انتخاب عوامل ضد الکتریسیته ساکن مناسب برای پلیمرها
عوامل آنتی‌استاتیک با دو هدف کلی کنترل بارهای ساکن در طول مراحل مختلف فرآیند و تولید پلیمرها و یا ارائهٔ یک محافظت طولانی‌مدت در برابر بارهای ساکن بر اساس کاربردهای نهایی، بکار گرفته می‌شوند. اما انتخاب یک افزودنی مناسب برای محصول موردنظر از بین محصولات مختلف موجود در بازار بسیار حائز اهمیت است. در این مقاله به بررسی جامع جنبه‌های مهم مربوط به مواد آنتی‌استاتیک و شیمی آن‌ها، همراه با عواملی که بر انتخاب آنتی‌استاتیک‌ها اثر می‌گذارند، ازجمله سازگاری آن‌ها با پلیمرهای مختلف مانند پلی‌اولفین‌ها، پلی‌استرها، پلی‌آمیدها، و موارد دیگر پرداخته‌شده است.
همه ما با پدیده الکتریسیته ساکن و تجمع آن در قطعات مختلف آشنا هستیم و هم‌چنین تجربهٔ تخلیهٔ بار الکتریکی را داشته‌ایم. این پدیده در اصل به مقاومت الکتریکی مواد مربوط می‌شود. مواد پیرامون ما بر اساس مقاومت الکتریکی‌شان به چهار دستهٔ رسانای الکتریسیته، اتلاف‌کنندهٔ الکتریسیته، آنتی‌استاتیک‌ها و عایق‌های الکتریسیته تقسیم می‌شوند.
بااینکه با اضافه کردن افزودنی‌های مناسب می‌توان به پلیمرهایی با میزان مقاومت الکتریکی متفاوت دست‌یافت، اما به‌طورکلی پلاستیک‌ها به لحاظ الکتریکی موادی عایق هستند و بسته به مقاومت سطحی‌شان می‌توانند در معرض تجمع و تخلیهٔ بار الکتریکی قرار بگیرند.
آنتی‌استاتیک‌ها موادی هستند که تجمع بار الکتریکی ساکن را، به‌خصوص در سطح پلیمر، کنترل می‌کنند.
پدیدهٔ تجمع بار در سطح، ماده را مستعد تخلیهٔ الکتریکی، جذب گردوغبار، و نیز جذب اجسام و ذرات سبک می‌کند. اتلاف این بار ساکن (یا تخلیهٔ الکترواستاتیک، ESD) مستلزم ایجاد شرایطی جهت دور کردن الکترون‌ها از سطح موردنظر است.
به‌طورکلی پلیمرهای اتلاف‌کنندهٔ بار یا ESD باید دارای ویژگی‌های زیر باشند:
- مقاومت سطحی در محدودهٔ 105-106 تا 1012 اهم
- نیمه‌عمر تخلیهٔ استاتیک کمتر از 60 ثانیه
تجمع و تخلیهٔ بارهای ساکن در موارد زیر شایع است:
- فرآیندهای پیوستهٔ تولید مانند تولید فیلم
- تولید، نگهداری، و تعمیر لوازم الکترونیکی
- بسته‌بندی مواد آلی با اندازه‌های ریز
- لوازم نقلیه: تخلیهٔ الکترواستاتیک در شلنگ‌های انتقال سوخت از باک به موتور می‌تواند منجر به آتش‌سوزی شود.
- در صنایع هوانوردی: رعدوبرق
- در تمیز کردن لوازم و سطوح مختلف
عوامل آنتی‌استاتیک می‌توانند مایع، نیمه‌جامد، و یا جامد باشند. این مواد به‌طورمعمول می‌توانند در سطح جسم یا قطعهٔ موردنظر، و یا در فرمولاسیون مادهٔ اولیه قبل از تولید بکار 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 آنتی‌استاتیک به‌عنوان اجزایی با استفادهٔ کوتاه‌مدت در نظر گرفته می‌شوند. حالت دوم، مربوط به زمانی است که در کاربرد نهایی محصول موردنظر، نیاز به محافظت طولانی‌مدت در برابر بارهای ساکن وجود داشته باشد، مانند الیاف آنتی‌استاتیک فرش و برخی مواد کامپوزیتی که مستعد تولید بار ساکن هستند.
بعلاوه، آب (رطوبت) نقش کلیدی در کمک به اتلاف بار از طریق رسانایی‌اش دارد. بدین معنی که رطوبت می‌تواند در نقش هادی الکتریکی عمل کرده و بار ساکن ذخیره‌شده در جسم را به زمین یا اجسام دیگر منتقل کند.
شیمی عوامل آنتی‌استاتیک
آنتی‌استاتیک‌ها به‌طورکلی به دو زیرمجموعهٔ آنتی‌استاتیک‌های آلی و آنتی‌استاتیک‌های معدنی تقسیم می‌شوند. در جدول زیر آنتی‌استاتیک‌های مختلف بر اساس نیازمندی‌های قطعه و نیز کاربرد نهایی آن دسته‌بندی‌شده‌اند:
عوامل آنتی‌استاتیک در پلیمرها
آنتی‌استاتیک‌های معدنی
نمک‌های معدنی و برخی عناصر آلی پایه می‌توانند به ماتریس پلیمر افزوده‌شده و برای مدت طولانی از تجمع بارهای استاتیک جلوگیری کنند. مثال‌هایی از این عوامل آنتی‌استاتیک عبارت‌اند از:
- کربنی که در الیاف فرش جهت تولید فرش‌های آنتی‌استاتیک مورداستفاده قرار می‌گیرند.
- کربنی که در بسیاری از دستمال‌های ببافت، جهت استفاده در اتاق‌های تمیز و کاربردهای مربوط به هوافضا بکار برده می‌شود.
اگرچه طبیعت یونی نمک‌ها برای کمک به اتلاف بار (جداسازی یون) در ماتریس پلیمری به‌آسانی قابل‌دسترس نیست، بااین‌حال نمک‌های گوناگون می‌توانند در ماتریس پلیمر بکار برده شده و خواص آنتی‌استاتیک از خود ارائه دهند.
عوامل آنتی‌استاتیک آلی
آنتی‌استاتیک‌های آلی بیشتر موادی را که برای کمک به هدایت بار اضافی به‌دوراز سطح پلیمر مورداستفاده قرار می‌گیرند، شامل می‌شوند. با این‌که بعضی از این مواد را می‌توان در ماتریس جامد نیز بکار برد، اما غالباً به‌صورت خارجی، جهت کنترل بارهای استاتیک در حین فرآیند و هم‌چنین در کاربردهای نهایی استفاده می‌شوند.
آنتی‌استاتیک‌های آلی خود به چند دستهٔ زیر تقسیم می‌شوند:
- فسفات‌ها، معمولاً نمک پتاسیم یا سدیم اسید آزاد مربوطه
- آمین‌های نوع چهارم (کاتیون آمونیوم نوع چهارم)
- مواد نم‌بین غیر یونی، یعنی سورفاکتانت‌های اتیلن اکساید و یا پروپیلن اکساید (نم‌بینی به توان یک ماده در جذب مولکول آب از فضای پیرامون و نگهداری آن گفته می‌شود.)
فسفات‌ها و آمین‌های نوع چهارم، آنتی‌استاتیک‌های اصلی، مولکول‌های آلی هستند که دارای یون‌های مثبت و منفی‌اند. لازم به ذکر است که هرچه اندازهٔ یک جز کوچک‌تر باشد، دانسیتهٔ الکترون اطراف مولکول بزرگ‌تر بوده و درنتیجه توانایی اتلاف بار توسط آن ارتقا می‌یابد.
ترکیبات شیمیایی سولفاته و سولفوناته هم می‌توانند به‌عنوان عامل آنتی‌استاتیک مورداستفاده قرار بگیرند اما تأثیر آنتی‌استاتیکی قوی ارائه نمی‌دهند. به‌عنوان‌مثال می‌توان به نمک پتاسیم دی‌اکتیل‌سولفوکسینات اشاره کرد که به‌عنوان یک سورفکتانت، خواص آنتی‌استاتیکی ضعیفی را ارائه می‌دهد.
سورفکتانت‌های غیریونی از طریق ویژگی نم‌بینی و جفت الکترون‌های ناپیوندی بر روی اکسیژن عمل می‌کنند به این صورت که، سمت آب‌گریز با سطح ماده و سمت آب‌دوست با رطوبت هوا برهم‌کنش می‌دهند. درنتیجه مولکول‌های آب در نزدیکی سطح ماده به دام می‌افتند. در اینجا هم، اثر آنتی‌استاتیکی ارائه‌شده در مقایسه با فسفات‌ها یا آمین‌های 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 می‌شوند و در هر دو حالت، استرهای مونو و دی-اسید تشکیل می‌شوند. در هنگام استفاده، این استرهای اسیدی آزاد به نمک متناظرشان، ترجیحاً پتاسیم تبدیل می‌شوند.
ویژگی‌ها
- دارای خاصیت آنتی‌استاتیکی بسیار بالایی هستند.
- طیف گسترده‌ای از استرهای فسفریک اسید در دسترس هستند.
- با افزایش وزن مولکولی میزان اثربخشی کاهش می‌یابد و نمک‌های فسفات با وزن مولکولی پایین تأثیر بیشتری نسبت به نمک‌های با وزن مولکولی بالا دارند.
- استرهای فسفات تشکیل‌شده از P2O5 نسبت به PoCl3 ارجحیت دارند.
- به‌کارگیری فسفات‌های جامد در فرمولاسیون مشکل است.
- استرهای اسیدی خنثی نشده آنتی‌استاتیک‌های ضعیف‌تری هستند.
- آنتی‌استاتیک‌های با وزن مولکولی پایین به میزان بیشتری به پلیمرها، خصوصاً به نایلون و اسپندکس جذب می‌شوند.
- استرهای تولیدشده با PoCl3 یون‌های هالید خورنده از خود بر جای می‌گذارند.
آمین‌های نوع چهارم
این دسته از آنتی‌استاتیک‌ها 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 می‌شود.
ویژگی‌ها
- به‌طورمعمول در صنعت محصولات آرایشی استفاده می‌شود.
- میزان رسوب آن و مشکلات مربوط به آن در آمین‌های نوع چهارم کمتر از فسفات‌هاست.
- حتی در شرایط RH پایین هم‌ظرفیت آنتی‌استاتیک متوسطی دارد.
- به‌آسانی در فرمولاسیون سیستم‌های روان‌کننده قرار می‌گیرد.
- پذیرش محدود آنیون‌های انتخابی توسط EPA و REACH.
- بیشتر آنیون‌ها خصوصاً متیل سولفات دارای مشکلات H&E (سلامتی و زیست‌محیطی) هستند.
سورفکتانت‌های غیر یونی
سورفکتانت‌های غیر یونی طیف وسیعی از مواد شیمیایی را شامل می‌شوند که می‌توانند شامل الکل‌های ساده تا ساختارهای پیچیدهٔ پلی‌هیدریک زیستی شوند. به دلیل همین گستردگی، تمرکز ما در این بخش‌بر موادی که در پلیمرها کاربرد دارند یعنی، سیستم‌های الکلی یا اسید اتوکسیله و یا اسید اتوکسیله/پروپوکسیله است.
این سیستم‌ها با جفت الکترون‌های موجود بر روی اتم‌های اکسیژن ماهیت متمایل به نم‌بینی دارند که به هدایت بار ساکن دور از سطح پلیمر کمک می‌کنند.
ویژگی‌ها
- تعداد زیادی از محصولات این دسته در دسترس هستند.
- در ایجاد خواص نم‌بینی برای ارتقای اثر آنتی‌استاتیک عالی عمل می‌کنند.
- در مقایسه با فسفات‌ها و آمین‌های نوع چهارم اثر آنتی‌استاتیک کمتری دارند.
- درصد زیادی از آن‌ها در فرمولاسیون نیاز است.
در فرمولاسیون‌های حاوی فسفات یا آمین نوع چهارم به امتزاج‌پذیری کمک و اثر منفی در اثر آنتی‌استاتیکی آن‌ها ایجاد نمی‌کنند.
به‌جز موارد گفته‌شده که دودستهٔ اصلی مواد آنتی‌استاتیک را تشکیل می‌دهند، برخی فیلرها و افزودنی‌های رسانا نیز وجود دارند که به‌طور گسترده‌ای در ESD، محافظت از تداخل امواج الکترومغناطیسی (EMI)، و هم‌چنین امواج رادیویی (RFI)، بکار می‌روند.
فیلرها و افزودنی‌های رسانا
این مواد منجر به تولید پلاستیک‌های رسانای حجمی می‌شوند که می‌توانند به‌عنوان رسانا الکترون‌ها را از دیگر مواد دارای بار ساکن دریافت و تخلیه کنند. تمامی پلاستیک‌هایی که به شکل مناسبی با فیلر پرشده‌اند می‌توانند برای حفاظت امواج رادیویی، الکترومغناطیسی، و نیز تخلیهٔ بار استاتیک مورداستفاده قرار بگیرند:
- پلاستیک‌های مورداستفاده در کالاهای مصرفی مانند PE، PS، PP.
- پلاستیک‌های مهندسی مانند ABS، PA 6/6، PA 6، PC، POM، PBI، PPO، PPS.
- پلاستیک‌های ویژه مانند PEI و PEEK
- آلیاژهایی مانند PC/PMMA، PC/ABS.
کربن بلک
مقاومت مادهٔ 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 می‌کند.
الیاف رسانا
الیاف کربن و استیل مانند الیاف رسانای سلولز که به میزان بالا با کربن بلک پرشده باشند در صنعت برای رسانا کردن پلاستیک‌ها و کامپوزیت‌ها استفاده می‌شوند.
مقاومت مادهٔ نهایی به موارد زیر بستگی خواهد داشت:
- اندازه، نسبت منظر، و ماهیت شیمیایی الیاف
- میزان الیاف
- روش اختلاط
گریدهای ویژه‌ای تحت عنوان افزودنی برای پلاستیک‌ها و رابرهای رسانا در بازار موجود است. با استفاده از این افزودنی‌ها، خواص دیگر مواد نهایی مانند رنگ، مدول، استحکام ضربه، و ... نیز اصلاح می‌شوند.
گرافیت
مقاومت مادهٔ نهایی به موارد زیر بستگی دارد:
- نوع گرافیت: برخی گریدها به‌طور ویژه برای رسانایی الکتریکی‌شان تولید می‌شوند.
- نسبت منظر
- میزان گرافیت
- گرید پلیمر
- روش اختلاط
بعلاوه، گرافیت دارای خواص روان‌کنندگی نیز هست. برخی تولیدکنندگان مدعی هستند که مقاومت‌ها می‌توانند در حد مقاومت به‌دست‌آمده توسط کربن بلک‌های رسانا، کمتر و یا بیشتر از آن باشند و این بستگی به گریدهای مورداستفاده 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 اندازهٔ ذرات فلز
- میزان پودر فلز
- روش اختلاط
گریدهای خاصی از این مواد به‌صورت افزودنی برای پلاستیک‌ها و رابرهای رسانا در بازار موجود هستند. باید توجه داشت که نوع پلیمر بر انتخاب فلز تأثیر می‌گذارد. به‌عنوان‌مثال ولکانیزاسیون گوگردی می‌تواند مشکلاتی را در فلزاتی مثل مس و نقره (در اثر حملهٔ گوگرد) ایجاد کند.
استفاده از فلزات هم‌چنین باعث اصلاح دیگر خواص مانند رنگ، مدول، استحکام ضربه، و ... می‌شود.
برخی از گریدهای آلومینیوم و زیرکونیوم به‌طور ویژه جهت کاربرد در پلیمرها برای دستیابی به ESD تولید می‌شوند.
نانولوله‌های کربنی (CNT)
استفاده از نانولوله‌های کربنی در تولید انبوه به‌سرعت در حال رشد است. CNTها باوجود قیمت بالا هزینه تولید را به‌طور پیوسته‌ای کاهش می‌دهند. مقاومت بسیار کم نانولوله‌های کربنی امکان به‌دست‌آمده آوردن پلیمرهای EMI را با میزان CNT کمتر از 1% فراهم می‌آورد که این مقدار بسیار کمتر از میزان استفاده از کربن‌های سیاه رسانای رایج است.
پلیمرهای رسانای ذاتی (ICP)
ICPها از بهترین گزینه‌ها برای تولید انبوه و دستگاه‌های خاص هستند.آن‌ها به‌ویژه در لوازم الکترونیکی شفاف، فیلم‌های رسانای شفاف (TCF)، و فوتوولتائیک‌ها بکار می‌روند. به‌عنوان‌مثال، PEDOT، پلی‌آنیلین، و پلی‌الکترولیت یونومر (IPE) توسط بسیاری از شرکت‌های تولیدکننده پیشنهادشده‌اند.
ICPها می‌توانند با بسیاری از پلاستیک‌های رایج ازجمله ABS، آکریلیک‌ها، کامپوزیت‌ها، پلی‌آمیدها، پلی‌کربنات‌ها، پلی‌استرها، رابرها، و TPEها آلیاژ شوند.
ارزیابی عملکرد آنتی‌استاتیک
یکی از آزمون‌های متداول برای ارزیابی عملکرد یک عامل آنتی‌استاتیک، آزمون مقاومت الکتریکی است. نتیجهٔ این آزمون به‌صورت لگاریتم مقاومت بیان می‌شود. معمولاً عملکرد آنتی‌استاتیک به‌صورت حداکثر LogR مجاز تحت شرایط خاص رطوبتی مشخص می‌شود. نمودار زیر دیدگاه خوبی از محدودهٔ مقادیری که بیانگر اثر آنتی‌استاتیکی مطلوب هستند ارائه می‌دهد.
معیارهای انتخاب عوامل آنتی‌استاتیک
انتخاب عوامل آنتی‌استاتیک به ماهیت پلیمر و شرایط فرآیند بستگی دارد. عوامل زیر می‌توانند بر عملکرد اتلاف بار استاتیک تأثیر داشته باشند:
- رطوبت
- دمای آماده‌سازی پلیمر
- دمای فرآیند نهایی
تأثیر رطوبت (RH%) بر رفتار آنتی‌استاتیک
آنتی‌استاتیک‌های غیر یونی کمتر تحت تأثیر رطوبت نرمال محیط تولید قرار می‌گیرند درحالی‌که فسفات‌ها و آمین‌های نوع چهارم به رطوبت حساس بوده و رفتارهای قابل‌توجهی را بر اساس میزان رطوبت نشان می‌دهند.
- تأثیرگذاری فسفات‌ها به‌شدت با کاهش رطوبت کاهش می‌یابد. 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.
- آمین‌های نوع چهارم به‌طورکلی به میزان فسفات‌ها تحت تأثیر تغییرات رطوبت نیستند و با افزایش وزن مولکولی تأثیر غیرخطی از خود در اتلاف بار نشان می‌دهند.
اغلب پلیمرها به‌خوبی با عوامل آنتی‌استاتیک ترکیب می‌شوند. نمک‌های غیر آلی و کربن، در صورت امکان استفاده، به‌طور کامل در تمام سیستم‌های پلیمری امتزاج‌پذیرند. جدول زیر میزان توانایی عوامل آنتی‌استاتیک در اتلاف بار را نسبت به شکل فیزیکی و نوع پلیمر نشان می‌دهد (5 عالی، 5- بسیار ضعیف).
|
نوع پلیمر |
فسفات‌ها |
آمین‌های نوع چهارم |
غیر یونی‌ها |
||||||
|
مایع |
نیمه جامد |
جامد |
مایع |
نیمه جامد |
جامد |
مایع |
نیمه جامد |
جامد |
|
|
پلی‌اولفین |
5 |
+3 |
2 |
4 |
3 |
0 |
1- |
1- |
1- |
|
پلی‌استر |
5 |
5 |
5 |
4 |
4 |
3 |
1 |
1 |
2- |
|
پلی‌آمید |
+4 |
5 |
+3 |
4 |
+3 |
+2 |
1 |
1 |
2- |
|
آرامید |
5 |
5 |
5 |
4 |
4 |
4 |
1 |
1 |
1 |
|
پلی‌یورتان |
1- |
1 |
3 |
1- |
1 |
3 |
1 |
1 |
1 |
|
پلی‌کتون |
5 |
5 |
5 |
4 |
4 |
3 |
1 |
1 |
0 |
|
فلوئوروپلیمرها |
5 |
5 |
5 |
4 |
4 |
4 |
2 |
1 |
0 |
|
الیاف کربن |
5 |
5 |
5 |
4 |
3 |
3 |
2 |
1 |
0 |