Применение антистатиков в производстве пластиковых изделий

Антистатики являются ключевыми функциональными добавками в производстве пластика. Они образуют проводящие пленки, адсорбируя влагу из воздуха или непосредственно проводя заряды, что исключает накопление статического электричества, вызванное высокой изоляцией и трением в пластике, и позволяет избежать таких проблем, как адсорбция пыли, поражение электрическим током и возгорание, вызванное статическим электричеством. В процессе производства пластика (например, литья под давлением, экструзии, выдувного формования) и его последующего использования статическое напряжение может достигать десятков тысяч вольт, что не только влияет на эффективность производства (например, адгезию пленки, затрудняет обработку продукции), но и может представлять угрозу безопасности в пожароопасных и взрывоопасных средах (например, химической упаковке, электронных компонентах). Антистатики совместимы практически со всеми пластиками, такими как ПЭ, ПП, ПВХ, ПЭТ, АБС и т. д., и в зависимости от области применения подразделяются на внутренние и внешние покрытия. В настоящее время они развиваются в направлении высокой эффективности, долговременного эффекта и низкой миграции, становясь важным звеном в обеспечении бесперебойного производства пластика и безопасности продукции.

1. Основной механизм действия антистатиков: целенаправленное решение проблемы накопления статического электричества.

Статическое электричество в пластике возникает из-за переноса заряда, вызванного молекулярным трением, а антистатики устраняют заряд посредством двух основных механизмов, подходящих для различных сценариев производства и использования:

1. Тип внешнего покрытия: быстро образующаяся токопроводящая тонкая пленка

Внешние антистатики наносятся на поверхность пластиковых изделий путем распыления, замачивания и других методов, используя свои гидрофильные группы для адсорбции влаги из воздуха, образуя сплошную токопроводящую пленку, которая быстро отводит накопленные статические заряды в землю:

Функциональные характеристики: быстрое начало действия (эффект наступает сразу после нанесения покрытия), низкая стоимость, гибкость в эксплуатации, нет необходимости менять формулу производства пластика;

Ограничения: легко отваливается из-за трения и чистки, низкая долгосрочная эффективность (обычно сохраняется в течение 1–3 месяцев), подходит для краткосрочного использования или временных антистатических нужд;

Представительные продукты: катионные (например, четвертичные аммониевые соли), неионогенные (например, эфиры полиэтиленгликоля и жирных кислот);

Сценарий адаптации: Последующая обработка пластиковых пленок и литьевых деталей, таких как полиэтиленовые пакеты для покупок и антистатические поверхности игрушек из полипропилена.

2. Внутренний тип присоединения: долговременный рассеянный проводящий заряд

Внутренние антистатики смешиваются с сырьем в процессе производства пластика, равномерно распределяются в пластиковой матрице и мигрируют на поверхность, образуя проводящий слой или создавая проводящие каналы внутри, что обеспечивает долговременную антистатичность:

Функциональные характеристики: высокая долговечность (соответствующая сроку службы изделия), равномерный антистатический эффект и отсутствие влияния на технологические характеристики изделия;

Ограничения: количество добавляемого компонента относительно велико (обычно 0,5% -3%), стоимость выше, чем у наружного типа покрытия, и ее необходимо согласовывать с температурой обработки пластика;

Представительные продукты: неионогенные (такие как сложные эфиры глицерина и жирных кислот, полиэфиры), ионные (такие как сульфонатные соли);

Сценарий адаптации: процесс смешивания сырья при производстве пластмасс, например, корпусов электронных компонентов и бочек для упаковки химических веществ.

2. Основные типы антистатиков и их пригодность для производства пластмасс: характеристики и соответствие условиям эксплуатации.

Различные антистатики существенно различаются по термостойкости, совместимости и долговременной эффективности. Выбор следует основывать на типе пластика, технологии обработки (например, температуре, методе формования) и назначении продукта. Ниже приведены четыре основные категории:

1. Неионогенный антистатик: универсальный, малотоксичный, подходит для многокатегорийного производства пластика.

Неионогенные антистатики обладают хорошей совместимостью, низкой токсичностью и умеренной термостойкостью (температура переработки ≤ 200 ℃), что делает их наиболее широко используемыми в производстве пластмасс. Как внутренние, так и внешние покрытия могут:

Типичные продукты: полиэтиленгликоль (ПЭГ), моностеарат глицерина (ГМС), полиэфирные комплексы;

Совместимые пластики: ПЭ, ПП, ПВХ, АБС, ПЭТ;

Сценарии производства: экструзия полиэтиленовой пленки, литье полипропилена под давлением, переработка труб из ПВХ — позволяют избежать слипания продукции и повысить эффективность производства.

2. Катионный антистатик: эффективный и быстрый, подходит для наружных покрытий или низкотемпературной обработки.

Катионные антистатики обладают высокой антистатической эффективностью (поверхностное сопротивление может быть снижено до 10⁶–10⁸ Ом), но низкой термостойкостью (температура обработки ≤ 160 ℃) и используются преимущественно в качестве наружных покрытий. Некоторые из них могут добавляться внутрь пластмасс, подвергающихся низкотемпературной обработке:

Представительные продукты: хлорид додецилтриметиламмония, комплексы четвертичных аммониевых солей;

Совместимо с пластиками: ПВХ, ПЭ, АБС;

Сценарий производства: обработка внешнего покрытия ПВХ-пленкой, напыление антистатических средств на поверхность игрушек из АБС-пластика, быстрый эффект и возможность быстрого снижения поверхностного сопротивления.

3. Анионный антистатик: хорошая термостойкость, подходит для высокотемпературной обработки пластмасс.

Анионные антистатики обладают превосходной термостойкостью (температура обработки ≤ 250 ℃), несколько плохой совместимостью и должны использоваться в сочетании с компатибилизаторами. В основном это внутренние добавки:

Типичные продукты: алкилсульфаты, фосфатные соли;

Совместимые пластики: ПЭТ, ПК, ПА (полиамид);

Сценарий производства: выдувное формование ПЭТ-бутылок для напитков, литье под давлением корпусов электронных компонентов ПК, может выдерживать высокотемпературную обработку без разложения.

4. Композитный антистатик: многофункциональная синергия, подходит для высокотехнологичного производства.

Композиционные антистатики состоят из двух или более типов соединений (например, неионогенного + ионогенного типа, антистатика + антиоксидантного типа), которые обладают характеристиками высокой эффективности, длительного эффекта и термостойкости:

Представительные продукты: комплекс полиэфира + четвертичной аммониевой соли, комплекс ГМС + антиоксидант 1010;

Совместимые пластики: ПП, ПЭ, ПЭТ, АБС;

Сценарий производства: Высококачественное производство упаковочных материалов для электроники, химическая обработка полиэтиленовых бочек позволяет одновременно решать проблемы статического электричества и старения.

3. Практика применения антистатиков в производстве основных пластиковых изделий: формула и процесс на основе сценария.

Процессы производства и условия использования различных пластиковых изделий значительно различаются, поэтому выбор антистатиков должен подбираться индивидуально в зависимости от типа пластика, температуры обработки и используемого продукта. Ниже приведены типичные случаи:

1. Производство полиолефиновых изделий (ПЭ, ПП): баланс эффективности производства и безопасности использования

ПЭ и ПП — наиболее распространённые категории материалов в производстве пластика, которые легко накапливают статическое электричество, что приводит к слипанию плёнки и адсорбции пыли. К наиболее распространённым неионогенным антистатикам для внутреннего применения относятся:

Производство экструзионных полиэтиленовых пакетов для покупок:

Формула: сырье ПЭ + 0,8% эфир жирной кислоты полиэтиленгликоля + 0,2% антиоксидант 1076;

Процесс: смешивание с сырьем в экструдере при температуре обработки 150-180 ℃;

Эффект: Поверхностное сопротивление пленки снижается до 10 ⁸ -10 ⁹ Ом без адгезии, а производительность производства увеличивается на 20%. Не адсорбирует пыль во время использования.

Производство лотков для электронных компонентов из полипропилена методом литья под давлением:

Формула: сырье ПП + 1,5% полиэфирный антистатик + 0,3% совмещающий агент;

Процесс: Температура литья под давлением 180-200 ℃, температура пресс-формы 50-60 ℃;

Эффект: Поверхностное сопротивление лотка составляет ≤ 10 Ом, что позволяет избежать электростатического повреждения электронных компонентов и обеспечивает длительный срок службы — более 2 лет.

2. Производство изделий из инженерных пластиков (ПЭТ, ПК): баланс между высокой термостойкостью и низкой миграцией

ПЭТ и ПК обрабатываются при высоких температурах (260–320 °C), и некоторые из них используются в высокотехнологичных отраслях, таких как пищевая промышленность и электроника. Поэтому необходимо выбирать термостойкие и низкомиграционные антистатические агенты:

Производство ПЭТ-бутылок для напитков методом выдува:

Формула: сырье ПЭТ+1,2% фосфатная соль антистатик+0,2% гипофосфит 168;

Процесс: Температура сушки 160 ℃, температура выдувного формования 270-280 ℃;

Эффект: Поверхностное сопротивление корпуса бутылки снижено до 10 Ом, что предотвращает электростатическую адсорбцию пыли во время наполнения. Количество миграции антистатика составляет менее 0,01 мг/кг, что соответствует стандарту, допускающему контакт с пищевыми продуктами.

Производство корпусов компьютеров методом литья под давлением:

Формула: сырье ПК + 2,0% полиэфира + антистатик на основе четвертичной аммониевой соли;

Процесс: Температура литья под давлением 280-300 ℃, время выдержки 15-20 секунд;

Эффект: Поверхностное сопротивление оболочки составляет ≤ 10 Ом, статического электричества не возникает, и это не влияет на прозрачность и механические свойства изделия.

3. Производство изделий из ПВХ: адаптировано к различным процессам формования

Технологии переработки ПВХ разнообразны (экструзия, литье под давлением, прокатка), и проблемы со статическим электричеством особенно остро стоят при производстве плёнок и труб. Наиболее распространённые внутренние и внешние антистатики:

Производство проката прозрачной пленки ПВХ:

Формула: ПВХ-смола + 1,0% глицерилмоностеарат + 2,0% эпоксидное соевое масло (пластифицирующее и антистатическое вещество);

Процесс: Температура прокатки 160-180 ℃, температура охлаждения 40-50 ℃;

Эффект: Поверхностное сопротивление пленки составляет 10 ⁸ -10 ⁹ Ом, при этом отсутствует адгезия или запотевание, а коэффициент сохранения пропускания составляет более 90%.

Производство экструзионных химических трубопроводов из ПВХ:

Формула: ПВХ-смола + 1,5% алкилсульфонатный антистатик + 3,0% кальций-цинковый композитный термостабилизатор;

Процесс: Температура экструзии 150-170 ℃, скорость вытяжки 5-8 м/мин;

Эффект: Сопротивление внутренней стенки трубопровода составляет ≤ 10 Ом, что позволяет избежать угроз безопасности, вызванных статическим электричеством при транспортировке легковоспламеняющихся и взрывоопасных жидкостей.

4. Производство пластиковых корпусов для электронных устройств: высокие требования к антистатической защите

Пластиковые упаковки для электронного оборудования (например, антистатические пакеты из полиэтилена и лотки из АБС) предъявляют чрезвычайно высокие требования к электростатической защите (поверхностное сопротивление 10 ⁶ -10 ⁸ Ом), поэтому необходимо выбирать высокоэффективные композитные антистатики:

Производство антистатической полиэтиленовой пленки для пакетов методом экструзии с раздувом:

Формула: сырье ПЭ + 2,0% полиэфир + антистатик на основе четвертичной аммониевой соли + 0,3% антиоксидант 1010;

Процесс: температура выдувной пленки 160-180 ℃, кратность выдува 2,5-3,0;

Эффект: Поверхностное сопротивление корпуса пакета составляет 10 Ом, а период полураспада электростатического заряда составляет менее 2 секунд, что позволяет эффективно защищать внутренние электронные компоненты от электростатического повреждения.

4. Проблемы и тенденции развития антистатиков в производстве пластмасс

Хотя антистатики решили ключевую проблему статического электричества в производстве пластика, они по-прежнему сталкиваются с проблемами совместимости, долговременной эффективности, соответствия экологическим требованиям и другими аспектами в современных приложениях. В будущем они будут развиваться в направлении "высокой эффективности, долговременной эффективности и экологичности:

1. Текущая задача: баланс между требованиями к производительности и производству

Противоречие между совместимостью и внешним видом: некоторые антистатики (например, ионные) плохо совместимы с пластмассами, которые могут легко выпадать в осадок и приводить к тому, что поверхность изделия становится липкой и мутной, что влияет на внешний вид;

Долгосрочная эффективность и баланс затрат: внешнее покрытие имеет низкую стоимость, но требует вторичной обработки, в то время как внутреннее покрытие имеет долгосрочную эффективность, но высокую дозировку, что увеличивает производственные затраты;

Требования по соблюдению экологических норм: некоторые катионные антистатики (например, некоторые четвертичные аммониевые соли) обладают высокой токсичностью и не соответствуют экологическим стандартам для упаковки пищевых продуктов и фармацевтических препаратов.

2. Тенденция развития: технологические инновации стимулируют модернизацию

Антистатик с высокой молекулярной массой: разработать антистатики с молекулярной массой более 1000 (например, сополимеры полиэфирамида), улучшить совместимость с пластмассами за счет переплетения молекулярных цепей, уменьшить образование осадков и адаптировать их для использования в высокотехнологичном производстве упаковки для пищевых продуктов и электроники;

Реактивный антистатик: прививка антистатических групп к полимерным молекулярным цепям для кардинального решения проблем миграции, обеспечивающая долгосрочную эффективность, соответствующую сроку службы продукта. Пилотное применение было проведено в производстве ПЭТ и ПП.

Антистатик на биологической основе: изготовлен из растительных экстрактов (таких как производные касторового масла и соединения на основе крахмала), малотоксичный, биоразлагаемый, соответствует политике ддддхдвойственный углеродддддххх, подходит для производства экологически чистого пластика;

Многофункциональный комплексный антистатический агент: разработка "hanтистатической + антиоксидантной + атмосферостойкой" композитной добавки, упрощающей формулы производства пластика, снижающей затраты на обработку и адаптирующейся к производству наружных и высококачественных пластиковых изделий.

5. Резюме: Антистатики — на страже безопасности производства и использования пластика.

От плавной экструзии полиэтиленовых пакетов для покупок до электростатической защиты лотков для электронных компонентов и безопасного производства химических трубопроводов – антистатики обеспечивают эффективное и плавное производство пластмасс и безопасное использование изделий, тщательно устраняя электростатические опасности. Это не только вспомогательная добавка, решающая производственные проблемы, но и напрямую влияющая на применимость (например, в качестве электронной упаковки, контейнеров для химических веществ) и безопасность (например, пожаро- и взрывоопасность) пластиковых изделий. В будущем, благодаря прорывам в исследованиях и разработках высокомолекулярных, биоосновных и многофункциональных антистатиков, они будут и дальше адаптироваться к высокотехнологичным и экологичным потребностям пластиковой промышленности, способствуя производству более востребованных пластиковых изделий.