在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)及日常生活中，靜電危害往往造成重大損失和災難。防止聚合物表面產(chǎn)生靜電的方法主要有空氣離子化法、加濕法、金屬接觸放電法、輻射線法、導電物質(zhì)導入法、表面形成吸濕膜法、化學處理變性法及應用抗靜電劑等。
其中，主要應用于塑料制品使用過程中的是摻入導電物質(zhì)和添加抗靜電劑。
加入的導電物質(zhì)一般為金屬粉或金屬短纖維、導電炭黑、導電聚合物短纖維等，能使制品具有良好的導電性（表面電阻率＜106Ω）或抗靜電性（表面電阻率在106~108Ω之間）。金屬化合物的抗靜電效果較好，但是價格較高，普通制品承受不了。
目前應用最多的抗靜電方式是添加抗靜電劑。抗靜電劑是一種能防止產(chǎn)生靜電荷，或能有效地消散靜電荷的以表面活性劑為主體的化學添加劑。使用抗靜電劑的方式是在制品表面涂覆或內(nèi)添加。
從抗靜電性能的檢測和評價指標表面電阻率可用于區(qū)分抗靜電材料和導電材料的區(qū)別，如表1所示：
表1 導電材料和抗靜電材料的表面電阻率/Ω（23℃，RH50％）
| 導電材料 |
靜電消散材料 |
抗靜電材料 |
絕緣材料 |
|
＜106 |
106~108 |
108~1012 |
＞1012 |
|
＜106 |
106~109 |
109~1012 |
＞1012 |
|
＜106 |
106~108 |
108~1013 |
＞1013 |
目前就導電、抗靜電材料的分界線說法不一，導電材料與靜電消散材料之間的界限為105或106Ω，靜電消散材料與抗靜電材料之間的界限為108或109Ω，抗靜電材料與絕緣材料之間的界限為1012或1013Ω。
美國是抗靜電劑最大生產(chǎn)和消費國，主要采用羥乙基化脂肪胺、季銨鹽化合物、脂肪酸酯類抗靜電劑，用于聚烯烴、聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS、聚碳酸酯等。歐盟也是生產(chǎn)和消費抗靜電劑的主要地區(qū)，所用抗靜電劑中50%為羥乙基化脂肪胺，25%為脂肪烴磺酸鹽，25%為季銨鹽和脂肪酸多元醇酯。日本多用非離子型和陽離子型抗靜電劑，其中20%用于PVC，30%用于PP。
我國抗靜電劑發(fā)展較快，主要是塑料工業(yè)用高效無毒抗靜電劑、合成纖維工業(yè)用高效多功能抗靜電劑及表面處理劑。
一、影響抗靜電效果的因素
1．分子結構和特征基團性質(zhì)及添加量
抗靜電劑的效果首先取決于它作為表面活性劑的基本特性――表面活性。表面活性與分子中親水基種類、憎水基種類、分子的形狀、分子量大小等有關。當抗靜電劑分子在相界面上作定向吸附時，就會降低相界面的自由能及水和塑料之間的臨界接觸角。這種吸附作用，不僅與基體的性質(zhì)有關，而且還與表面活性劑的性質(zhì)有關。根據(jù)極性相似規(guī)則，表面活性劑分子的碳氫鏈部分傾向與高分子鏈段接觸，極性基團部分傾向與空氣中的水接觸。高分子材料作為疏水材料，抗靜電劑在其表面的主要作用就是形成規(guī)則的面向空氣中的水的親水吸附層。
在空氣濕度相同的情況下，親水性好的抗靜電劑會結合更多的水，使得聚合物表面吸附更多的水，離子電離的條件更充分，從而改善抗靜電效果。
通過質(zhì)子置換，也能發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移。含有羥基或氨基的抗靜電劑，可以通過氫鍵連成鏈狀，在較低的濕度下也能起作用。在干燥的空氣環(huán)境中，若要求塑料制品成型之后立即發(fā)揮抗靜電性，采用多元醇單硬脂酸酯抗靜電劑非常有效。圖1給出了以上兩種類型的抗靜電劑的典型應用實例。只有在相對濕度50％的環(huán)境中貯存一段時間之后，聚丙烯中的羥乙基烷基胺才表現(xiàn)出最佳的抗靜電效果，而且受濕度的影響非常大。硬脂酸單甘油酯在加入之后立即產(chǎn)生抗靜電效果且不受濕度的影響，但是隨著貯存時間的延長，其作用效果明顯下降。
圖1抗靜電特性隨時間變化（1mm厚PP注塑板）
R0―表面電阻；t―時間
1-無抗靜電劑；2-0.5份單硬脂酸甘油酯；3-0.15份羥乙基烷基胺（C12~C14） |
適當?shù)奶砑觿┙M合可以使高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度聚合物具有更好的抗靜電效果。單硬脂酸甘油酯和羥乙基烷基胺復合使用可以使表面積較大的聚烯烴產(chǎn)品，如取向膜迅速發(fā)揮抗靜電效果，而且具有長期持續(xù)的效用（見圖2）。
圖2 1mm厚注塑的裝飾用板盤中不同抗靜電劑之間的協(xié)同效應
R0―表面電阻；t―時間
1-無抗靜電劑；2-甘油單硬脂酸酯0.5份；3-羥乙基烷基胺（C12~C14）0.15份
4-甘油單硬脂酸酯0.35份＋羥乙基烷基胺0.15份 |
添加型抗靜電劑效果決定于添加劑向塑料制品表面的遷移速率。當塑料制品表面被一層連續(xù)的導電層覆蓋時，電荷的衰減才達到最佳。
抗靜電劑的分子量太高，不利于它向高聚物表面遷移；分子量太低，耐洗滌性和表面耐摩擦性不佳。通常抗靜電劑的分子量比高聚物分子量小得多。加入低分子量物質(zhì)可能會使高聚物材料的物理機械性能惡化。為了減少這種不良影響，抗靜電劑的一般添加量為0.3%~2.0%。抗靜電劑的添加量還視制品用途而異。
CMC（臨界膠束濃度）值是表面活性劑表面活性的一種量度。CMC值越小，表面活性劑達到表面（界面）吸附的濃度越低，或形成膠束所需濃度越低，因此抗靜電性的起效濃度也越低。不同結構的抗靜電劑添加量不同，并且隨制品形式的不同而不同。添加量有一個范圍。過低，抗靜電效果不明顯，過高，會影響材料的物理機械性能。薄膜、片材等薄制品的添加量較少，厚制品的添加量則相對較多。
抗靜電劑與聚合物的相容性遵循極性相近相容原理。高分子材料都具有長碳鏈結構，多屬非極性樹脂，有的具有極性端基，增強了極性。抗靜電劑同時具有憎水基（非極性）和親水基（極性）。一般憎水基碳鏈越長，與聚合物的相容性越好。親水基若極性很強，則與聚合物的相容性不好；若極性較弱，則親水吸附性較差。相容性太好，抗靜電劑不易遷出，達不到抗靜電效果；相容性不好，遷出太快，持效期太短，影響長期使用。因此在設計和使用抗靜電劑時需要考慮上述因素，通過實驗篩選抗靜電劑的品種及最佳使用量。
2．基材樹脂
除表面活性劑的結構和性能外，抗靜電性還與高聚物的結構、玻璃化溫度、結晶性能、介電常數(shù)及表面性能等有關。表面性能中除表面形狀、多孔性等以外，最主要的是表面能或表面張力。
在選擇涂覆型抗靜電劑時，抗靜電劑的表面張力應等于或小于被涂覆高聚物固體的臨界表面張力，才能得到良好的鋪展?jié)櫇窈驼掣叫Ч１?列出了一些高聚物的臨界表面張力σC。
表2 某些高聚物的σC（20℃）
|
高聚物 |
σC／mN?m-1 |
|
聚四氟乙烯 |
18 |
|
聚乙烯 |
31 |
|
聚苯乙烯 |
33 |
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聚氯乙烯 |
39 |
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聚偏氯乙烯 |
40 |
|
滌綸 |
43 |
|
錦綸66 |
46 |
此外，基材樹脂的結構、結晶度和取向度（伸長率）、密度、孔隙率對抗靜電效果也具有較大影響。抗靜電劑只能存在于高聚物的非晶區(qū)域，并在其中活動。聚合物分子鏈的規(guī)整性越好，越容易結晶；結晶度越大，密度越大，則非結晶區(qū)越小，抗靜電劑可活動的區(qū)域越小，致使其向外遷出困難。
對于聚烯烴，加入抗靜電劑的LDPE在加工后很快就顯現(xiàn)抗靜電效果并達到平衡。HDPE呈現(xiàn)一定滯后，而PP則很慢才出現(xiàn)抗靜電效果（見圖3）。由圖還可清楚看到，羥乙基烷基胺類抗靜電劑分子鏈越長，遷移越慢，且抗靜電效果隨加工方法的不同而不同。
圖3 抗靜電劑鏈長（羥乙基烷基胺）和聚烯烴結構對抗靜電效果的影響
R0―表面電阻；t―時間
1-LDPE；2-PP；3-HDPE；4-PP＋0.15份羥乙基烷基胺（C18）；
5-PP＋0.15份羥乙基烷基胺（C12~C14）；6-HDPE＋0.15份羥乙基烷基胺（C18）；
7-LDPE＋0.15份羥乙基烷基胺（C18）；8-LDPE＋0.15份羥乙基烷基胺（C12~C14） |
高聚物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度會直接影響抗靜電劑分子向表面遷移。玻璃化溫度低的高聚物，在室溫下其鏈段能“自由”運動。這種運動能促進鏈段周圍的抗靜電劑分子遷移至表面。玻璃化溫度高的高聚物，在室溫下鏈段處于“凍結”狀態(tài)，不利于抗靜電劑分子遷移。
3．其它添加劑的影響
高聚物材料加工時，往往要添加一些穩(wěn)定劑、顏料、增塑劑、潤滑劑、分散劑或阻燃劑等助劑。這些添加劑與抗靜電劑的相互作用也會對抗靜電效果產(chǎn)生很大影響。例如陰離子型穩(wěn)定劑會與陽離子型抗靜電劑形成復合物，從而降低各自的效果。潤滑劑通常能很快遷移到高聚物表面上，抑制了抗靜電劑的轉(zhuǎn)移。若潤滑劑分子層覆蓋在抗靜電劑分子層上，會使抗靜電劑表面濃度降低，顯著影響抗靜電效果；有時由于潤滑劑的影響，也會促進抗靜電劑向表面轉(zhuǎn)移。增塑劑會增加大分子鏈間的距離，使分子運動更為容易，提高了高聚物的孔隙率，有利于抗靜電劑向制品表面遷移發(fā)揮抗靜電作用。有些增塑劑會降低高聚物的玻璃化溫度，也可使抗靜電劑的效果增大。抗靜電劑與各種添加劑的影響大小，事先很難預測，目前大多數(shù)是通過實驗來選用最合適的抗靜電劑和用量。
分散劑、穩(wěn)定劑及顏料等無機添加劑，一般都有較強的吸附能力，使抗靜電劑難以遷移到表面上，對抗靜電劑的擴散遷移具有反作用，抗靜電效果會變差。大多數(shù)無機添加劑都是細小的微粒，具有較大的表面積，易吸附抗靜電劑，使其不能有效地發(fā)揮抗靜電作用。顏料微粒則容易富集在抗靜電劑周圍，影響其向外擴散。例如，相同抗靜電劑濃度的ABS中加入二氧化鈦后，抗靜電作用降低。不同無機填料的吸附性不同，對抗靜電效果發(fā)揮的影響也不一樣。
此外，高聚物組分中的彈性體也會使抗靜電劑的效能變差。例如在聚丙烯與橡膠的復合材料中，發(fā)現(xiàn)抗靜電劑富集在橡膠組分周圍，使其難于遷移到表面。
4．加工過程的影響
聚合物制品的加工方式最終會影響制品中高分子鏈的規(guī)整程度、結晶度、結晶形態(tài)及有序化程度。若高聚物在熔融狀態(tài)下成型后，立即在低于其玻璃化溫度的室溫下進行冷卻，抗靜電劑就很難擴散到制品表面，從而沒有足夠的抗靜電效果。若制品在高于玻璃化溫度的溫度下冷卻，由于大分子鏈段運動有助于抗靜電劑擴散，這樣不僅制品能呈現(xiàn)出足夠抗靜電效果，而且即使用摩擦或水洗除去表面上的抗靜電劑，也能較迅速恢復其抗靜電效果。
5．環(huán)境的影響
添加型抗靜電劑發(fā)揮抗靜電效果大多是靠吸附水作為離子的電離場所來進行導電，因此空氣濕度的大小將對抗靜電效果產(chǎn)生較大的影響。表3顯示了塑料的表面電阻率與環(huán)境相對濕度的關系。
表3 塑料的表面電阻率（ρs）與相對濕度（RH）的關系
|
原料名稱 |
表面電阻率，ρs/Ω |
|
R.H． 30% |
R.H． 60% |
R.H． 90% |
|
聚苯乙烯 |
＞5×1016 |
＞5×1016 |
＞5×1016 |
|
聚乙烯 |
＞5×1016 |
＞5×1016 |
＞3×1010 |
|
聚甲基丙烯酸甲酯 |
＞5×1016 |
＞5×1016 |
7×1015 |
|
乙基纖維素 |
＞5×1016 |
＞5×1016 |
3×1015 |
|
氯乙烯-偏二氯乙烯共聚物 |
＞5×1016 |
＞3×1015 |
2×1011 |
|
尿素樹脂 |
＞5×1016 |
＞9×1014 |
2×1012 |
|
聚酰胺 |
＞5×1016 |
1014 |
1013 |
|
三聚氰胺 |
＞5×1015 |
1014 |
1013 |
|
酚醛樹脂 |
＞7×1014 |
＞5×1014 |
2×1013 |
聚烯烴的抗靜電效果隨濕度的變化關系見圖4。
圖4 低密度聚乙烯中抗靜電劑的作用效果隨濕度的變化關系 |
由上圖可看出，濕度的不同會帶來抗靜電性能的差異。在濕度較小（2％）的情況下，即使添加有抗靜電劑，制品表面也不能形成具有相當厚度的電離水層，不能給抗靜電劑提供充分的電離場所，也就無法體現(xiàn)抗靜電效果。因此抗靜電劑通常需要一個最低濕度以保證其抗靜電作用的發(fā)揮。