肖同姊
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熱塑性彈性體(Thermoplastic Elastomer,TPE)作為一種聚合物材料,具有高強(qiáng)度、高回彈性、加工成型方式多(可注塑、擠出,吹塑等)、應(yīng)用范圍廣泛、環(huán)保無(wú)毒安全的特點(diǎn),其用量與需求逐年上升。TPE在家用電器、汽車、電線電纜等方面的應(yīng)用增多,這對(duì)TPE的抗靜電性能提出了要求,針對(duì)TPE抗靜電技術(shù)的研究得到了關(guān)注。
聚合物材料的抗靜電等級(jí)根據(jù)表面電阻的高低分為很好(表面電阻<1010Ω)、好(表面電阻1010Ω~1011Ω)、一般(表面電阻1011Ω~1012Ω)、差(表面電阻>1012Ω)四個(gè)等級(jí)[1]。根據(jù)加工方法和使用方式,抗靜電聚合物材料的制備主要有兩種方法,一種是將抗靜電成分涂在TPE制品表面,另一種是將抗靜電成分添加到材料中。外涂型抗靜電成分主要指將抗靜電劑噴涂、刷涂或浸涂在制品表面,它的特點(diǎn)是速效、工藝簡(jiǎn)單、適用面廣,缺點(diǎn)是抗靜電層易被磨損而降低或失去抗靜電效果。
內(nèi)部添加型的抗靜電成分主要包括導(dǎo)電材料和抗靜電劑。導(dǎo)電材料在高分子材料中的抗靜電機(jī)理是形成導(dǎo)電通路,主要包括金屬粉末、金屬短纖維、導(dǎo)電炭黑粉末、碳納米管、導(dǎo)電聚合物短纖維等[2-3],但這些材料顏色深、密度大,應(yīng)用受到一些限制,另外添加量過(guò)多將對(duì)材料的強(qiáng)度產(chǎn)生影響。導(dǎo)電炭黑粉末價(jià)格低,抗靜電效果好,經(jīng)濟(jì)效益也最大[4],但由于炭黑固有的顏色使得它只能用于對(duì)顏色沒(méi)有特殊要求的制品中。目前應(yīng)用最多的是添加抗靜電助劑。
抗靜電劑主要分為離子型抗靜電劑、非離子型抗靜電劑、高分子永久型抗靜電劑。離子型抗靜電劑根據(jù)親水基離子的帶電性質(zhì)劃分為陽(yáng)離子型抗靜電劑、陰離子型抗靜電劑、兩性型抗靜電劑。陽(yáng)離子型抗靜電劑包括季銨鹽類化合物、胺類化合物、烷基咪唑啉類化合物、季磷鹽或季硫鹽類化合物等。其特點(diǎn)是對(duì)高分子材料的附著力強(qiáng),常用作涂覆型抗靜電劑,也可以加入樹脂中使用;缺點(diǎn)是熱穩(wěn)定性差。陰離子型抗靜電劑包括烷基磺酸鹽類化合物、磷酸鹽類化合物等,其特點(diǎn)是可兼做外潤(rùn)滑油使用,與熱穩(wěn)定助劑協(xié)同作用。兩性型抗靜電劑是同時(shí)含有陽(yáng)離子型和陰離子型抗靜電劑,其特點(diǎn)是對(duì)高分子材料附著力強(qiáng),缺點(diǎn)是熱穩(wěn)定性差[5]。
非離子型抗靜電劑包括脂肪酸多元醇酯、脂肪酸、烷醇酰胺、烷醇胺、磷酸酯類等。其特點(diǎn)是不具有電離性,抗靜電效果不如離子型,但熱穩(wěn)定性好,多為無(wú)毒或低毒性。
抗靜電劑一般由親油基和親水基組成,親油基緩慢遷移至聚合物基體中,親水基遷移至聚合物表層,表層的強(qiáng)極性親水基通過(guò)吸濕在聚合物表面形成導(dǎo)電水層,電荷產(chǎn)生后能迅速向空氣水分傳導(dǎo)??轨o電劑的遷移速度受外部環(huán)境影響,一般情況下溫濕度越高,遷移速度越快。這種遷移型抗靜電劑的優(yōu)點(diǎn)是種類多,價(jià)格相對(duì)較低,缺點(diǎn)是析出后容易使制品表面噴霜,抗靜電效果不持久。針對(duì)抗靜電劑的缺點(diǎn),研究者開發(fā)出了高分子永久型抗靜電劑。
高分子永久型抗靜電劑按作用機(jī)理可分為親水性高分子抗靜電劑、本征型導(dǎo)電高分子抗靜電劑。親水性高分子抗靜電劑是指分子內(nèi)含有聚環(huán)氧乙烷、聚季銨鹽結(jié)構(gòu)等導(dǎo)電性單元的高分子聚合物。其特點(diǎn)是與樹脂不相容,普通共混效果不好,所以利用聚合物合金化技術(shù),提高其分散程度,在基體樹脂中形成“芯-殼”結(jié)構(gòu)[6]。本征型導(dǎo)電高分子抗靜電劑指具有共軛π鍵長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)的高分子經(jīng)過(guò)化學(xué)或電化學(xué)摻雜后形成的材料。其特點(diǎn)是具有高分子的豐富結(jié)構(gòu),可加工,密度小,還具有金屬的高電導(dǎo)率和半導(dǎo)體性質(zhì)。永久型抗靜電劑雖然效果持久,但普遍價(jià)格相對(duì)較高,且多依賴進(jìn)口。
聚氨酯彈性體所用的抗靜電劑主要是季銨鹽類的陽(yáng)離子型表面活性劑,優(yōu)點(diǎn)是與聚氨酯的相容性適宜,具有較強(qiáng)的附著力,閃電高,毒性小,缺點(diǎn)是熱穩(wěn)定性稍差[7]。
陶帥等人研究了抗靜電劑DE-8A、碳納米管、導(dǎo)電炭黑對(duì)聚醚型聚氨酯彈性體抗靜電性能的影響,結(jié)果表明:(1)添加量為1.44%時(shí),三種抗靜電助劑中DE-8A對(duì)聚氨酯彈性體的硬度影響不大,分散性最好,表明電阻最低(由1015Ω降至109Ω),拉伸強(qiáng)度降低不多;碳納米管使材料硬度略有上升,表面電阻降至1011Ω,拉伸強(qiáng)度降低不多;導(dǎo)電炭黑使材料硬度升高最多,表面電阻降至1010Ω,拉伸強(qiáng)度降低最多。經(jīng)對(duì)比,在1.44%添加量下,抗靜電劑DE-8A的綜合效果最好。(2)隨著抗靜電劑DE-8A的增加(添加量由0.8%至2.8%),材料的表面電阻呈急速下降趨勢(shì),當(dāng)添加量為2.8%時(shí),表面電阻達(dá)到108Ω。
陳酒姜等人[8]研究了四種抗靜電劑(陽(yáng)離子型固體抗靜電劑Cyastat-LS、陽(yáng)離子型液體抗靜電劑 TM、高分子型固體永久抗靜電劑 E-1016、高分子型液體永久抗靜電劑 E-1019)對(duì)聚脲彈性體表面電阻的影響,結(jié)果表明:隨著抗靜電劑添加比例的升高(1.5%-3%),聚脲彈性體表面電阻逐漸下降,其中陽(yáng)離子型液體抗靜電劑 TM和高分子型液體永久抗靜電劑 E-1019的抗靜電效果較好。選取抗靜電劑E-1019作為改良配方的研究對(duì)象,在調(diào)整聚脲彈性體配方后,發(fā)現(xiàn)最優(yōu)配方的聚脲彈性體樣品經(jīng)120℃耐溫測(cè)試無(wú)氣泡、無(wú)脫落、表面電阻無(wú)變化,該樣品6個(gè)月后測(cè)試表面電阻,亦無(wú)變化。
葉林忠等人[9]研究了鹽、金屬氧化物、一縮二乙二醇對(duì)SBS/PS/LLDPE彈性體復(fù)合材料抗靜電性能的影響,結(jié)果表明:(1)加入3份的一縮二乙二醇以及30-60份的鹽,不僅對(duì)SBS/PS/LLDPE彈性體復(fù)合材料的抗靜電性能沒(méi)有改善,表面電阻始終維持在1012Ω,而且使材料的拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度都降低;(2)加入3份的一縮二乙二醇以及30-60份的金屬氧化物,對(duì)SBS/PS/LLDPE彈性體復(fù)合材料的抗靜電性能也沒(méi)有改善,并且使材料的拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度都降低;(3)加入3份的一縮二乙二醇以及20-60份的鹽與金屬氧化物的混合物,當(dāng)添加量超過(guò)40份,SBS/PS/LLDPE彈性體復(fù)合材料的表面電阻開始降低,當(dāng)添加量為80份時(shí),材料的表面電阻降至6.2×108Ω,可見(jiàn)一縮二乙二醇/鹽/金屬氧化物的混合物改善了SBS/PS/LLDPE彈性體復(fù)合材料的抗靜電性能。但是同時(shí),鹽/金屬氧化物的增加使SBS/PS/LLDPE彈性體復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度下降。
彭建崗等人[10]采用雙輥混煉塑化—平板硫化的方法,研究了導(dǎo)電炭黑用量、混煉次數(shù)、橡塑比等變量對(duì)NBR/PVC熱塑性彈性體復(fù)合材料性能的影響。研究表明:(1)當(dāng)NBR/PVC橡塑比為70/30或60/40,導(dǎo)電炭黑含量由14份增加到40份時(shí),彈性體復(fù)合材料的邵爾硬度升高,拉伸強(qiáng)度沒(méi)有顯著提高或降低,斷裂伸長(zhǎng)率降低,表面電阻降低。當(dāng)導(dǎo)電炭黑含量超過(guò)22份,彈性體復(fù)合材料表面電阻顯著降低,當(dāng)導(dǎo)電炭黑含量超過(guò)30份時(shí),表面電阻變化不顯著。(2)混煉次數(shù)對(duì)彈性體復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、邵爾硬度、表面電阻均沒(méi)有顯著變化。
抗靜電劑的使用效果除了受環(huán)境溫度濕度影響,在基體樹脂中分散性、相容性也影響抗靜電效果。熱塑性彈性體的種類較多,但是具體針對(duì)一種彈性體進(jìn)行的抗靜電研究還有待繼續(xù)深入。