خانه / متفرقه ها / خواص انتی استاتیک ها
خواص انتی استاتیک ها

خواص انتی استاتیک ها

وآوری‌ها در زمینه‌ی افزودنی‌های آنتی استاتیک

برگردان: مهندس احسان قنادیان
مقدمه
از دیرباز ایجاد بار ساکن بر روی سطوح بسپارهای نارسانا موضوعی شناخته شده بوده است. به عنوان نمونه مواد پلاستیکی دارای ترکیبی از مقاومت سطحی بالا (۱۰۱۴ تا ۱۰۱۶ اُهم در دمای ۲۰ درجه‌ی سانتی‌گراد و رطوبت نسبی ۵۰ درصد) و ثابت دی الکتریک کم (۱۰۶ × ۳-۲ هرتز) هستند. این مواد به راحتی دستخوش تجمع بار شده و می‌توانند پتانسیل تخلیه باری (در هوا) به بزرگی V/cm 15000 به دست آورند. آستانه آسیب دیدن در بسیاری از وسایل در حد چند صد V/cm می‌باشد. حضور چنین سطوح بسپاری باردارشده‌ای می‌تواند منجر به نتایج زیر در حین تولید و یا طول عمر محصول گردد:
• مشکلات تولید و شکل دهی
• نقایص پوشرنگ زنی
• عملکرد و جلوه‌ی ناشی از آلودگی گرد و غبار در محصول نهایی
• افزایش خطر آتش گیری یا انفجار
• تخریب وسایل الکترونیکی به وسیله‌ی تخلیه‌ی بار الکتریکی
• اختلال در شبکه‌های الکترونیکی، رادیو و تلویزیون

شکل ۱: یک نمونه جهت آماده‌سازی برای عملیات الکترو-ریسندگی (مأخذ: اصلاح کننده‌های بسپاری DuPont)
مشکلات متعددی که در اثر تجمع بار روی سطوح بسپاری ایجاد می‌شود را می‌توان با به کار گیری عوامل آنتی استاتیک کاهش داد. میزان بار ساکن تجمع یافته بر روی بسپار تابعی از قابلیت رسانایی یا مقاومت ویژه‌ی آن بسپار است.
سه نوع از مواد را می‌توان به منظور افزایش قابلیت رسانایی پلاستیک‌ها و جلوگیری از تجمع بار به کار برد:
۱- پوشش‌های آنتی استاتیک خارجی
۲- افزودنی‌های آنتی استاتیک داخلی
۳- پرکننده‌های رسانا

پوشش‌های خارجی بر پایه افزودنی‌های آنتی استاتیک
افزودنی‌های آنتی استاتیک خارجی یا موضعی در یک محمل حلالی مناسب حل می‌شوند و به عنوان یک پوشش بر روی سطح پلاستیک به روش افشانش یا غوطه‌وری اعمال می‌گردند. هرچند در این روش به مقادیر نسبتاً کمی از افزودنی نیاز است و دارای تأثیر فوری نیز می‌باشد، اما این تأثیر موقتی است و ویژگی‌های آنتی استاتیک هنگامی که سطح شستشو یا توسط چیزی مالش داده می‌شود، کاهش می‌یابد. همچنین این مواد ممکن است با مهاجرت از سطح به داخل بسپار از دست بروند. مشکلات چاپ یا آب بندی نیز ممکن است در صورتی که پوشش به طور یکنواخت اعمال نشده باشد رخ دهد. ترکیبات آمونیوم نوع چهارم جزء پرکاربردترین آنتی استاتیک‌های موضعی هستند. با این وجود انواع افزودنی‌های آنتی استاتیک داخلی، به علاوه انواع رطوبت‌گیرها یا انواع مواد قطبی نیز در صورتی که قابلیت پراکنش در سامانه های آبی یا الکل/ آبی را داشته باشند می‌توانند به طور مشابه استفاده شوند.

افزودنی‌های آنتی استاتیک داخلی
افزودنی‌های آنتی استاتیک داخلی در حین تولید ماده‌ی بسپاری وارد ماتریس بسپار می‌شوند. پس از آن عامل آنتی استاتیک به سطح بسپار رفته و در آن جا یک لایه مولکولی یکنواخت تشکیل می‌دهد. بخش غیر قطبی این مولکول‌ها همچنان متصل به بسپار باقی می‌مانند در حالی که بخش قطبی افزودنی به خارج بسپار پرتاب شده و با جذب رطوبت هوا یک فیلم رسانای نازک تشکیل می‌دهد مشروط بر اینکه رطوبت هوای اطراف کافی باشد. اگر رطوبت نسبی بسیار پایین باشد این مواد کارایی خود را از دست می‌دهند. بنابراین رطوبت نسبی هوا بر کارایی این افزودنی‌های بسیار مؤثر می‌باشد.

شکل ۲: عملکرد افزودنی آنتی استاتیک داخلی (مأخذ: شرکت CIBA)
سرعت گسترش اثر آنتی استاتیکی و دوام این اثر عمدتاً تابعی است از دو عامل: سرعت مهاجرت افزودنی و سرعت حذف آن از سطح بسپار. سرعت مهاجرت افزودنی به عوامل زیر بستگی دارد:
• سازگاری: اگر عامل آنتی استاتیک با بسپار بسیار سازگار باشد، مهاجرتی به سطح بیرونی نخواهد کرد و بنابراین اثر مطلوب ما را نخواهد داشت، برعکس اگر سازگاری کم باشد مهاجرت زیادی اتفاق خواهد افتاد که منجر به ایجاد یک سطح چرب می‌شود.
• میزان بلورینگی بسپار: افزودنی آنتی استاتیک به سادگی از میان فاز بی ریخت بسپار عبور می‌کند بنابراین یک افزودنی آنتی استاتیک در پلی اتیلن با بلورینگی پایین بهتر عمل می‌کند تا در پلی پروپیلن.
• فرمول بندی افزودنی: موادی مثل پرکننده‌ها و رنگدانه‌ها افزودنی‌های آنتی استاتیک را جذب می‌کنند در حالی که افزودنی‌هایی مثل لیزکننده‌ها به افزودنی آنتی استاتیک در مهاجرت به سمت سطوح بسپار کمک می‌کنند.
• غلظت آنتی استاتیک: غلظت‌های بالاتر سرعت مهاجرت را افزایش می‌دهند.
• دما: افزودنی‌های آنتی استاتیکی تحرک بیشتری در دمای بالاتر دارند و این به معنی مهاجرت بیشتر است.
بسته به نوع پلاستیک، تعداد متنوعی از مواد افزودنی آنتی استاتیک مصرف می‌شوند. اغلب آ‌ن‌ها انواع دی – هیدروکسی‌های بر پایه‌ی مشتقات نفتی/روغنی می‌باشند که شامل N,N- دی اتوکسی آمین‌ها، محصولات دی اتانول آمید و تک استرهای گلیسرول می‌باشند. بعضی از انواع اتوکسیلات‌های غیر یونی نیز مثل دیگر انواع قطبی مانند نمک‌های اسید سولفونیک و ترکیبات آمونیوم نوع چهارم به طرز موفقیت آمیزی به کار برده شده‌اند. مونو استئارات گلیسرول و آمین‌های اتوکسیله شده که بیش از نیمی از بازار آنتی استاتیک‌های مرسوم را در سیطره دارند عمدتاً در پلی اولفین‌ها کاربرد دارند. در رطوبت‌های نسبی بالاتر از ۵۰ درصد، انواع محتوی هیدروکسیل بسیار مؤثر هستند، اما در رطوبت‌های نسبی پایین‌تر از ۱۵ درصد، گروه‌های آمین اتوکسیله شده مؤثرترند.

پرکننده‌های رسانا
استفاده از پرکننده‌های رسانا مانند دوده در ماتریس بسپاری، به شرطی که مقاومت سطح بسپار کمتر از ۸ ۱۰ اُهم باشد بسیار متداول است. پرکننده‌های رسانا به منظور عامل آنتی استاتیکی در موارد زیر به کار برده می‌شوند:
• در مواردی که امکان انفجار وجود دارد مثل استخراج معدن و انتقال حلال‌ها یا کالاهای پراکنده شده ریز مثل بسپارهای پودری.
• در مکان‌های حساس فیزیولوژی مثل اتاق‌های عمل بیمارستانی یا در رشته‌های مهندسی بسیار دقیق.
• جهت ساخت تراشه‌های الکترونیکی با این ویژگی که در برابر تخریب توسط جرقه‌های حاصل از تخلیه‌ی بار در حین حمل و نقل به خوبی محافظت شوند.
• بر روی صفحه‌ی نمایش در برابر امواج الکترو مغناطیس مانند پوشش‌های محافظ دستگاه‌های الکترونیکی.
این مواد به دلیل در بر داشتن دوده عیب “سیاه شدن” را به بسپار تحمیل می‌کنند و استفاده از آن‌ها در کاربردهای شفاف و رنگی امکان‌پذیر نیست.

افزودنی‌های آنتی استاتیک دائمی
جهت به دست آوردن کارایی طولانی مدت می‌بایست ویژگی‌های آنتی استاتیکی تا اتمام عمر محصول باقی بمانند. اغلب افزودنی‌های آنتی استاتیک معمول (هم داخلی و هم بیرونی) با جذب رطوبت از هوا و تشکیل یک لایه رسانا از رطوبت بر سطح بسپار عمل می‌کنند. این مواد برای داشتن بازدهی مناسب به رطوبت نسبی حداقل ۱۵ درصد نیازمندند و به تدریج کارایی خود را با گذر زمان از دست می‌دهند زیرا افزودنی تمایل به مهاجرت به سطح دارد و پس از مدتی دچار سایش فیزیکی یا تبخیر می‌گردد. مواد دیگری هم که اثر ماندگارتری دارند به پرکننده‌های رسانایی مثل دوده وابسته‌اند که عیوب رنگی گفته شده را شامل می‌گردند. در مقابل، افزودنی‌های آنتی استاتیک دائمی معمولاً بر پایه‌ی بسپارهای ذاتاً رسانا می‌باشند که در حین فرآیند یک شبکه‌ی پیوسته‌ای در درون ماتریس بسپار تشکیل می‌دهند. این افزودنی‌ها فوراً شروع به عمل می‌کنند و از آن‌جا که وابسته به مهاجرت به سطح بسپار نیستند بنابراین مهاجرت نمی‌کنند و از سطح بسپار جدا نمی‌شوند و بنابراین ویژگی آنتی استاتیک باقی می‌ماند.

پیشرفت‌های افزودنی آنتی استاتیک
بسیاری از افزودنی‌های آنتی استاتیکی که اخیراً تولید می‌شوند از ویژگی‌های آنتی استاتیکی دائمی مستقل از رطوبت هوا برخوردارند. اخیراً شرکت Dupont دو محصول جدید از افزودنی‌های آنتی استاتیک دائمی به نام‌هایEntira Antistat SD 100 و Entira Antistat 500را معرفی کرده است. این افزودنی‌ها، ماندگاری را تضمین می‌کنند و جهت محافظت سطح بسپارها از گرد وغبار و ایجاد یک سطح تمییز مورد استفاده قرار می‌گیرند. همچنین در کاربرهای متنوعی از محصولات آرایشی – بهداشتی گرفته تا محصولات صنعتی و قطعات الکترونیکی به کار می‌روند. این افزودنی‌های جدید مستقیماً وارد بسپار می‌شوند و به منظور به دست آوردن خواص آنتی استاتیکی آنی و دائمی و همچنین به دست آوردن سطح صاف و شفاف جهت چسبندگی خوب و چاپ پذیر مورد استفاده قرار می‌گیرند. همچنین این افزودنی‌ها را می‌توان در یک لایه مجزا به کار برد بدون اینکه به لایه‌ی دیگری مهاجرت داشته باشند.

شکل۳: افزودنی آنتی استاتیک بسپاریEntires As Dupont به شدت مقاومت سطح را کاهش می‌دهد
(ماخذ: اصلاح کننده‌ی بسپاری Dupont)
افزودنی آنتی استاتیک جدید شرکت Arkema به نام Pebax MX 1948 یک همبسپار پلی اتر آمید می‌باشد که اختصاصاً جهت استفاده در پلی وینیل کلریدها و پلی اولفین ها طراحی شده است زیرا دماهای فرآیندی پایین‌تری را نیاز دارد. افزودنی آنتی استاتیک Pebax یک شبکه رسانای یونی سه بعدی در داخل ماتریس بسپاری تشکیل می‌دهد و به این صورت به بسپار اجازه می‌دهد بارها را بپراکند. Pebax MX 1948 ویژگی آنتی استاتیکی دائمی ایجاد می‌کند بدون اینکه از افزودنی‌های آلی، معدنی و فلزی استفاده شود، عملکردش مستقل از رطوبت هواست، بر رنگ ماتریس تأثیر نمی‌گذارد و به مرور زمان پاک یا ساییده نمی‌شود. این افزودنی در مقادیر ۱۰ تا ۲۰ درصد وزنی به بسپار افزوده می‌شود و مقاومت دائمی در حدود ohms/sq 1012- 109 ایجاد می‌کند و انتظار می‌رود در کاربردهای پزشکی، دارویی و الکترونیکی استفاده شود.

شکل ۴: نمودار مقاومت سطح بر حسب زمان (ماه) و رطوبت نسبی در هوا (ASTM D257) برای افزودنی Pebax (مأخذ: Arkema)
شرکت Sanyo Chemical نیز به تازگی افزودنی آنتی استاتیک دائمی تولید کرده است که بر پایه‌ی پلی آمید یا پلی اولفین و شامل سگمنت‌های پلی اتر ویژه می‌باشد. این افزودنی نیز با تشکیل یک شبکه بسپاری رسانا در داخل بسپار گرمانرم میزبان، کارایی پراکنده‌سازی بار ساکن را به صورت دائمی در بسپار‌های گرمانرم به وجود می‌آورد (مقاومت سطحی ohms/sq 1012- 109). این افزودنی را در سامانه‌های با پایه‌ی بسپاری گوناگون از جملهPETG ,PBT ,Acetal Nylon ,HIPS ,PS ,PC/ABS ,ABS و پلی اولفین می‌توان به کار برد.

شکل ۵: اثر مقادیر مختلف افزودنی Pelestat 300 بر مقاومت سطحی پلی پروپیلن (مأخذ: Sanyo Chemical)
پیشرفت‌ در زمینه آنتی استاتیک منجر به بهبود افزودنی‌های آنتی استاتیک موجود نیز می‌شود. به عنوان مثال شرکت Akzo Nobel شکل جدیدی از محصول قبلی خود به نام Armostat 2000 ارائه کرده است. این محصول جدید Armostat 2002 نام دارد و به شکل قرص و حاوی لوریک دی اتانول آمید می‌باشد. این محصول با استفاده از فناوری شکل دهی ویژه‌ای تولید شده است و بنابراین نقص توده شوندگی کمتری درحین انبارداری، حمل و نقل و استفاده برای این محصول پیش می‌آید و همچنین توزین این محصول در فرآیند تولید بسپار با استفاده از سامانه‌های خوراک دهی جامد راحت تر صورت می‌پذیرد. در مورد عوامل آنتی استاتیکی که در دمای ۴۵ درجه سانتی‌گراد ذوب می‌شوند و به شکل جامد شده عرضه می‌گردند می‌بایست از حمام‌های ذوب و سامانه‌های توزین مایع استفاده کرد، و در دماهای زیر ۲۵ درجه سانتی‌گراد نقصcaking اتفاق می‌افتد. در مقایسهArmostat 2002 خواص non-caking عالی تا دمای ۳۵ درجه سانتی‌گراد از خود نشان می‌دهد.

تولیدکنندگان افزودنی آنتی استاتیک
آدرس اینترنتی نام تجاری سازنده
www.akzonobel-polymerchemicals.com Armostat
Nourymix Akzo Nobel
www.pebax.com Pebax Arkema Inc.
//worldaccount.basf.com Larostat BASF
www.chemtura.com Markstat Chemtura Corporation
www.ciba.com Irgastat Ciba Corporation
www.clariant.com Hostastat Clariant
www.uniqema.com Atmer Croda (Uniqema)
www2.dupont.com/Entira/en_US/ Entira Dupont Polymer Modifiers
www.experts4additives.com Statexan Lanxess
www.nissanchem.co.jp/english Aluminasol Nissan Chemical
www.pcc-chemax.com/polymer.html Chemstat PCC Chemax
www.sanyo-chemical.co.jp/product/pelestat/eng/
www.pelestat.com Pelestat Sanyo Chemical/Tomen America, Inc.
www.stepan.com Zelec Stepan Company
شکل ۶: لیست تولیدکنندگان افزودنی‌های آنتی استاتیک

نتیجه گیری
پیشرفت افزودنی‌های آنتی استاتیک نقش مهمی را در کارایی پلاستیک‌ها در کاربردهای بسته‌بندی، آرایشی-بهداشتی، غذا، ابزار پزشکی و الکتریکی – الکترونیکی ایفا می‌کند. افزودنی‌های آنتی استاتیک خارجی که به صورت پوشش خارجی بر روی سطح پلاستیک به کار برده می‌شوند در مقادیر نسبتاً کم مصرف می‌شوند و خواص آنی و البته موقتی دارند و در اثر شستشو یا سایش از بین می‌روند. مشکلات چاپ و آب بندی نیز در صورتی که پوشش نایکنواخت اعمال شده باشد نیز اتفاق می‌افتد. در صورتی که افزودنی‌های آنتی استاتیک داخلی پایداری طولانی‌تری دارند و دوام آن‌ها به سرعت مهاجرت به سطح بسپار و سرعت حذف از سطح بسپار بستگی دارد. پیشرفت‌های اخیر منجر به ساخت افزودنی‌هایی شده است که مهاجرت از میان بسپار در آن‌ها اتفاق نمی‌افتد بلکه با تشکیل یک شبکه در داخل بسپار خواص آنتی استاتیک دائمی ایجاد می‌کنند که مستقل از رطوبت هواست. البته این مواد آنتی استاتیک می‌بایست با دقت بالایی برای تشکیل شبکه مورد استفاده قرار گیرند و نسبت به افزودنی‌های آنتی استاتیک مرسوم گران‌تر هستند.

واژه های اختصاصی
افزودنی آنتی استاتیک
مقاومت سطح
ثابت دی الکتریک
پتانسیل تخلیه‌‌ی بار
قابلیت رسانایی
مقاومت ویژه
پوشش آنتی استاتیک خارجی
افزودنی آنتی استاتیک داخلی
پرکننده‌ی رسانا
الکترو- ریسندگی Antistatic additive
Surface resistivity
Dielectric constant
Discharge potential
Conductivity
Specific resistivity
External antistatic coating
Internal antistatic additive
Conductive filler
Electrospinning

درباره mahanchemical.co

مهندس شیمی پانزده سال تدریس شیمی تولید کننده مواد شیمیایی در قم متولد تیر چهل وسه

پاسخ بدهید