عضویت در سایت

فراپلیمر شریف

انتخاب عوامل آنتی استاتیک (ضد الکتریسیته ساکن) مناسب برای پلیمرها

عوامل آنتی ­استاتیک با دو هدف کلی کنترل بارهای ساکن در طول مراحل مختلف فرآیند و تولید پلیمرها و یا ارائه­ یک محافظت طولانی مدت در برابر بارهای ساکن بر اساس کاربردهای نهایی، به کار گرفته می­ شوند. اما انتخاب یک افزودنی مناسب برای محصول مورد نظر از بین محصولات مختلف موجود در بازار بسیار حائز اهمیت است. در این مقاله به بررسی جامع جنبه­ های مهم مربوط به مواد آنتی­ استاتیک و شیمی آن­ ها، همراه با عواملی که بر انتخاب آنتی ­استاتیک­ ها اثر می ­گذارند، از جمله سازگاری آن­ها با پلیمرهای مختلف مانند پلی­ اولفین­ ها، پلی­ استرها، پلی آمیدها، و موارد دیگر پرداخته شده است.

همه ما با پدیده الکتریسیته ساکن و تجمع آن در قطعات مختلف آشنا هستیم و هم­چنین تجربه­ تخلیه­ بار الکتریکی را داشته ­ایم. این پدیده در اصل به مقاومت الکتریکی مواد مربوط می­ شود. مواد پیرامون ما بر اساس مقاومت الکتریکی­شان به چهار دسته­ رسانای الکتریسیته، اتلاف ­کننده­ الکتریسیته، آنتی ­استاتیک ­ها و عایق­ های الکتریسیته تقسیم می ­شوند.

با اینکه با اضافه کردن افزودنی­ های مناسب می ­توان به پلیمرهایی با میزان مقاومت الکتریکی متفاوت دست یافت، اما به طور کلی پلاستیک­ ها به لحاظ الکتریکی موادی عایق هستند و بسته به مقاومت سطحیشان می ­توانند در معرض تجمع و تخلیه­ بار الکتریکی قرار بگیرند.

 آنتی ­استاتیک­ ها موادی هستند که تجمع بار الکتریکی ساکن را، به خصوص در سطح پلیمر، کنترل می­ کنند.

پدیده­ تجمع بار در سطح، ماده را مستعد تخلیه­ الکتریکی، جذب گرد و غبار، و نیز جذب اجسام و ذرات سبک می­ کند. اتلاف این بار ساکن (یا تخلیه­ الکترواستاتیک، ESD) مستلزم ایجاد شرایطی جهت دور کردن الکترون­ ها از سطح مورد نظر است.

به طور کلی پلیمرهای اتلاف­ کننده­ بار یا ESD باید دارای ویژگی­ های زیر باشند:

  • مقاومت سطحی در محدوده­ 105-106 تا 1012 اهم
  • نیمه عمر تخلیه­ استاتیک کمتر از 60 ثانیه

تجمع و تخلیه­ بارهای ساکن در موارد زیر شایع است:

  • فرآیندهای پیوسته­­ تولید مانند تولید فیلم
  • تولید، نگه­داری، و تعمیر لوازم الکترونیکی
  • بسته ­بندی مواد آلی با اندازه ­های ریز
  • لوازم نقلیه: تخلیه­ الکترواستاتیک در شلنگ­ های انتقال سوخت از باک به موتور می­ تواند منجر به آتش ­سوزی ­شود.
  • در صنایع هوانوردی: رعد و برق
  • در تمیز کردن لوازم و سطوح مختلف

عوامل آنتی ­استاتیک می­ توانند مایع، نیمه­ جامد، و یا جامد باشند. این مواد به طور معمول می ­توانند در سطح جسم یا قطعه­مورد نظر، و یا در فرمولاسیون ماده­ اولیه قبل از تولید به کار برده شوند. حالت اول معمولاً مربوط به زمانی است که در طول مراحل مختلف تولید نیاز به کنترل بارهای ساکن باشد. در این حالت عوامل آنتی ­استاتیک به عنوان اجزایی با استفاده­ کوتاه مدت در نظر گرفته می ­شوند. حالت دوم، مربوط به زمانی است که در کاربرد نهایی محصول مورد نظر، نیاز به محافظت طولانی مدت در برابر بارهای ساکن وجود داشته باشد، مانند الیاف آنتی­ استاتیک فرش و برخی مواد کامپوزیتی که مستعد تولید بار ساکن هستند.

به علاوه، آب (رطوبت) نقش کلیدی در کمک به اتلاف بار از طریق رسانایی ­اش دارد. بدین معنی که رطوبت می­ تواند در نقش هادی الکتریکی عمل کرده و بار ساکن ذخیره شده در جسم را به زمین یا اجسام دیگر منتقل کند.

شیمی عوامل آنتی­استاتیک

آنتی ­استاتیک ­ها به طور کلی به دو زیرمجموعه­ آنتی ­استاتیک­ های آلی و آنتی­ استاتیک ­های معدنی تقسیم می­ شوند. در جدول زیر آنتی ­استاتیک­ های مختلف بر اساس نیازمندی­ های قطعه و نیز کاربرد نهایی آن دسته ­بندی شده ­اند:

A

عوامل آنتی ­استاتیک در پلیمرها

آنتی­ استاتیک­ های معدنی

نمک­ های معدنی و برخی عناصر آلی پایه می ­توانند به ماتریس پلیمر افزوده شده و برای مدت طولانی از تجمع بارهای استاتیک جلوگیری کنند. مثال­ هایی از این عوامل آنتی ­استاتیک عبارتند از:

  • کربنی که در الیاف فرش جهت تولید فرش­های آنتی­ استاتیک مورد استفاده قرار می­ گیرند.
  • کربنی که در بسیاری از دستمال­ های بی­ بافت، جهت استفاده در اتاق هایتمیز و کاربردهای مربوط به هوافضا به کار برده می­ شود.

اگرچه طبیعت یونی نمک­ ها برای کمک به اتلاف بار (جداسازی یون) در ماتریس پلیمری به آسانی قابل دسترس نیست، با این­حال نمک­ های گوناگون می­ توانند در ماتریس پلیمر به کار برده شده و خواص آنتی­ استاتیک از خود ارائه دهند.

آنتی ­استاتیک­ های آلی بیشتر موادی را که برای کمک به هدایت بار اضافی به دور از سطح پلیمر مورد استفاده قرار می ­گیرند، شامل می­ شوند. با این­که بعضی از این مواد را می­ توان در ماتریس جامد نیز به کار برد، اما غالباً به صورت خارجی، جهت کنترل بارهای استاتیک در حین فرآیند و هم­چنین در کاربردهای نهایی استفاده می ­شوند.

آنتی ­استاتیک ­های آلی خود به چند دسته­ زیر تقسیم می­ شوند:

  • فسفات­ ها، معمولاً نمک پتاسیم یا سدیم اسید آزاد مربوطه
  • آمین ­های نوع چهارم (کاتیون آمونیوم نوع چهارم)
  • مواد نم ­بین غیر یونی، یعنی سورفکتانت­ های اتیلن اکساید و یا پروپیلن اکساید (نم­ بینی به توان یک ماده در جذب مولکول آب از فضای پیرامون و نگهداری آن گفته می‌شود.)

فسفات­ ها و آمین ­های نوع چهارم، آنتی­ استاتیک ­های اصلی، مولکول­ های آلی هستند که دارای یون­ های مثبت و منفی­ اند. لازم به ذکر است که هر چه اندازه­ یک جز کوچک ­تر باشد، دانسیته­ الکترون اطراف مولکول بزرگ ­تر بوده و در نتیجه توانایی اتلاف بار توسط آن ارتقا می­ یابد.

ترکیبات شیمیایی سولفاته و سولفوناته هم می ­توانند به عنوان عامل آنتی ­استاتیک مورد استفاده قرار بگیرند اما تأثیر آنتی­استاتیکی قوی ارائه نمی ­دهند. به عنوان مثال می ­توان به نمک پتاسیم دی­ اکتیل­ سولفوکسینات اشاره کرد که به عنوان یک سورفکتانت، خواص آنتی­ استاتیکی ضعیفی را ارائه می ­دهد.

سورفکتانت­ های غیریونی از طریق ویژگی نم­ بینی و جفت الکترون­ های ناپیوندی بر روی اکسیژن عمل می­ کنند به این صورت که، سمت آب­گریز با سطح ماده و سمت آب­دوست با رطوبت هوا برهم­کنش می­ دهند. در نتیجه مولکول­ های آب در نزدیکی سطح ماده به دام می ­افتند. در اینجا هم، اثر آنتی ­استاتیکی ارائه شده در مقایسه با فسفات­ ها یا آمین­ های نوع چهارم کمتر است.

استرهای فسفات ( اسید یا نمک فلز)

این مواد عموماً از طریق واکنش یک الکل آلی (ROH) با P2O5 و یا PoCl3 تولید می­ شوند و در هر دو حالت، استرهای مونو و دی-اسید تشکیل می ­شوند. در هنگام استفاده، این استرهای اسیدی آزاد به نمک متناظرشان، ترجیحاً پتاسیم (+k ) تبدیل می­ شوند.

W


واکنش الکل آلی با P2O5 معمولا منجر به ایجاد نسبت 55:45 مونو/دی شده و واکنش با PoCl3 تمایل به تولید حدود 50% تری-استر دارد که این ماده خواص آنتی­استاتیک بسیار ضعیفی را ارائه می ­دهد.

ویژگی­ ها

  • دارای خاصیت آنتی استاتیکی بسیار بالایی هستند.
  • طیف گسترده­ای از استرهای فسفریک اسید در دسترس هستند.
  • با افزایش وزن مولکولی میزان اثربخشی کاهش می­ یابد و نمک­ های فسفات با وزن مولکولی پایین تأثیر بیش تری نسبت به نمک ­های با وزن مولکولی بالا دارند.
  • استرهای فسفات تشکیل شده از P2O5 نسبت به PoCl3 ارجحیت دارند.
  • به کارگیری فسفات­ های جامد در فرمولاسیون مشکل است.
  • استرهای اسیدی خنثی نشده آنتی ­استاتیک ­های ضعیف­ تری هستند.
  • آنتی ­استاتیک­ های با وزن مولکولی پایین به میزان بیشتری به پلیمرها، خصوصاً به نایلون و اسپندکس جذب می­ شوند.
  • استرهای تولید شده با PoCl3 یون­ های هالید خورنده از خود بر جای می­ گذارند.

آمین­ های نوع چهارم

این دسته از آنتی ­استاتیک ­ها از طریق واکنش یک آمین مناسب با یک آلکیل هالید یا دی­آلکیل سولفات ایجاد و یک نیتروژن پنج ظرفیتی با بار مثبت همراه با آنیون متناظرش تولید می ­شود.

ویژگی­ ها

  • به طور معمول در صنعت محصولات آرایشی استفاده می ­شود.
  • میزان رسوب آن و مشکلات مربوط به آن در آمین­ های نوع چهارم کم تر از فسفات هاست.
  • حتی در شرایط RH پایین هم ظرفیت آنتی­ استاتیک متوسطی دارد.
  • به آسانی در فرمولاسیون سیستم ­های روان­ کننده قرار می­ گیرد.
  • پذیرش محدود آنیون­ های انتخابی توسط EPA و REACH.
  • بیش تر آنیون­ ها خصوصاً متیل سولفات دارای مشکلات H&E (سلامتی و زیست محیطی) هستند.

سورفکتانت ­های غیر یونی

سورفکتانت­ های غیر یونی طیف وسیعی از مواد شیمیایی را شامل می­ شوند که می­ توانند شامل الکل­ های ساده تا ساختارهای پیچیده­ پلی­ هیدریک زیستی شوند. به دلیل همین گستردگی، تمرکز ما در این بخش بر موادی که در پلیمرها کاربرد دارند یعنی، سیستم­ های الکلی یا اسید اتوکسیله و یا اسید اتوکسیله/پروپوکسیله است.

این سیستم­ ها با جفت الکترون­ های موجود بر روی اتم­ های اکسیژن ماهیت متمایل به نم­ بینی دارند که به هدایت بار ساکن دور از سطح پلیمر کمک می ­کنند.

ویژگی ­ها

  • تعداد زیادی از محصولات این دسته در دسترس هستند.
  • در ایجاد خواص نم ­بینی برای ارتقای اثر آنتی ­استاتیک عالی عمل می­ کنند.
  • در مقایسه با فسفات­ ها و آمین های نوع چهارم اثر آنتی ­استاتیک کم تری دارند.
  • درصد زیادی از آن­ ها در فرمولاسیون نیاز است.
  • در فرمولاسیون ­های حاوی فسفات یا آمین نوع چهارم به امتزاج ­پذیری کمک و اثر منفی در اثر آنتی­ استاتیکی آن­ ها ایجاد نمی ­کنند.

بجز موارد گفته شده که دو دسته ­ی اصلی مواد آنتی ­استاتیک را تشکیل می­ دهند، برخی فیلرها و افزودنی ­های رسانا نیز وجود دارند که به طور گسترده­ای در ESD، محافظت از تداخل امواج الکترومغناطیسی (EMI)، و هم­چنین امواج رادیویی (RFI)، به کار می ­روند.

فیلرها و افزودنی­ های رسانا

این مواد منجر به تولید پلاستیک­ های رسانای حجمی می­ شوند که می­ توانند به عنوان رسانا الکترون­ ها را از دیگر مواد دارای بار ساکن دریافت و تخلیه کنند. تمامی پلاستیک­ هایی که به شکل مناسبی با فیلر پرشده ­اند می­ توانند برای حفاظت امواج رادیویی، الکترومغناطیسی، و نیز تخلیه­ بار استاتیک مورد استفاده قرار بگیرند:

  • پلاستیک­ های مورد استفاده در کالاهای مصرفی مانند PE، PS، PP.
  • پلاستیک­ های مهندسی مانند ABS، PA 6/6، PA 6، PC، POM، PBI، PPO، PPS.
  • پلاستیک ­های ویژه مانند PEI و PEEK
  • آلیاژهایی مانند PC/PMMA، PC/ABS.

کربن بلک

مقاومت ماده­ نهایی به موارد زیر بستگی دارد:

  • مساحت سطح کربن بلک و میزان یون بر روی سطح
  • میزان کربن بلک
  • گرید پلیمر یا، آلیاژ پلیمرها
  • روش اختلاط

کربن بلک خواص دیگر پلیمرها خصوصاً رنگ آن­ها را نیز اصلاح می­ کند.

الیاف رسانا

الیاف کربن و استیل مانند الیاف رسانای سلولز که به میزان بالا با کربن بلک پر شده باشند در صنعت برای رسانا کردن پلاستیک­ ها و کامپوزیت­ ها استفاده می­ شوند.

مقاومت ماده­ نهایی به موارد زیر بستگی خواهد داشت:

  • اندازه، نسبت منظر، و ماهیت شیمیایی الیاف
  • میزان الیاف
  • روش اختلاط

گریدهای ویژه­ای تحت عنوان افزودنی برای پلاستیک ­ها و رابرهای رسانا در بازار موجود است. با استفاده از این افزودنی­ ها، خواص دیگر مواد نهایی مانند رنگ، مدول، استحکام ضربه، و … نیز اصلاح می ­شوند.

گرافیت

مقاومت ماده­ نهایی به موارد زیر بستگی دارد:

  • نوع گرافیت: برخی گریدها به طور ویژه برای رسانایی الکتریکی ­شان تولید می­ شوند.
  • نسبت منظر
  • میزان گرافیت
  • گرید پلیمر
  • روش اختلاط

به علاوه، گرافیت دارای خواص روان­ کنندگی نیز هست. برخی تولیدکنندگان مدعی هستند که مقاومت ­ها می ­توانند در حد مقاومت به دست آمده توسط کربن­ بلک­ های رسانا، کم تر و یا بیش تر از آن باشند و این بستگی به گریدهای مورد استفاده دارد.

پودر فلزات

پودر آلومینیوم، مس، نیکل، و نقره برای افزایش رسانایی الکتریکی استفاده می­شوند و مقاومت نهایی به عوامل زیر بستگی دارد:

  • شکل و اندازه­ی ذرات فلز
  • میزان پودر فلز
  • روش اختلاط

گریدهای خاصی از این مواد به صورت افزودنی برای پلاستیک­ ها و رابرهای رسانا در بازار موجود هستند. باید توجه داشت که نوع پلیمر بر انتخاب فلز تأثیر می­ گذارد. به عنوان مثال ولکانیزاسیون گوگردی می­ تواند مشکلاتی را در فلزاتی مثل مس و نقره (در اثر حمله­ گوگرد) ایجاد کند.

استفاده از فلزات هم­چنین باعث اصلاح دیگر خواص مانند رنگ، مدول، استحکام ضربه، و … می­ شود.

برخی از گریدهای آلومینیوم و زیرکونیوم به طور ویژه جهت کاربرد در پلیمرها برای دستیابی به ESD تولید می ­شوند.

نانولوله­ های کربنی (CNT)

استفاده از نانولوله­ های کربنی در تولید انبوه به سرعت در حال رشد است. CNTها با وجود قیمت بالا هزینه تولید را به طور پیوست ه­ای کاهش می ­دهند. مقاومت بسیار کم نانولوله ­های کربنی امکان به­ دست آوردن پلیمرهای EMI را با میزان CNT کمتر از 1% فراهم می­ آورد که این مقدار بسیار کم تر از میزان استفاده از کربن ­های سیاه رسانای رایج است.

R


پلیمرهای رسانای ذاتی (ICP)

ICPها از بهترین گزینه ­ها برای تولید انبوه و دستگاه­ های خاص هستند. آن­ ها به ویژه در لوازم الکترونیکی شفاف، فیلم ­های رسانای شفاف (TCF)، و فوتوولتائیک ­ها به کار می ­روند. به عنوان مثال، PEDOT، پلی ­آنیلین، و پلی ­الکترولیت یونومر (IPE) توسط بسیاری از شرکت­ های تولیدکننده پیشنهاد شده­ اند.

ICPها می­ توانند با بسیاری از پلاستیک ­های رایج از جمله ABS، آکریلیک ­ها، کامپوزیت ­ها، پلی ­آمیدها، پلی ­کربنات ­ها، پلی­استرها، رابرها، و TPEها آلیاژ شوند.

ارزیابی عملکرد آنتی­استاتیک

یکی از آزمون های متداول برای ارزیابی عمل کرد یک عامل آنتی­ استاتیک، آزمون مقاومت الکتریکی است. نتیجه­ این آزمون به صورت لگاریتم مقاومت بیان می­ شود. معمولاً عمل کرد آنتی ­استاتیک به صورت حداکثر LogR مجاز تحت شرایط خاص رطوبتی مشخص می ­شود. نمودار زیر دیدگاه خوبی از محدوده­ مقادیری که بیان گر اثر آنتی ­استاتیکی مطلوب هستند ارائه می­ دهد.

h

LogR را می­ توان با دستگاه ­های مختلفی از جمله  Hayek-Chromey Wheel، Static Honestometer، به دست آورد. در مورد پلیمرها، استفاده از ولت­ متر استاتیک Rothschild رایج ­تر است.

معیارهای انتخاب عوامل آنتی ­استاتیک

انتخاب عوامل آنتی­ استاتیک به ماهیت پلیمر و شرایط فرآیند بستگی دارد. عوامل زیر می­ توانند بر عمل کرد اتلاف بار استاتیک تأثیر داشته باشند.

تأثیر رطوبت (RH%)بر رفتار آنتی ­استاتیک

آنتی­ استاتیک­ های غیر یونی کمتر تحت تأثیر رطوبت نرمال محیط تولید قرار می­ گیرند در حالی­ که فسفات­ ها و آمین ­های نوع چهارم به رطوبت حساس بوده و رفتارهای قابل توجهی را بر اساس میزان رطوبت نشان می­ دهند.

  • تأثیرگذاری فسفات­ ها به شدت با کاهش رطوبت کاهش می­ یابد. کاهش رطوبت از حدود 60% تا 70% به کمتر از 40% در حین فرآیند پلیمر منجر به کاهش 10 برابری در توانایی کنترل بارهای ساکن را به همراه داشته باشد.
  • آمین ­های نوع چهارم به طور کلی به میزان فسفات ­ها تحت تأثیر تغییرات رطوبت نیستند و با افزایش وزن مولکولی تأثیر غیرخطی از خود در اتلاف بار نشان می ­دهند.

اغلب پلیمرها به خوبی با عوامل آنتی­ استاتیک ترکیب می­ شوند. نمک­ های غیرآلی و کربن، در صورت امکان استفاده، به طور کامل در تمام سیستم­ های پلیمری امتزاج ­پذیرند. جدول زیر میزان توانایی عوامل آنتی ­استاتیک در اتلاف بار را نسبت به شکل فیزیکی و نوع پلیمر نشان می­ دهد (5 عالی، 5- بسیار ضعیف).

d



ارسال نظر