Jakie środki antystatyczne nadają się do tworzyw sztucznych?

W niektórych sytuacjach może się jednak zdarzyć, że ilość zgromadzonych elektronów będzie większa, a kontakt z materiałem o innym potencjale doprowadzi do wytworzenia większego napięcia, a zatem wyzwolenia ich przepływu. Na pojawianie się tego rodzaju wyładowań szczególnie podatne są rozmaite materiały syntetyczne. Z tego powodu przy ich wytwarzaniu niezbędne jest stosowanie środków antyelektrostatycznych do tworzyw sztucznych. Przyjrzyjmy się bliżej ich działaniu i zobaczmy, jakie ich rodzaje mogą być wykorzystywane, żeby ograniczyć ryzyko powstawania wyładowań.

Wyładowania elektrostatyczne i niebezpieczeństwa z nimi związane

Wszystkie otaczające nas przedmioty zawierają ładunki elektryczne, ponieważ atomy są zbudowane z protonów o ładunku dodatnim oraz otaczających je elektronów o ładunku ujemnym. Zdarza się jednak, że cząsteczka zostanie pozbawiona części elektronów albo na jej powłokę walencyjną dostaną się dodatkowe elektrony, czy to swobodne, czy pochodzące z innej cząsteczki. W takiej sytuacji cząsteczka staje się naładowana dodatnio (przy utracie elektronów) lub ujemnie (przy ich dodaniu). Różne substancje składają się z cząsteczek o odmiennych właściwościach i podatności na zmiany ładunku elektrycznego. Część z nich należy do materiałów dobrze przewodzących prąd, w których elektrony z ostatniej powłoki, tzw. walencyjnej są słabo związane z jądrem atomowym i mogą ją łatwo opuścić, generując przepływ napięcia, czyli ruch elektronów swobodnych. W materiałach będących izolatorami atomy powłoki walencyjnej silniej oddziałują z jądrem, w związku z czym nie opuszczają jej, nie dochodzi zatem do przepływu napięcia.

Nawet ciała będące izolatorami mogą gromadzić na sobie pewną ilość ładunku elektrycznego dzięki tzw. elektryzowaniu. Ładunki mogą się pojawić na powierzchni ciała po kontakcie z innym, które zawierało znacznie większy ładunek elektryczny. Może to nastąpić wskutek szybkiego rozdzielenia dwóch ciał w następstwie czego ładunki rozkładają się nierównomiernie. Podobna sytuacja może mieć miejsce w wyniku tarcia. Ładunki elektrostatyczne gromadzą się na powierzchniach, których cechą charakterystyczną jest duży opór powierzchniowy, tj. takich, gdzie ładunki nie mogą swobodnie przepływać. W efekcie nagromadzenia ładunków ich potencjał rośnie, a każdy kontakt, nawet z ciałem obojętnym elektrycznie, spowoduje wyładowanie i gwałtowny przepływ ładunku. Zbyt duży wzrost natężenia powstałego pola elektrycznego może też spowodować samoistne wyładowanie na powierzchni materiału lub przebicie na inny przedmiot znajdujący się w pobliżu.

Wyładowania elektrostatyczne, tzw. ESD (Electro-Static Discharge) mogą stanowić zagrożenie w wielu sytuacjach, a powstające napięcie może sięgać nawet kilkunastu kV, w zależności od wilgotności powietrza. Pojawienie się ESD wiąże się z niebezpieczeństwem zniszczenia układów elektronicznych, w obecności substancji łatwopalnych może doprowadzić do ich zapłonu, a w atmosferze zagrożonej wybuchem, np. w obecności gazów czy zawieszonych w powietrzu pyłów do eksplozji. Wyładowania o mniejszym napięciu są nieprzyjemne i często utrudniają korzystanie z określonych przedmiotów.

Wśród materiałów, które są szczególnie narażone na ryzyko powstawania wyładowań, są rozmaite rodzaje tworzyw sztucznych. Dużym oporem powierzchniowym charakteryzują się m.in. polietylen (PE), poliwęglan (PC), polipropylen (PP), poliuretan (PUR), a także polichlorek winylu (PVC) oraz politereftalan etylenu (PET). Różne operacje związane z wykorzystaniem przedmiotów wykonanych z tych substancji, np. przesuwanie po innej powierzchni, przesypywanie, zarówno z wykorzystaniem pojemników z tworzywa, jak i obecnością syntetyków w składzie materiału, przemieszczanie po powierzchni, odwijanie materiału z rolki czy bębna, a nawet przelewanie cieczy mogą doprowadzić do wyładowania widocznego w postaci iskry, gdy wartość napięcia przekroczy 5 kV, jak i słabszych.

Zobacz również: ŚRODKI POWIERZCHNIOWO CZYNNE W PRODUKCJI BETONU KOMÓRKOWEGO

Dodawanie antystatyków podczas produkcji przedmiotów z tworzyw sztucznych

Istnieją różne metody ochrony przed wyładowaniami elektrostatycznymi. Tam, gdzie wyładowania ESD stanowią bardzo duży problem, stosuje się zwykle jedno z kilku niezależnych rozwiązań – wprowadzanie specjalnych zabezpieczeń przed powstawaniem wyładowań w postaci uziemień, używanie odzieży ochronnej, regulowania poziomu wilgotności oraz korzystanie wyłączenie z takich materiałów, w których zastosowano zabezpieczenia przed dużym napięciem powierzchniowym i gromadzeniem ładunków elektrycznych.

Przy produkcji tworzyw sztucznych, które mają być zabezpieczone przed wyładowaniami ESD stosuje się najczęściej dwa rozwiązania. Jednym z nich jest wykonywanie na gotowych wyrobach specjalnych powłok antystatycznych, których skład pozwala na przepływ ładunków i eliminowanie ich gromadzenia się. Powłoki, choć skuteczne, mają tę wadę, że stosunkowo szybko ulegają zużyciu i wymagają odnowienia. Drugim jest modyfikacja składu tworzywa przez dodanie do niego substancji zmieniających przewodzenie ładunku.

Antystatyki dodawane do tworzywa są cząsteczkami, które wykazują tendencję do przemieszczania się w strukturze materiału i wędrowania ku jego powierzchni. Cały proces zachodzi zwykle w dość krótkim czasie po uformowaniu gotowego wyrobu. Kumulacja antystatyka na powierzchni pozwala na efektywną ochroną przed wyładowaniami przez stosunkowo długi czas.

Działanie antystatyków jest złożone, polega m.in. na tym, że w ich składzie znajduje się tzw. grupa hydrofilowa, czyli substancje, które sprzyjają tworzeniu się na powierzchni materiału cienkiej warstwy, która nie odpycha cząsteczek wody, ułatwiając rozproszenie ładunku za jej pośrednictwem. Do antystatyków dodaje się również takie pierwiastki jak siarka, fosfor i azot, które poprawiają właściwości antystatyczne.

Użyta substancja musi mieć również skład chemiczny wykazujący powinowactwo do tworzywa, które ma być chronione. Pozwala to na bardziej skuteczną migrację cząsteczek antystatyka ku powierzchni.

Warto pamiętać, że działanie antystatyków ujawnia się zarówno podczas wykorzystywania gotowego produktu przez jego użytkownika, jak i już na etapie produkcji. Dodawanie substancji tego rodzaju pozwala na przyspieszenie wykonywanych operacji oraz zmniejszenie powstających w ich trakcie zagrożeń. Tworzywa, które zawierają w sobie antystatyki, w mniejszym stopniu gromadzą na swojej powierzchni kurz, a także – co szczególnie ważne w przypadku tkanin syntetycznych – stają się mniej podatne na zabrudzenia.