두 개의 다른 물리적 상태를 가진 고체가 접촉하여 서로 마찰하면 각각의 표면은 전하 재분배를 겪습니다. 재분리 후 각 고체 표면은 접촉 전보다 과도한 양전하(또는 음전하)를 띠게 되는데, 이를 정전기라고 합니다. 재료의 전도도를 특성화하기 위해 저항률이라는 개념을 사용합니다. 체적 저항률은 재료 표면의 전류 방향과 평행한 전위 기울기와 표면의 단위 폭당 전류의 비율입니다. 일반적으로 폴리머는 전기 저항률이 높은 고절연 재료이므로 일단 대전되면 제거하기 어렵습니다. 일상생활에서 플라스틱 바닥을 걷다 보면 신발 밑창과 바닥 사이의 마찰로 인해 인체가 대전될 수 있습니다. 심한 경우 손이 문 손잡이나 물체에 닿으면 방전이 발생하여 따끔거림이 느껴질 수 있습니다. 의료 수술 중 감전 사고가 발생합니다. 전자 산업에서 인체 전기화는 회로를 쉽게 뚫고 집적 회로를 손상시킬 수 있습니다. 섬유 산업은 섬유 응집 등을 일으킵니다.
폴리머의 정전기를 제거하는 방법은 두 가지가 있다
(1) 금속, 탄소섬유, 탄소와 같은 전도성 필러를 추가합니다. 이 방법은 많은 양의 필러가 필요합니다. 필러의 전도도의 급격한 감소는 정전기 방지 효과를 얻기 위해 특정 백분율에 도달해야 합니다. 많은 양을 첨가한 제품의 색상과 품질은 크게 제한됩니다. 예를 들어, 카본블랙으로 채워진 PP의 전도도는 백분율이 15%에 도달할 때만 크게 변합니다. 이때 재료의 색상은 더 이상 다양하고 아름다운 재료의 요구 사항을 충족할 수 없습니다. 금속 필러는 재료의 품질을 높입니다. 금속 섬유 필러는 품질이 낮지만 가공 중에 파손 및 산화되기 쉽기 때문에 더 비쌉니다.
(2) 표면 활성화 및 표면 전도성 향상을 위한 안티 정전제 첨가: 1. 표면 코팅된 안티 정전제는 내구성이 낮고 마찰 및 세척으로 인해 쉽게 손실되어 일시적 또는 단기적인 안티 정전 효과만 제공합니다. 2. 혼합 안티 정전제는 내구성이 높지만 안티 정전제에 대한 요구 사항이 높습니다.
안티정전제
플라스틱 표면에서 정전기가 발생하면 생산 방해, 폭발을 일으키는 불꽃, 전자 장치의 집적 회로 손상 등 다양한 문제가 발생할 수 있습니다. 정전기를 제거하는 일반적인 방법은 정전기 방지제와 같은 계면 활성제를 사용하여 폴리머의 표면 저항을 줄이는 것입니다. 이러한 첨가제의 흡습성으로 인해 폴리머 표면에서 대기의 수분을 흡수하여 정전기를 빠르게 제거하는 얇은 전도성 필름을 형성합니다. 물은 이 과정에서 중요한 역할을 합니다. 대기 습도가 증가함에 따라 폴리머의 표면 전도도도 향상되어 정전하가 빠르게 손실되고 우수한 정전기 방지 성능이 생성됩니다.
다른 용도에 따라, 두 가지 유형의 표면 활성 정전 방지제가 있습니다. 즉, 외부 및 내부입니다. 외부 또는 국소 정전 방지제는 분무, 닦기 또는 함침을 통해 폴리머 표면에 적용됩니다. 이 외부 정전 방지제는 다양한 폴리머에 적합하지만 그 효과는 일시적이며 용매와 접촉하거나 다른 물질과 마찰되면 쉽게 손실됩니다. 내부 정전 방지제는 폴리머 가공 중에 추가됩니다. 이 유형의 표면 활성 정전 방지제는 취급으로 인해 침식된 정전 방지 기능을 보완할 수 있습니다. 이 내부 정전 방지제의 효과는 서리 분무에 따라 달라집니다. 여기서 서리 분무의 의미는 수지에 추가된 내부 정전 방지제가 폴리머 표면으로 부분적으로 이동하는 과정을 말합니다. 따라서 내부 정전 방지제는 장기적인 정전 방지 보호 효과가 있습니다.
표면 활성 정전기 방지제는 양이온성, 음이온성, 비이온성으로 나눌 수 있습니다.
양이온성 정전기 방지제는 일반적으로 장쇄 알킬 4차 암모늄, 인 또는 납 염이며, 평형 이온으로 염화물이 있습니다. 이들은 경질 폴리염화비닐 및 스티렌 기반 폴리머와 같은 극성 매트릭스에서 잘 작동하지만 열 안정성에 부정적인 영향을 미칩니다. 이러한 유형의 정전기 방지제는 일반적으로 식품과 접촉하는 품목에 사용할 수 없습니다. 그리고 정전기 방지 효과는 에톡실화 아민과 같은 내부 정전기 방지제의 1/5~1/10에 불과합니다.
음이온성 정전방지제는 일반적으로 알킬 설폰산, 인산 또는 디티오카바메이트의 알칼리 금속 염이며, 주로 폴리염화비닐 및 스티렌 수지에 사용됩니다. 폴리올레핀 수지에서의 적용 효과는 양이온성 정전방지제와 유사합니다. 알킬설폰산나트륨은 스티렌 기반 수지, 폴리염화비닐, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 폴리카보네이트에서 음이온성 정전방지제로 널리 사용되었습니다.
에톡실화 지방족 알킬아민과 같은 비이온성 정전 방지제는 가장 큰 종류의 정전 방지제를 나타냅니다. 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, ABS 및 기타 스티렌 기반 폴리머에 널리 사용됩니다. 현재 생산 및 판매되는 에톡실화 알킬아민은 여러 가지가 있으며, 차이점은 알킬 사슬의 길이와 불포화도입니다. 에톡시알킬아민은 낮은 상대 습도 조건에서도 매우 효과적인 정전 방지제이며 장기간 효과가 지속됩니다. 이 유형의 정전 방지제는 식품과 간접적으로 접촉하는 품목에 사용하도록 연방 식품의약국에서 승인했습니다. 다른 상업적으로 가치 있는 비이온성 정전 방지제로는 에톡실화 라우로일아민과 같은 에톡실화 알킬아민과 글리세롤 모노스테아레이트(GMS)가 있습니다. 에톡실라우릴아민은 습도가 낮은 환경에서 사용되는 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌에 적합하며 빠르고 오래 지속되는 정전 방지 기능이 필요합니다. GMS 정전 방지제는 가공 중 정전기 보호에만 고려됩니다. GMS는 폴리머 표면으로 빠르게 이동하지만, 에톡실화 알킬아민이나 에톡실화 알킬아민처럼 지속적인 정전기 방지 효과를 발휘할 수 없습니다.
최대 75%의 액상 또는 저용융점 에톡실화 알킬 그룹과 폴리머를 혼합하여 농축 마스터배치를 형성할 수 있습니다. 이러한 마스터배치는 혼합 중에 쉽게 분산되는 반면 운반하기 쉬운 자유 유동 구형 제품입니다. 에톡실화 알킬아민 마스터배치의 장점은 다음과 같이 요약할 수 있습니다.
(1) 미리 분산된 활성 물질을 첨가함으로써 분산성이 우수합니다.
(2) 작은 구형 제품으로 이동성이 좋고 흐름성이 자유로워 계량 및 혼합이 용이합니다.
(3) 압출기 내 스크류 미끄러짐이 적어 가공성이 양호하다.
정전 방지제의 선택 및 투여량은 폴리머의 특성, 가공 방법, 가공 조건, 다른 첨가제의 유형 및 양, 상대 습도 및 폴리머의 최종 용도에 따라 달라집니다. 충분한 정전 방지 효과를 얻는 데 필요한 시간은 다양하며, 정전 방지 보호의 속도와 지속 시간은 정전 방지제의 농도를 증가시켜 증가시킬 수 있습니다. 그러나 정전 방지제를 과도하게 사용하면 최종 제품의 표면이 미끄러워져 인쇄 또는 본딩 성능이 손상될 수 있습니다. 처리되지 않은 무기 필러 및 안료는 정전 방지제 분자를 표면에 흡착시켜 정전 방지제의 효과를 감소시킬 수 있습니다. 이러한 현상은 사용되는 정전 방지제의 양을 증가시켜 보상할 수 있습니다. 그러나 식품과 접촉하는 제품의 경우 첨가되는 정전 방지제의 양은 연방 식품의약국 규정을 준수해야 합니다(연방 규정 코드, 21(21CFR) 참조). (연방 규정 코드, 제목 21(21CFR)).
폴리에틸렌을 사용할 때, 에톡실화 알킬아민 안티정전기제를 선택할 때는 페이스트, 액체, 작은 입자 또는 고체와 같은 물리적 형태를 고려해야 합니다. 에톡실화 탤로우 아민을 페이스트와 같은 특성으로 인해 처리할 수 없는 경우, 액체 에톡실화 올레아민을 사용할 수 있습니다. 고온 처리 조건(180도 이상)에서는 에톡실화 스테아르프탈아민을 선택할 수 있습니다. 빠른 작용의 안티정전기 효과가 필요한 경우, 에톡실화 라우릴 아민을 선택할 수 있습니다. 폴리프로필렌을 사용할 때 고려해야 할 문제는 폴리에틸렌을 사용할 때와 유사합니다. 사용하는 수지의 종류에 관계없이 다양한 용도에 대한 연방식품의약국 규제 한도를 고려해야 합니다. 스티렌 기반 폴리머에 사용할 경우, 에톡실화 코코넛 아민이나 적절한 마스터배치 중 하나를 선택하는 것이 좋습니다.
혼합 및 처리
일반적으로, 안티 정전제는 믹서 또는 압출기에서 안료 및 기타 첨가제와 혼합됩니다. 기술적으로 말하면, 에톡실화 알킬아민과 같은 순수한 안티 정전제는 또 다른 장점이 있는데, 그것은 액체 사출 성형 중에 녹아 안료 마스터배치의 분산제로 작용할 수 있다는 것입니다. 안티 정전제 마스터배치는 최종 가공 장비에 직접 첨가할 수 있습니다. 내부 안티 정전제의 효과는 최종 제품의 생산 및 가공 조건과 밀접한 관련이 있습니다. 예를 들어, 사출 성형 제품의 안티 정전 성능은 금형의 온도에 따라 달라집니다. 일반적으로 금형의 온도가 낮을 때 안티 정전제가 빠르게 이동하여 안티 정전 성능이 향상됩니다.
정전기 방지제의 효과를 평가하는 시험 방법으로는 표면 저항(속도)법과 정전기 붕괴법의 두 가지가 있다. 두 방법 모두 널리 사용되고 있다.
ASTMD257-78의 정의에 따르면, 재료의 표면 저항률은 재료 표면의 단위 폭을 통과하는 전류에 대한 전위 구배의 비율이며, 일반적으로 시편의 기하학적 모양과 관련이 있습니다. 플라스틱 샘플 표면의 같은 쪽에 두 개의 전극을 놓고 전극에 직류 전류를 인가합니다. 샘플을 통과하는 전류를 측정하고 저항을 계산합니다. 그런 다음 표면 저항률의 측정 결과를 옴으로 나타냅니다.
연방 시험 방법 4046의 정의에 따르면, 정전기 감쇠는 유도된 전하의 방전 속도를 말합니다. 샘플(일반적으로 얇은 판이나 필름)을 두 전극 사이에 놓고 전극과 샘플 표면 사이에 몇 밀리미터의 거리를 둡니다. 한 전극은 전원 공급 장치에 연결되고 다른 전극은 전류계와 기록기에 연결됩니다. 한 전극에서 샘플 표면에 유도된 전하로 인한 전기장 변화는 다른 전극으로 측정됩니다. 안티 정전 샘플은 유도된 전하의 감쇠를 보입니다. 감쇠 반감기(초)는 전하가 초기 값에서 절반으로 감쇠하는 데 걸리는 시간입니다.
산업에서 널리 사용되는 또 다른 표준 테스트 방법은 전자 제품 포장에 사용되는 미국 표준입니다. 적절한 방법의 선택은 테스트해야 하는 플라스틱의 최종 용도에 따라 달라집니다.
플라스틱 자체의 전기 저항률은 1014옴입니다. 표 A에 표시된 양에 따라 안티 정전제를 첨가하면 전기 저항률이 1013~109옴으로 감소할 수 있습니다. 저항률을 더 낮추려면 전도성 카본 블랙을 사용하는 것과 같이 전도도를 개선하는 것에만 의존할 수 있습니다.
안티 스태틱 포장 기술은 환경적 우려를 강조하기 위해 개발되고 있습니다. 널리 사용되는 에톡실화 알킬아민은 이제 재사용 가능한 벌크 용기에 포장됩니다. 공급업체는 사용자에게 전달된 후 처리 요구 사항에 따라 희석할 수 있는 더 높은 농도의 안티 스태틱제를 생산하는 경향이 있습니다. 그렇게 하는 목적은 고형 폐기물 처리 비용을 줄이는 것입니다. 고농도 안티 스태틱제를 개발함으로써 제조업체는 한 번에 더 많은 안티 스태틱제를 배송하고 사용자가 처리해야 하는 포장 용기의 수를 줄일 수 있습니다.
기술적으로 말해서, 많은 연구 개발 작업이 여전히 전자 제품의 포장 시장을 중심으로 이루어지고 있습니다. 아민이 없는 안티정전기제로 일반적으로 알려진 에톡실화 라우릴아마이드가 이 분야에서 일반적으로 사용됩니다. LDPE 및 LLDPE 필름의 블로우 몰딩에 사용되는 에톡실화 라우릴아민의 양도 증가하고 있는데, 이는 낮은 습도 조건에서 안티정전기 효과도 더 좋기 때문입니다. 이 제품의 농축물과 마스터배치도 구매할 수 있습니다. 에톡실화 스테아로프탈아민(완전 포화된 18개 탄소 알킬 사슬 포함)은 이축 배향 폴리프로필렌 필름 생산에 적용되었습니다. 이 생산 공정에서 높은 가공 온도는 안티정전기제가 높은 열 안정성을 가져야 합니다.