Большинство полимеров является изоляторами. Широко распространено накопление электростатического электричества и разрядов, что приводит к возникновению многочисленных проблем различной степени важности, от незначительных до очень серьезных и даже имеющих ужасные последствия:

• Притягивание частиц пыли и других загрязняющих веществ создает проблемы с маркетингом, использованием и обработкой, особенно для непрерывной обработки пластмасс в таком виде, как пленки.

• Накопление электростатического электричества и разрядов при прикосновении к пластмассовым компонентам: синтетическим ковровым покрытиям, круглым ручкам, ручкам автомобилей; при изготовлении электронных устройств, их погрузку/разгрузке и ремонте.

• Дефекты окрашивания.

• Возгорание или взрыв возгораемых или взрывоопасных сред, тонко измельченных органических порошков, растворителей...: Упаковка пылеобразных органических материалов, электростатический разряд в топливных трубопроводах автомобилей, который приводит к пожарам, молнии и помехи для летательных аппаратов, проблемы со здоровьем, а также операционными и мастерскими по покраске...

Антистатическое поведение, накопление электростатического электричества и разряды (см. рисунок «Удельное поверхностное электрическое сопротивление рассеивающих полимеров») зависят от удельного поверхностного сопротивления детали. Как правило, антистатические полимеры и полимеры с ESD обладают:

• Удельным поверхностным электрическим сопротивлением в диапазоне от 10⁵ или 10⁶ до 10¹² ом.

 • Полупериодом статического разряда, как правило, менее 60 секунд

Удельное поверхностное электрическое сопротивление рассеивающих полимеров

Антистатические и ESD стратегии

Это очень сложная проблема, и не существует никакой универсальной стратегии, здесь используются многочисленные способы, а иногда и сочетание способов. Перечислим лишь некоторые из способов, которые используются для сведения к минимуму накопления статического электричества (см. рисунок 'Внутренне и внешне антистатические полимеры'):

• Выбор готовых к употреблению антистатиков или же марки полимера с ESD

• Добавление антистатических веществ к традиционным пластмассовым маркам:

     - Органические бессажевые добавки 
   - Проводящие наполнители: углеродные сажи, углеволокно и стальное волокно, графит, углеродные нанотрубки.

• Создание сплавов от природы обладающими внутренней рассеивающей способностью полимерами или же проводящими полимерами.

• Использование постоянных или же временных внешних антистатических покрытий.

Известно большое количество добавок, но непрерывная работа над новыми разработками открывает пути для все большего количества новых подходов к решению проблемы. Активные исследовательские работы позволили создать еще больше инновационных решений, таких как, например, бессажевые взаимопроникающие сети, углеродные нанотрубки, микро- или наноразмерные проводящие волокна, металлические нанопорошки, внутренне рассеивающие или проводящие полимеры (IDP или ICT), покрытия из оксида индия и олова... Некоторые полимеры, природного или синтетического происхождения, от природы обладают антистатическими свойствами, это такие, как, например, хлопковое и древесное волокно, полиамиды 11 или 12 и другие.

 
Рассмотренные ниже примеры являются всего лишь хрестоматийными примерами, и читателю при использовании для своих целей следует самому проверить достоверность данной информации, предъявляемые требования, а также применимые к данному случаю постановления.  Этот список не претендует на то, чтобы быть исчерпывающим, в настоящее время исследуется и разрабатывается еще целый ряд применений.

Основное внимание уделяется упаковке

Те, кто пользуется упаковкой для мелко измельченных органических порошков, растворителей, электронных устройств и пороха, знает, какие опасности создают электростатические разряды: это взрывы и возгорания, повреждение электронных чипов и устройств.

В число используемых в настоящее время стандартных решений для исключения возможности электростатического разряда входят использование углеродной сажи и покрытий. Некоторые из них действуют только в сочетании с влажностью, которая не всегда присутствует на протяжении реализации цепочки обработки, доставки и обслуживания. Углеродная сажа функционирует независимо от наличия влажности, но она может оказывать отрицательное влияние на механические свойства модифицируемого полимера, и дает черное окрашивание. Ящики или устройства для транспортировки могут становиться хрупкими, что сокращает срок их эксплуатации. Углеродная сажа также может удаляться из-за промывки или за счет трения с утратой эффекта ESD-защиты и выбросом проводящих полимеров, что может вызывать загрязнение окружающей среды, перекрестное загрязнение и короткое замыкание электронных устройств.  И, наконец, детали, которые получаются, бывают серыми или черными, что не дает осуществлять цветовое кодирование и, следовательно, более совершенную дифференциацию различных линий продукта. За счет внедрения новых окрашиваемых, постоянных, немигрирующих и не зависящих от присутствия влаги рассеивающих добавок создаются новые решения.

Два примера прорывов в области окрашиваемых, постоянных, немигрирующих и не зависящих от присутствия влаги рассеивающих добавок:

• Компания Ciba® реализует на рынке антистатические добавки IRGASTAT® P 

• Компания DuPont внедряет новые марки антистатических добавок Entira™

 Серия от Ciba® IRGASTAT® P

Серия IRGASTAT® P на основе собственной технологии компании является настоящим прорывом в области бессажевых антистатических добавок благодаря уникальности привносимых свойств: постоянству антистатического воздействия и его независимости от наличия влаги, отсутствию миграции и широким возможностям придания окрашивания. Правильный выбор из целого ряда марок IRGASTAT® P позволяет осуществлять защиту ESD для различных видов пластмасс (см. таблицу 1).

Таблица 1: Примеры окрашиваемых, постоянных, не мигрирующих и независящих от присутствия влаги решений

В компании Ciba® утверждают, что постоянные антистатические вещества IRGASTAT® P16, 18, 20, 22 обеспечивают абсолютную надежность и мягкий разряд на протяжении всего срока эксплуатации для готового продукта, в состав которого они включаются. Мягкость разряда рассматривается как дополнительное преимущество, поскольку она позволяет избегать воздействия ESD при возникновении проблем с заземлением. В отличие от варианта с использованием углеродной сажи, здесь возможно различное окрашивание, что позволяет осуществлять цветовое кодирование и, следовательно, лучшую дифференциацию различных линий продуктов. Низкая степень воздействия на механические свойства не влияет на износостойкость ящиков для транспортировки, аналогичную износостойкости стандартных пластмассовых ящиков. Модифицированные пластмассы моющиеся, не поддаются коррозии и не осыпаются.

  Антистатические добавки компании DuPont Entira™

Компания DuPont Packaging & Industrial Polymers объявила о добавлении двух новых марок постоянных антистатических добавок от DuPont™Entira™- Entira™Antistat SD 100 и Entira™Antistat 500. Эти новые добавки обеспечивают постоянное антистатическое рассеивание, а также высокие эстетические свойства, прозрачность, отсутствие пожелтения и защиту от пыли для целого ряда упаковочных применений с высокими требованиями, от косметики до промышленных товаров или чувствительных электронных компонентов. В компании DuPont утверждают, что Entira™Antistat SD 100 и Entira™Antistat 500 имеет целый ряд существенных преимуществ по сравнению с рассеивающими антистатическими веществами.

В отличие от таких решений, которые часто сосредоточены на поверхности продукта и могут стираться из-за трения, воздействия воды или старения, новые марки Entira™Antistat интегрируются непосредственно в сам продукт, давая немедленное и постоянное антистатическое воздействие, а также гладкий и прозрачный внешний вид поверхности, который позволяет иметь лучшие адгезивность и способность подвергаться нанесению печати. Они также предотвращают пожелтение из-за старения, их можно использовать в составе отдельного слоя без миграции в другие слои, они также помогают сводить к минимуму накопления на головке. Добавление Entira™Antistat SD 100 и Entira™Entira™Antistat SD 100 можно использовать при изготовлении упаковки для электронных устройств для того, чтобы уменьшить количество искр, которые могут повредить оборудование. Они также полностью одобрены для использования с пищевыми продуктами, и позволяют свести к минимуму запыление, которое может препятствовать надлежащей герметизации продукта.  

Замечательный цилиндр для использования во взрывозащищённых зонах

Благодаря углеродным нанотрубкам Baytubes® (CNTs) от компании Bayer MaterialScience, Schtz GmbH & Co. KgaA AG создает F1-EX-Nano (см. рисунок 'Антистатический-F1-EX-Наноцилиндр'), первый пластмассовый цилиндр для транспортировки, который делается электрически проводимым с помощью наночастиц. Цилиндр предназначен для использования во взрывозащищенных зонах.

Выдающаяся электрическая проводимость CNT позволяет тратить мало материала для того, чтобы делать изолирующую пластмассу рассеивающей, предохраняя легковоспламеняющиеся грузы, такие как растворители и масла, от возгорания из-за электростатического заряда. Даже при низких концентрациях они придают цилиндру антистатические свойства. Кроме того, они повышают низкотемпературную ударопрочность цилиндра и устойчивость к воздействию химических веществ. Полиэтиленовые цилиндры создаются экструзией с раздувом за счет формирования трехслойной структуры, причем тонкий внешний слой содержит Baytubes®. Помимо обеспечения хорошей проводимости, использование углеродных нанотрубок также улучшает механические свойства наноцилиндра F1-EX-Nano drum.

Антистатический наноцилиндр F1-EX-Nano-Drum

В центре внимания автомобильные применения

Топливо легко воспламеняется, и может стать причиной возгорания или взрывов. Так, например, в Японии восемь пожаров начались между апрелем 2001 г. и июнем 2002 г., когда электростатические заряды на людях стали причиной возгорания топлива на заправочных станциях.  В Германии каждый год происходит два таких пожара. Можно рассмотреть целый ряд мер для уменьшения таких рисков, включая антистатические топливные магистрали, сидения, дверные ручки и прочие детали.

 Для того чтобы сделать стандартную пластмассу проводимой, рассмотрите вариант с маточными смесями на основе углеродной сажи от Cabot

Использование маточных смесей на основе углеродной сажи может стать ответом для решения возможных проблем, возникающих в связи с механическими свойствами готовых продуктов. Так, например, компания Cabot, предлагает несколько маточных смесей на основе различных пластмасс  (см. таблицу 2).

Таблица 2: Примеры маточных смесей на основе углеродной сажи

 Чтобы сделать топливные магистрали более безопасными, подумайте об использовании проводящих топливных систем от Arkema

Новая топливная линия от компании Arkema на основе Rilsan® PA12, Rilperm® 5041 соответствует новым спецификациям Ford для топлива, содержащего этанол. Rilperm® 5041 была выбрана компанией Ford благодаря своим превосходным барьерным и механическим свойствам, а также рассеивающему поведению, создающемуся за счет патентованного проводящего внутреннего слоя PA12, который способен уменьшить потенциал возгорания в топливных системах, что, в результате, дает повышение степени безопасности для пассажиров.

Используя ту же технологию, компания Fraenkische выбрала Rilsan® PA11 компании Arkema для запуска своих проводящих автомобильных бензопроводных линий, которые повышают безопасность для конечного потребителя. Благодаря Rilsan® PA11, эти новые бензопроводы соответствуют требованиям автомобильных стандартов с высокими SAE J1645, которые предназначены для того, чтобы обеспечить повышение степени безопасности пассажиров за счет исключения возможности искрового зажигания в топливной системе, уменьшая, тем самым, риск возникновения аварий. Компания General Motors уже заменила непроводящие модули с топливными насосами на эти новые проводящие модули при создании своих последней моделей североамериканских автомобилей. Кроме того, Rilsan® PA11 создан на биологической основе.

 Для того чтобы сделать бензопроводы и прочие антистатические детали безопаснее, подумайте об использовании Bayer's Baytubes от Bayer.

Компания Bayer MaterialScience предлагает свои углеродные нанотрубки Baytubes®  (CNT) для производства антистатических или рассеивающих различных пластмасс для изготовления компонентов топливных систем и бензопроводов (соединения, детали насосов, кольцевые уплотнения, трубочки), деталей внешней оснастки для электростатического окрашивания (брызговики, корпуса зеркал, крышки заливной горловины топливного бака). В Bayer утверждают, что здесь имеется соотношение свойств лучше, чем у углеродной сажи, а также лучшая обрабатываемость для крупных деталей и высокая размерная стабильность. 

В центре внимания электрические и электронные устройства

Весь спектр существующих решений применяется в области производства электрических и электронных устройств, от углеродной сажи до дорогостоящих от природы рассеивающих полимеров (IDP) и от природы проводящих полимеров (IDP), в зависимости от требований к конечным применениям. У одной компании, например, Premix Thermoplastics Inc., дочерней компании Premix Oy, предлагаются практически все решения с линией электропроводящих термопластических компаундов с «управляемыми уровнями удельного сопротивления». Эти новые компаунды, которые называются PRE-ELEC®, позволяют пользователям специфицировать диапазон удельного электрического сопротивления (объемного или поверхностного), который необходим для каждого конкретного применения. Хотя наиболее распространенным диапазоном объемного сопротивления является  10⁶ - 10⁹ ом-см, Premix может обеспечивать практически любой диапазон сопротивления от >1 ом-см до 10¹¹ ом-см для большинства полимеров с использованием углеродной сажи, сплавов с от природы проводящими полимерами (ICP) от 10³ до 10¹¹ ом/кв, и сплавов с от природы рассеивающими полимерами (IDP) от 10⁶ до 10¹² ом/кв.

Так, например, Premix представляет рассеивающий компаунд на основе не содержащего ионов полипропилена для производства упаковки литьевым формованием, для изготовления продуктов выдувным формованием и экструзией, и производства поддонов вакуумным формованием, при котором требуется использование сверхчистый материал. Изначально предназначенный для нужд отрасли по производству приводов для жестких дисков он соответствует обычно применяемым жестким стандартам в области чистоты. В компании Premix Thermoplastics, Inc. заявляют, что PRE-ELEC® ESD 5500 имеет очень низкое содержание ионов, газовыделение и нелетучий остаток (NVR). Кроме того, материал сохраняет прекрасные электрические свойства и соответствует требованиям стандартов  EOS/ESD S20.20-1999 и IEC 61340-5-1 для производства интимных упаковочных материалов. Поверхностного удельного электрического сопротивления 10⁸-10⁹O можно достигнуть даже в средах с низкой относительной влажностью. Это гарантирует эффект постоянного электростатического рассеивающего воздействия. Компаунд с ESD пропускает свет и может подвергаться окрашиванию.

В центре внимания взрывоопасные среды

В директиве ATEX рассматриваются оборудование и защитные системы, которые предназначены для использования в потенциально взрывоопасных средах. Для того чтобы следовать имеющимся здесь жестким требованиям, компания RTP Company объявила о запуске в промышленное производство специального ассортимента проводящих компаундов, которые называются PERMASTAT, и в которых используются все антистатические, рассеивающие и проводящие решения:

• IDP: поверхностное сопротивление 10⁷-10⁸ом, окрашиваемые

• Углеродная сажа: поверхностное сопротивление 10³-10⁷ом, черный

• Углеродные нанотрубки: поверхностное сопротивление 10³-10⁶ом, черный

• ICP: поверхностное сопротивление 10⁵-10⁸ом, темные цвета

• Углеволокно: поверхностное сопротивление 10²-10⁶ом, некоторые цвета

• Металлические материалы и материалы с металлическими покрытиями: поверхностное сопротивление 10⁰-10⁴ ом, множество цветов

А также множество других применений с использованием множества других способов

Для того чтобы решить общие или ж частные проблемы,  используется и исследуется множество способов. Вот, к примеру, некоторые из них, и мы не претендуем на то, чтобы быть исчерпывающимися:

• Антистатический пенопласт на основе крахмала
• Антистатические полимеры из возобновляемых источников, такие как Fasalex
• Антистатический PEBA
• Гидрофильные полимеры
• От природы электроактивные полимеры, такие как: 
- PEDT, активированный полистирол сульфонатом (PEDT/PSS) 
- Поли(3-гексилтиофен) 
- Поли (этилен-диокситиофен) или PEDT 
- Поли (фенилен винилен) 
- Полианилин 
- Полиариленэфирсульфон 
- Полипиррол 
- Полиспиробифлюорен 
- Политиофен...
• Металлические (нано)порошки
• Титанатные и цирконатные антистатические вещества
• Zonyl® Фтористые ПВА...

Заключение

Накопление электростатических зарядов и образование разрядов изолирующих полимеров влекут за собой более или менее серьезные проблемы, или даже очень сложные проблемы из-за притягивания частиц пыли и других загрязняющих веществ, вплоть до поломок электронных устройств, дефектов окраски, возгорания или же взрывов в самых различных секторах, таких как упаковочная отрасль, производство электронных и электрических устройств, автомобильных деталей, и компонентов для авиационно-космической промышленности, а также здравоохранение и окрашивание...

Некоторые полимеры, природного или синтетического происхождения, от природы обладают антистатическими свойствами. Это такие полимеры как, например, хлопковое и древесное волокно, полиамиды 11 и 12, пенопласт на основе крахмала, Fasalex, гидрофильные полимеры... К счастью, различные антистатические, рассеивающие и проводящие стратегии позволяют решить эти проблемы с учетом простоты применения, технических требований, обеспечения безопасности, экономических и экологических параметров.

Среди нескольких способов, которые используются для того, чтобы свести к минимуму накопление статического электричества, наиболее простым является выбор готовых к употреблению антистатических или полимерных ESD марок, но для обеспечения большей степени свободы можно добавлять  к традиционным полимерам некоторые проводящие материалы, такие как углеродную сажу, углеродные нанотрубки, металлические (нано)порошки, органические бессажевые антистатические вещества. И, наконец, можно создавать сплавы стандартных полимеров с от природы рассеивающими или проводящими полимерами (IDP и ICP).

Литература

Технические книги и руководства, статьи и вебсайты: ALA Chemicals, Akcros Chemicals, Ampacet, Arkema, Baerlocher, BASF, Bayer, BP, Cabot, Chemax Group, Chrostiki, Ciba Specialty Chemicals, Clariant, Cognis, Colortech, Crompton, Crompton-Witco, Degussa-Goldschmidt, DuPont, Eckart Poudmet, Graphit Kropfmuehl GmbH, Kuraray, Lehmann & Voos, MG Chemicals, Mitsui, Nanophase Technologies, Nissan Chemical, Orion, Precision Painting, Premix, Rhodia, Rohm & Haas, RTP, Schlegel BvBa, Schulman, Shin Etsu, Stepan, Struktol, Teknor Apex, Ticona, TITK, Uniqema...

www.polymery.ru