno e policarbonato como um agente antiestático aniônico.
Agentes antiestáticos não iônicos, como alquilaminas alifáticas etoxiladas, representam a maior classe de agentes antiestáticos. Eles são amplamente usados em polietileno, polipropileno, ABS e outros polímeros à base de estireno. Existem várias alquilaminas etoxiladas atualmente produzidas e vendidas, com a diferença sendo o comprimento da cadeia alquila e o grau de insaturação. A etoxialquilamina é um agente antiestático altamente eficaz, mesmo em condições de baixa umidade relativa, e é eficaz por um longo tempo. Este tipo de agente antiestático foi aprovado pela Federal Food and Drug Administration para uso em itens que entram em contato indireto com alimentos. Outros agentes antiestáticos não iônicos comercialmente valiosos incluem alquilamina etoxilada, como lauroilamina etoxilada e monoestearato de glicerol (GMS). A etoxilauril amina é adequada para polietileno e polipropileno usados em ambientes de baixa umidade e requer funções antiestáticas rápidas e duradouras. Os agentes antiestáticos GMS são considerados apenas para proteção eletrostática durante o processamento. Embora o GMS migre rapidamente para a superfície dos polímeros, ele não pode exercer efeitos antiestáticos duradouros como a alquilamina etoxilada ou a alquilamina etoxilada.
Até 75% de grupos alquil etoxilados líquidos ou de baixo ponto de fusão e polímeros podem ser misturados para formar masterbatch concentrado. Esses masterbatches são produtos esféricos de fluxo livre que são fáceis de transportar, enquanto são facilmente dispersos durante a mistura. As vantagens do masterbatch de alquilamina etoxilada podem ser resumidas da seguinte forma:
(1) Boa dispersibilidade, com adição de materiais ativos pré-dispersos.
(2) Um pequeno produto em forma de bola com boa transportabilidade e fluxo livre, fácil de medir e misturar.
(3) Bom desempenho de processamento, com menor deslizamento do parafuso na extrusora.
A seleção e dosagem de agentes antiestáticos dependem das propriedades do polímero, métodos de processamento, condições de processamento, tipos e quantidades de outros aditivos, umidade relativa e o uso final do polímero. O tempo necessário para obter efeito antiestático suficiente varia, e a taxa e a duração da proteção antiestática podem ser aumentadas aumentando a concentração do agente antiestático. No entanto, o uso excessivo de agentes antiestáticos pode resultar em uma superfície escorregadia do produto final, o que pode danificar o desempenho de impressão ou colagem. Enchimentos inorgânicos e pigmentos não tratados podem adsorver moléculas de agentes antiestáticos em suas superfícies, reduzindo assim a eficácia dos agentes antiestáticos. Esse fenômeno pode ser compensado aumentando a quantidade de agente antiestático usado. No entanto, para produtos que entram em contato com alimentos, a quantidade de agentes antiestáticos adicionados deve estar em conformidade com os regulamentos da Federal Food and Drug Administration (consulte Federal Regulations Code, 21 (21CFR)). (Codeof Federal Regulations, Title21 (21CFR)).
Ao usar polietileno, a escolha do agente antiestático de alquilamina etoxilada deve considerar sua forma física, como pasta, líquido, pequenas partículas ou sólido. Se a amina de sebo etoxilada não puder ser tratada devido à sua natureza pastosa, a oleamina etoxilada líquida pode ser usada. Sob condições de processamento de alta temperatura (acima de 180 graus), a estearftalina etoxilada pode ser selecionada. Se for necessário um efeito antiestático de ação rápida, a lauril amina etoxilada pode ser selecionada. As questões a serem consideradas ao usar polipropileno são semelhantes às do polietileno. Independentemente do tipo de resina usada, deve-se considerar os limites regulatórios da Federal Food and Drug Administration para vários usos. Quando usado para polímeros à base de estireno, é recomendável escolher amina de coco etoxilada ou um de seus masterbatches apropriados.
Mistura e processamento
Em geral, agentes antiestáticos são misturados com pigmentos e outros aditivos em um misturador ou extrusora. Tecnicamente falando, agentes antiestáticos puros, como alquilamina etoxilada, têm outra vantagem, que é que eles podem derreter durante a moldagem por injeção de líquido, agindo assim como dispersantes para masterbatch de pigmento. O masterbatch de agente antiestático pode ser adicionado diretamente ao equipamento de processamento final. O efeito de agentes antiestáticos internos está intimamente relacionado às condições de produção e processamento do produto final. Por exemplo, o desempenho antiestático de produtos moldados por injeção depende da temperatura do molde. Normalmente, quando a temperatura do molde é baixa, o agente antiestático migra rapidamente, melhorando assim o desempenho antiestático.
Existem dois métodos de teste para avaliar a eficácia de agentes antiestáticos: método de resistência de superfície (taxa) e método de decaimento eletrostático; ambos os métodos são amplamente utilizados.
De acordo com a definição da ASTMD257-78, a resistividade da superfície de um material é a razão entre o gradiente de potencial e a corrente que passa pela largura unitária da superfície do material, que geralmente está relacionada à forma geométrica do espécime. Coloque dois eletrodos no mesmo lado da superfície da amostra de plástico e aplique corrente contínua aos eletrodos; Meça a corrente que passa pela amostra e calcule a resistência; Em seguida, represente os resultados da medição da resistividade da superfície em ohms.
De acordo com a definição do Método de Teste Federal 4046, decaimento eletrostático se refere à taxa de descarga de cargas induzidas. Coloque a amostra (geralmente uma placa fina ou filme) entre dois eletrodos, com uma distância de vários milímetros entre os eletrodos e a superfície da amostra. Um eletrodo é conectado à fonte de alimentação, e o outro eletrodo é conectado ao amperímetro e registrador. A mudança de campo elétrico causada pela carga induzida por um eletrodo na superfície da amostra é medida pelo outro eletrodo. Amostras antiestáticas exibirão decaimento de cargas induzidas. A meia-vida de decaimento (em segundos) é o tempo que leva para uma carga decair pela metade de seu valor inicial.
Outro método de teste padrão amplamente usado na indústria é o padrão americano, que é usado para embalar produtos eletrônicos. A escolha do método apropriado depende do uso final do plástico que precisa ser testado.
A resistividade elétrica do plástico em si é de 1014 ohms. Ao adicionar agentes antiestáticos de acordo com a quantidade mostrada na Tabela A, a resistividade elétrica pode diminuir para 1013 a 109 ohms. Se quisermos reduzir ainda mais a resistividade, podemos apenas confiar na melhoria da condutividade, como usar negro de fumo condutor.
A tecnologia de embalagem antiestática está sendo desenvolvida para enfatizar as preocupações ambientais. A alquilamina etoxilada amplamente usada agora é embalada em recipientes a granel reutilizáveis. Os fornecedores tendem a produzir agentes antiestáticos com maior concentração, que podem ser diluídos de acordo com as necessidades de processamento após serem entregues aos usuários. O objetivo de fazer isso é reduzir o custo do tratamento de resíduos sólidos. Ao desenvolver agentes antiestáticos de alta concentração, os fabricantes podem enviar mais agentes antiestáticos de uma só vez e reduzir o número de recipientes de embalagem que precisam ser manuseados pelos usuários.
Tecnicamente falando, muito trabalho de pesquisa e desenvolvimento ainda gira em torno do mercado de embalagens de produtos eletrônicos. A laurilamida etoxilada, comumente vista como um agente antiestático sem amina, é comumente usada nessa área. A quantidade de lauril amina etoxilada usada na moldagem por sopro de filmes de LDPE e LLDPE também está aumentando, pois seu efeito antiestático também é melhor em condições de baixa umidade. O concentrado e o masterbatch deste produto também podem ser adquiridos. A estearoftalamina etoxilada (contendo cadeias de alquila de 18 carbonos totalmente saturadas) foi aplicada na produção de filmes de polipropileno biaxialmente orientados. Neste processo de produção, altas temperaturas de processamento exigem que os agentes antiestáticos tenham alta estabilidade térmica.