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抗静电剂

抗静电剂

抗静电剂（Antistatic agent），是指添加或涂敷在聚合物制品表面，旨在降低表面电阻、防止静电积累及由此引起的静电危害的化学助剂。

抗静电剂的分类方法较多。按使用方式，抗静电剂可分为外涂敷型和内添加型两类。按化学结构以及分子带电情况，外涂敷型抗静电剂与内添加型抗静电剂又进一步可分为阴离子抗静电剂、阳离子抗静电剂、两性离子型抗静电剂，非离子抗静电剂等四类。

抗静电剂的选择和添加量取决于聚合物的品种、性质、加工方式、与其他助剂的关系以及聚合物的最终用途等因素。抗静电剂的应用是一门艺术。这是因为聚合物制品不仅结构类型繁杂，成型方式多样，而且应用环境和要求不同。抗静电剂品种选择和使用方法得当，可能达到事半功倍的效果，相反，不仅制品的抗静电性难以保证，甚至可能影响其他的加工和应用性能。

简介

高分子材料的体积电阻率都非常高，是非常好的绝缘材料。因此，聚合物材料及制品在动态应力及摩擦力的作用下常产生表面电荷集聚，即产生静电。静电会导致材料吸附尘土而静电释放会造成材料破坏，甚至引起火灾和电伤人体。消除静电的方法有改变材料的表面性质、调节环境湿度、机械导电。其中改变材料表面性质是能够主动避免材料静电问题的主要方法。改变材料的表面性质的方法主要是加入抗静电剂或导电填料以及在材料表面涂覆导电涂料。能够降低聚合物材料静电产生和静电累积的助剂被称为抗静电剂。

理想的抗静电剂应具备如下条件：抗静电效能大，效果持久，受环境和湿度的影响小；耐热性好，在加工温度120-300℃或反复热加工时不分解；与没药树相容性适中，在混炼和熔融加工时可与树脂良好地相容，成型后不会明显喷霜析出；不影响制品的加工性能和制品的应用性能；与其他助剂相容性好，无对抗效应；无臭、无味、低毒，不刺激皮肤，无过敏性，价格低廉。

作用原理

表面活性剂型抗静电剂依其使用方式分为外加型抗静电剂和低分子量混炼型抗静电剂，这里将分别介绍它们的作用机理。另外简单介绍一下有机高分子化合物永久型抗静电剂的作用机理。

外加型抗静电剂

外加型抗静电剂一般以水、醇或其他有机溶剂作为溶剂或分散剂，经过配制得到一定浓度的溶液或分散液付诸使用。当将抗静电剂加入到水中时，抗静电剂分子中的亲油基就会伸向空气-水界面的空气一面，而亲水基则插入水中，随着浓度的提高亲油基相互平行并最终达到均一、稠密的排列，用这种溶液浸渍合成纤维或织物，抗静电剂分子中的亲油基就会吸附于纤维的表面，浸渍完成后干燥，脱除水分的纤维表面形成如下图中的结构。

经处理后的纤维表面亲水基向外侧均匀取向，很容易吸收环境水分，形成一个单分子的导电层，当抗静电剂为离子型表面活性剂时，所形成的微薄电解质层就能起到离子导电的作用。非离子型抗静电剂虽不能直接参与传导电荷的作用，与导电性无直接关联，但吸湿的结果除一方面利用了水的导电性外，另一方面还为纤维中的微量电解质提供了离子化的条件，间接地降低了纤维的表面电阻，加速了电荷的泄放。这种表面活性剂的单分子层和吸附的水分不仅能以离子化的方式泄漏静电，而且作为摩擦间隙的介质能够显著削弱摩擦间隙中的电场强度，抑制静电的产生。

混炼型抗静电剂

混炼型抗静电剂包括两种基本类型，其一为低分子量表面活性剂型抗静电剂；其二是导电填料类抗静电剂。它们的差别不仅仅在于化合物组成结构上，更主要的是抗静电作用机理迥异。表面活性剂类抗静电剂尽管在制品加工中与没药树或胶料均匀混配，但由于其具有迁移性，在使用或贮存中并非均匀分布在聚合物制品内，一般表面浓度高于制品内部。也就是说这种类型的抗静电剂并不降低制品的体积电阻，而如涂敷型抗静电剂那样在树脂或胶料表面形成抗静电剂单分子层，从而降低制品的表面电阻。

当聚合物配合体系处于熔融状态时，表面活性剂型抗静电剂浓度足够大，在聚合物熔体与空气、聚合物熔体与金属（即加工机械或模具）的界面向就会形成抗静电剂分子的取向排列，其中亲水基团伸向熔体外部，亲水基团固定在熔体上。待熔体固化后在制品表面形成一个抗静电剂的单分子层，抗静电剂的活性越强，分子迁移性越大，也就越易于在制品表面快速形成这种单分子层，抗静电性越速效。如果在制品加工和应用中抗静电剂单分子层由于拉伸、联接、洗涤等外部作用而损坏，抗静电性也将随之降低。但不同于涂敷型抗静电剂，经过一段时间后没药树或胶料内部的抗静电剂分子又会源源不断地补充上来，使制品表面的抗静电剂单分子层得以恢复，重新显示抗静电效果。这种单分子抗静电层恢复时间的长短取决于抗静电剂在聚合物中的迁移性和浓度，而抗静电剂的迁移性又与其和基础聚合物的相容性、基础聚合物的玻璃化转变温度和结晶度以及抗静电剂本身的分子量等因素密切相关。

高分子永久型抗静电剂

高分子永久型抗静电剂是近年来研究开发的一类新型抗静电剂，化学结构属亲水性聚合物，只能通过混炼的方法加入到基料中，作用机理也不同于表面活性剂类抗静电剂，不是靠迁移至塑料表面起作用，而是靠在塑料内部形成一个具有导电能力的渗滤网络，以此为通路解掉表面及本体内的静电荷，降低电阻率。因此其具有抗静电效果持久、无诱导期，对空气湿度依赖性小等优点。但添加量较大，成本较高。

抗静电作用影响因素

外部环境的影响

从抗静电助剂的作用原理来看，一般是通过亲水基的强吸湿性吸收环境中的水分，形成导电层使静电泄漏，外部环境的温湿度对抗静电影响很大。

湿度较高时，表面电阻率可以下降几个数量级。抗静电助剂吸附水分子是动态平衡的过程，亲水基团的极性越大，吸收的水分越多，从而达到比较好的抗静电性能。当吸附能力未饱和时，随着环境湿度的增加，聚合物表面的吸水性增加，这增加了静电荷耗散的通道，电阻率也随之降低。当吸附的水份达到饱和后，材料表面的导电通路也基本饱和，此时材料的表面电阻率对环境湿度的依赖程度很小。

在一定温度范围内，温度越高，有机高分子化合物链段的运动能力增强，自由体积变大，抗静电剂本身形成更有效率的离子通路；另一方面抗静电剂分子运动加剧，抗静电剂向聚合物基体表面迁移的速率增大，表面极性增加，吸收水分增加，提高抗静电性能。而很多第七代季铵盐抗静电剂热稳定性能不佳，不宜在高温下长久工作。

相容性的影响

抗静电剂与高分子材料的相容性主要体现在两者极性大小，极性相差太大，抗静电剂分子难以迁移至材料里层，以致难以维持长久的抗静电效果，涂布型抗静电剂现象非常明显，当极性相差过大时，抗静电剂在基材表面形成聚集状态，不能形成导电通路，达不到抗静电效果，添加型抗静电剂则容易迁移至材料表面，影响制品外观。若二者的相容性过好，抗静电剂容易向高分子材料基体内部迁移，造成表面抗静电助剂浓度下降，抗静电效果也将下降，抗静电剂助剂难以迁移至材料表层，达不到较好的抗静电效果，需要增加用量来弥补。

分子结构和基团的影响

抗静电剂的效果是由其基本特性-表面活性所决定的，而表面活性与分子中相对分子质量大小、分子链的柔顺性、亲水基和憎水基种类等有关。当抗静电剂分子在相界面上作定向吸附时，会降低相界面的自由能及水和基材之间的临界接触角。这种定向吸附，不仅与基体的性质有关，而且还与抗静电剂的性质有关。根据极性相似规则，抗静电剂分子的极性基团部分倾向与空气中的水接触，而碳氢链部分倾向与有机高分子化合物链段接触。抗静电剂的主要作用是在高分子材料的表面形成规整的面向空气中的水的亲水吸附层，即在高分子材料的表面形成一层导电层。

用量及浓度的影响

抗静电剂浓度过低时，不能在材料表层形成良好的导电通路，使抗静电效果很差，当达到一定浓度时，能形成良好的导电通路，继续增加用量时对抗静电效果影响不明显，成本也会增加。这时抗静电效果主要与抗静电剂结构有关，因此抗静电剂的使用需要注意合理的用量和浓度。

其他助剂的影响

为了提高高分子材料的加工性和制品性能，通过在制备和加工过程中，添加一定量的其他功能助剂。这部分助剂的存在对制品的抗静电性能也会起到一定的影响。例如在制备纱线和织物中，通常添加一定量的渗透剂和偶联剂与抗静电剂复配使用时，本身具有一定抗静电效果的渗透剂，能使抗静电剂更均匀分布，进而提高织物的抗静电性和稳定性。但抗静电助剂与外部润滑剂并用时，由于润滑剂先于抗静电剂迁移到制品表面，形成的润滑剂表面膜层影响了抗静电剂的析出，导致抗静电性能下降；润滑后的材料表面极性小，涂布型抗静电剂分子易聚集，不能很好的铺张形成导电通路，从而影响抗静电效果。

选用原则

抗静电剂的选择和添加量取决于聚合物的品种、性质、加工方式、与其他助剂的关系以及聚合物的最终用途等因素。具体来讲，抗静电剂的选择一般遵循以下原则。

1、根据聚合物的品种选择抗静电剂

（1）极性没药树如PVC、PS等，一般选用离子型及亲水性有机高分子化合物聚合物类抗静电剂。

（2）非极性树脂如PE、PP等，一般选用非离子型抗静电剂。

（3）对于透明性树脂，要控制抗静电剂的加入量，以免影响其透明性。如PMMA，当抗静电剂SN用量超过0.5%后，即影响其透明性。

2、根据聚合物的性质选择抗静电剂

（1）对于结晶性树脂，抗静电剂的加入量要比非品性树脂大，因为抗静电剂一般存在于树脂的非结晶区，通过非晶区向制品表面扩散。

（2）对于加工温度高的没药树，要选用耐热性好的抗静电剂，如有机高分子化合物型抗静电剂及碳黑等。

（3）玻璃化温度（瓦）低于室温的树脂，抗静电剂借助于分子微布朗运动向制品表面迁移，抗静电效果好，一般加入量少，此类树脂有PE、PP及PA等。

（4）玻璃化温度（719℃）高于室温的树脂，如PVC、PC等，在室温下无大分子布朗运动，处于冻结状态，妨碍抗静电剂迁移，抗静电效果差，因而抗静电剂的加入量大。

3、根据聚合物制品的最终用途选择抗静电剂

（1）对于一般抗静电用途，选用表面活性剂类抗静电剂。

（2）对于电磁波屏蔽用途，选用碳类填料、金属填料及导电聚合物等。

（3）当抗静电制品使用在干燥地区时，抗静电剂往往效果差或无效，最好的办法是加入导电性添加物，如碳黑、金属类等。

（4）对于无毒抗静电剂制品，要选用无毒抗静电剂，常用的品种有烷基胺环氧乙烷加合物、烷基酚环氧乙加合物、硬脂酸聚乙二醇酯、山梨醇酐月桂酸环氧乙烷加合物等。

4、抗静电剂与其他添加剂的关系

（1）第七代季铵盐类抗静电剂容易络合PVC中的金属热稳定剂，从而影响其耐热老化性。

（2）光稳定剂中的猝灭剂会阻滞抗静电剂向制品表面迁移，因此在含有镍猝灭剂的配方中要加大抗静电剂的加入量。

5、抗静电剂的协同效应

需要选用抗静电剂时，一般选几种抗静电剂协同使用。

使用方法

聚合物制品结构类型繁杂，成型方式多样，而且应用环境和要求不同。抗静电剂品种选择和使用方法得当，可能达到事半功倍的效果，相反，不仅制品的抗静电性难以保证，甚至可能影响其他的加工和应用性能。因此，了解和掌握抗静电剂的应用技术对于聚合物助剂开发和配方设计具有非常重要的意义。

涂敷型抗静电剂的应用

涂敷型抗静电剂多用于硬质和不宜配合的塑料制品，其应用一般包括抗静电剂品种的选择、抗静电剂溶液的配制、制品表面净化、涂敷处理和干燥等五道工序。

1、抗静电剂品种的选择

高抗静电性和强附着性是选择涂敷型抗静电剂的两个基本原则。除高抗静电性这一基本要求外，强附着性旨在增加抗静电剂分子与聚合物表面的亲和能力，改善相对持久的抗静电性。阳离子型和两性离子型抗静电剂品种多被首先考虑，这不仅因为它们的抗静电性和附着性优于阴离子型和非离子型抗静电剂，还考虑到这些品种热稳定性不足，尤其对PVC的热降解有促进倾向，不便作为添加型品种使用。

2、抗静电剂溶液的调配

涂敷型抗静电剂使用前一般先用挥发型溶剂或水调配成0.1%-2%浓度的溶液。调配抗静电剂溶液需要把握两个主要因素，其一是抗静电剂溶液的浓度，其二是溶剂的选择。溶液浓度在保证制品抗静电性的前提下宜稀为好，否则浓度过高就会出现发黏现象，不仅难以涂布均匀，而且容易吸附灰尘，影响制品的外观性能。溶剂对抗静电剂的持久效果具有一定的影响，涂敷型抗静电剂溶液所用溶剂多为低碳醇或其与水的混合物，应该说这些溶剂在使用时对聚合物的浸溶性还是可以肯定的，但对抗静电剂在聚合物表面的附着性没有太多的改善，往往在溶剂干燥挥发后使抗静电剂层容易因擦拭而脱落，抗静电持久性不佳。对此，通过在这些溶剂或溶液中适量添加对抗静电剂在聚合物中具有浸溶和增加吸附作用的组分可以有效改善持久抗静电性。需要说明的是，这些组分的挥发性往往较低碳醇类溶剂更易挥发。

3、制品表面净化

为了得到均一密实的抗静电剂涂膜，有必要在涂敷抗静电剂溶液前对聚合物制品表面进行净化处理，因为制品表面的浮尘、污垢等将直接影响抗静电剂的附着性和抗静电剂涂膜的均一性。制品表面的净化一般采用水、醇或1%左右浓度的洗涤剂溶液清洗，然后置于室内，于室温至50°C下干燥。为避免干燥后表面尚存少许的水迹污物，在要求苛刻的场合还须用醇类溶剂进行擦拭处理。

4、涂敷工序

涂敷型抗静电剂具有多种涂敷方法，每一种方法都具有各自的应用特点。无论采用何种涂敷形式，总的原则是保证抗静电剂涂层均一和致密。归纳起来，抗静电剂的涂敷方法大致包括涂布、喷涂和浸渍三种。

涂布法是将抗静电剂溶液用棉、法兰绒、毛刷、滚筒等直接刷涂或滚涂聚合物制品的表面，这种方法简便易行，受外界条件制约小，但涂层厚度不够均匀，多用于平面较大，要求不够苛刻的场合。喷涂工艺是将抗静电剂溶液用压缩气体雾化，然后通过喷雾的方法使之均匀附着在聚合物制品的表面，待溶剂挥发后得到均一的抗静电喷涂层。喷涂工艺常常借助于压缩空气，为保证制品表面抗静电剂层的均一，需要对压缩空气进行除尘处理。喷涂法较涂布法设备要求复杂，但涂层均匀致密，可适用于形状比较复杂的制品。浸渍法是将聚合物制品置于抗静电剂溶液中，经过一定时间的浸泡，抗静电剂浸润在制品表面，达到抗静电目的。浸渍法适用于处理形状复杂的制品和数量较大的小型制品，能使涂布法和喷涂法无法处理到的角落部分获得抗静电性。其技术关键是使抗静电溶液在制品表面均匀分布。

添加型抗静电剂的应用

聚合物材料的静电危害并不仅限于最终制品的应用中。事实上，在塑料、纤维等制品的加工过程中本身就存在着许多静电的危害和干扰问题。因此，从应用的角度出发，要求聚合物材料从加工过程到制品应用都具有良好的抗静电性，解决聚合物制品加工过程的抗静电问题是涂敷型抗静电剂所不能及的，使用添加型抗静电剂不仅能够解决聚合物加工过程的静电问题，而且较涂敷型抗静电剂耐洗涤、耐摩擦、耐热、抗静电效果持久、使用方法安全方便，因此被广泛应用。目前市售抗静电剂品种绝大多数为添加型抗静电剂，其中聚乙烯、聚丙烯等聚烯炷没药树消耗量最大，聚苯乙烯，ABS等苯乙烯类树脂和PVC居次。

应用

防静电保护管

抗静电热塑性聚氨酯具有硬度变化范围宽、断裂伸长率高、高回弹性、耐磨性、耐撕裂、耐低温性、耐油、耐非极性和弱极性溶剂性能好、可长期于户外使用等特点。抗静电TPU可用于制造输送粉末状物的抗磨损防静电保护管。该软管坚固耐用并且非常柔软，即使在低温环境下仍然能保持良好的柔韧性，适用于磨损性很强的重质物料输送。该防静电软管通过螺旋钢丝接地可以消散静电电荷，其表面电阻小于/M，适用于需要永久性排静电的生产场合（机械、液压、气动、电力设备使用过程中有可能因静电导致爆炸发生的生产环境）的气体、烟雾、磨损性物料（如灰尘、粉末、纤维、碎屑和粒状物等）的吸排和传输。

防静电鞋

防静电鞋是电子半导体器件、电子计算机、电子通信设备和集成电路等微电子工业的生产车间和高级实验室为减少或消除静电危害而穿着的一种工作鞋。防静电鞋可以将静电从人体导向大地，从而消除人体静电，同时还能有效地抑制操作人员在无尘室中的走动所产生的灰尘。使用抗静电热塑性聚氨酯鞋底制作的防静电鞋，能够把身体上因摩擦所产生的静电通过鞋子导入地下，不会产生火花或因带静电而沾上灰尘。

抗静电氨纶

近年来巴斯夫公司开发了牌号为Elastostat的抗静电TPU，该TPU具有永久的抗静电效果，冲击性能高且易与非极性聚合物相容。这种抗静电TPU母料扩大了产品的应用领域，特别是在聚烯炷工业包装、汽车工业中的防尘及电子产品包装时的防电磁干扰方面作用效果尤其显著。随着氨纶应用领域的扩大，消费者对舒适保健意识逐渐增强，开发各种多功能面料已引起世界各国的重视，其中抗静电功能面料尤为重要。氨纶由于自身的吸湿性小且摩擦因数大，其抗静电效果较差，在使用过程中产生静电会造成断丝、张力不均等问题，影响生产效率和产品品质。目前全球氨纶三大制造巨头一一美国英威达、韩国晓星和日本旭化成均开发了各具特色的抗静电氨纶产品。

评价方法

抗静电剂的抗静电效果是评价一个抗静电剂性能构主要依据。测试抗静电费I效果有三种常用的方法：（1）测定塑料、纤维的表面电阻率或体积电阻率。（2）测定塑料、纤维经摩擦后的带电状况，如电量、电压及其衰减。（3）将外部高压(1000-12000伏特)加到塑料、纤维布上使之带电后，用示波器观察其电压的衰减，以半衰期作为抗静电效果优劣的尺度。

表面电阻率和体积电阻率的测定

由于电阻率与带电性有密切的关系，而且测定时重复性好，所以在研究抗静电剂时多以电阻率的高低来衡量抗静电效果的优劣。例如在一般情况下，纤维的表面电阻率为欧姆的数量级时即认为有良好的抗静电性。

由于表面电阻率和体积电阻率是被测试样的固有性质、与试样的形状、电极的面积、间隙等无关。但试料表面与电极表面应接触良好，如果接触不良则测得的电阻值将比实际电阻值大。常采用的测试电压为500伏特，待通电一分钟后测定。

就塑料而言表面电阻和体积电阻两者之间的差别是明显的，且它们可以分别单独测定。至于纤维这种差别就远不明显了，而且也不能分别单独测定。测定纤维的表面电阻率时，先将纤维织成布，然后像测定塑料试片一样的测定布的表面电阻率，并以此作为纤维的表面电阻率。

摩擦带电的测定方法

根据塑料、纤维等经摩擦后的带电状况（如电量、电压及其衰减）来评价抗静电剂的效果也是广泛采用的一种方法。然而用摩擦带电测定方法所测得的结果重复性较差，且摩擦热容易引起试料表面状态的变化和有机高分子化合物的断裂，因此测定耐操作要熟练。没有平坦表面的塑料制品、地毯等不能用摩擦带电的方法测定。测定摩擦带电的方法很多，所使用的仪器也各不相同。由于是摩擦带电，所以测定结果与所用的摩擦体有密切的关系。

高压静电衰减试验

将外部高压(1000-12000V)加到塑料、纤维布上使之带电后，用示波器观察其电压的衰减，以半衰期的长短来评价其静电消散的难易。

参考资料

表面活性剂类抗静电剂.中国大百科全书.2023-12-30