在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)及日常生活中，靜電危害往往造成重大損失和災(zāi)難。防止聚合物表面產(chǎn)生靜電的方法主要有空氣離子化法、加濕法、金屬接觸放電法、輻射線法、導(dǎo)電物質(zhì)導(dǎo)入法、表面形成吸濕膜法、化學(xué)處理變性法及應(yīng)用抗靜電劑等。

其中，主要應(yīng)用于塑料制品使用過程中的是摻入導(dǎo)電物質(zhì)和添加抗靜電劑。

加入的導(dǎo)電物質(zhì)一般為金屬粉或金屬短纖維、導(dǎo)電炭黑、導(dǎo)電聚合物短纖維等，能使制品具有良好的導(dǎo)電性（表面電阻率＜106Ω）或抗靜電性（表面電阻率在106~108Ω之間）。金屬化合物的抗靜電效果較好，但是價(jià)格較高，普通制品承受不了。

目前應(yīng)用最多的抗靜電方式是添加抗靜電劑。抗靜電劑是一種能防止產(chǎn)生靜電荷，或能有效地消散靜電荷的以表面活性劑為主體的化學(xué)添加劑。使用抗靜電劑的方式是在制品表面涂覆或內(nèi)添加。

從抗靜電性能的檢測(cè)和評(píng)價(jià)指標(biāo)表面電阻率可用于區(qū)分抗靜電材料和導(dǎo)電材料的區(qū)別，如表1所示：

表1 導(dǎo)電材料和抗靜電材料的表面電阻率/Ω（23℃，RH50％）

導(dǎo)電材料	靜電消散材料	抗靜電材料	絕緣材料
＜106	106~108	108~1012	＞1012
＜106	106~109	109~1012	＞1012
＜106	106~108	108~1013	＞1013

目前就導(dǎo)電、抗靜電材料的分界線說法不一，導(dǎo)電材料與靜電消散材料之間的界限為105或106Ω，靜電消散材料與抗靜電材料之間的界限為108或109Ω，抗靜電材料與絕緣材料之間的界限為1012或1013Ω。

美國(guó)是抗靜電劑最大生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)，主要采用羥乙基化脂肪胺、季銨鹽化合物、脂肪酸酯類抗靜電劑，用于聚烯烴、聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS、聚碳酸酯等。歐盟也是生產(chǎn)和消費(fèi)抗靜電劑的主要地區(qū)，所用抗靜電劑中50%為羥乙基化脂肪胺，25%為脂肪烴磺酸鹽，25%為季銨鹽和脂肪酸多元醇酯。日本多用非離子型和陽(yáng)離子型抗靜電劑，其中20%用于PVC，30%用于PP。

我國(guó)抗靜電劑發(fā)展較快，主要是塑料工業(yè)用高效無毒抗靜電劑、合成纖維工業(yè)用高效多功能抗靜電劑及表面處理劑。

一、影響抗靜電效果的因素

1．分子結(jié)構(gòu)和特征基團(tuán)性質(zhì)及添加量

抗靜電劑的效果首先取決于它作為表面活性劑的基本特性――表面活性。表面活性與分子中親水基種類、憎水基種類、分子的形狀、分子量大小等有關(guān)。當(dāng)抗靜電劑分子在相界面上作定向吸附時(shí)，就會(huì)降低相界面的自由能及水和塑料之間的臨界接觸角。這種吸附作用，不僅與基體的性質(zhì)有關(guān)，而且還與表面活性劑的性質(zhì)有關(guān)。根據(jù)極性相似規(guī)則，表面活性劑分子的碳?xì)滏湶糠謨A向與高分子鏈段接觸，極性基團(tuán)部分傾向與空氣中的水接觸。高分子材料作為疏水材料，抗靜電劑在其表面的主要作用就是形成規(guī)則的面向空氣中的水的親水吸附層。

在空氣濕度相同的情況下，親水性好的抗靜電劑會(huì)結(jié)合更多的水，使得聚合物表面吸附更多的水，離子電離的條件更充分，從而改善抗靜電效果。

通過質(zhì)子置換，也能發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移。含有羥基或氨基的抗靜電劑，可以通過氫鍵連成鏈狀，在較低的濕度下也能起作用。在干燥的空氣環(huán)境中，若要求塑料制品成型之后立即發(fā)揮抗靜電性，采用多元醇單硬脂酸酯抗靜電劑非常有效。圖1給出了以上兩種類型的抗靜電劑的典型應(yīng)用實(shí)例。只有在相對(duì)濕度50％的環(huán)境中貯存一段時(shí)間之后，聚丙烯中的羥乙基烷基胺才表現(xiàn)出最佳的抗靜電效果，而且受濕度的影響非常大。硬脂酸單甘油酯在加入之后立即產(chǎn)生抗靜電效果且不受濕度的影響，但是隨著貯存時(shí)間的延長(zhǎng)，其作用效果明顯下降。

適當(dāng)?shù)奶砑觿┙M合可以使高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度聚合物具有更好的抗靜電效果。單硬脂酸甘油酯和羥乙基烷基胺復(fù)合使用可以使表面積較大的聚烯烴產(chǎn)品，如取向膜迅速發(fā)揮抗靜電效果，而且具有長(zhǎng)期持續(xù)的效用（見圖2）。

添加型抗靜電劑效果決定于添加劑向塑料制品表面的遷移速率。當(dāng)塑料制品表面被一層連續(xù)的導(dǎo)電層覆蓋時(shí)，電荷的衰減才達(dá)到最佳。

抗靜電劑的分子量太高，不利于它向高聚物表面遷移；分子量太低，耐洗滌性和表面耐摩擦性不佳。通常抗靜電劑的分子量比高聚物分子量小得多。加入低分子量物質(zhì)可能會(huì)使高聚物材料的物理機(jī)械性能惡化。為了減少這種不良影響，抗靜電劑的一般添加量為0.3%~2.0%。抗靜電劑的添加量還視制品用途而異。

CMC（臨界膠束濃度）值是表面活性劑表面活性的一種量度。CMC值越小，表面活性劑達(dá)到表面（界面）吸附的濃度越低，或形成膠束所需濃度越低，因此抗靜電性的起效濃度也越低。不同結(jié)構(gòu)的抗靜電劑添加量不同，并且隨制品形式的不同而不同。添加量有一個(gè)范圍。過低，抗靜電效果不明顯，過高，會(huì)影響材料的物理機(jī)械性能。薄膜、片材等薄制品的添加量較少，厚制品的添加量則相對(duì)較多。

抗靜電劑與聚合物的相容性遵循極性相近相容原理。高分子材料都具有長(zhǎng)碳鏈結(jié)構(gòu)，多屬非極性樹脂，有的具有極性端基，增強(qiáng)了極性。抗靜電劑同時(shí)具有憎水基（非極性）和親水基（極性）。一般憎水基碳鏈越長(zhǎng)，與聚合物的相容性越好。親水基若極性很強(qiáng)，則與聚合物的相容性不好；若極性較弱，則親水吸附性較差。相容性太好，抗靜電劑不易遷出，達(dá)不到抗靜電效果；相容性不好，遷出太快，持效期太短，影響長(zhǎng)期使用。因此在設(shè)計(jì)和使用抗靜電劑時(shí)需要考慮上述因素，通過實(shí)驗(yàn)篩選抗靜電劑的品種及最佳使用量。

2．基材樹脂

除表面活性劑的結(jié)構(gòu)和性能外，抗靜電性還與高聚物的結(jié)構(gòu)、玻璃化溫度、結(jié)晶性能、介電常數(shù)及表面性能等有關(guān)。表面性能中除表面形狀、多孔性等以外，最主要的是表面能或表面張力。

在選擇涂覆型抗靜電劑時(shí)，抗靜電劑的表面張力應(yīng)等于或小于被涂覆高聚物固體的臨界表面張力，才能得到良好的鋪展?jié)櫇窈驼掣叫Ч１?列出了一些高聚物的臨界表面張力σC。

此外，基材樹脂的結(jié)構(gòu)、結(jié)晶度和取向度（伸長(zhǎng)率）、密度、孔隙率對(duì)抗靜電效果也具有較大影響。抗靜電劑只能存在于高聚物的非晶區(qū)域，并在其中活動(dòng)。聚合物分子鏈的規(guī)整性越好，越容易結(jié)晶；結(jié)晶度越大，密度越大，則非結(jié)晶區(qū)越小，抗靜電劑可活動(dòng)的區(qū)域越小，致使其向外遷出困難。

對(duì)于聚烯烴，加入抗靜電劑的LDPE在加工后很快就顯現(xiàn)抗靜電效果并達(dá)到平衡。HDPE呈現(xiàn)一定滯后，而PP則很慢才出現(xiàn)抗靜電效果（見圖3）。由圖還可清楚看到，羥乙基烷基胺類抗靜電劑分子鏈越長(zhǎng)，遷移越慢，且抗靜電效果隨加工方法的不同而不同。

高聚物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度會(huì)直接影響抗靜電劑分子向表面遷移。玻璃化溫度低的高聚物，在室溫下其鏈段能“自由”運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)能促進(jìn)鏈段周圍的抗靜電劑分子遷移至表面。玻璃化溫度高的高聚物，在室溫下鏈段處于“凍結(jié)”狀態(tài)，不利于抗靜電劑分子遷移。

3．其它添加劑的影響

高聚物材料加工時(shí)，往往要添加一些穩(wěn)定劑、顏料、增塑劑、潤(rùn)滑劑、分散劑或阻燃劑等助劑。這些添加劑與抗靜電劑的相互作用也會(huì)對(duì)抗靜電效果產(chǎn)生很大影響。例如陰離子型穩(wěn)定劑會(huì)與陽(yáng)離子型抗靜電劑形成復(fù)合物，從而降低各自的效果。潤(rùn)滑劑通常能很快遷移到高聚物表面上，抑制了抗靜電劑的轉(zhuǎn)移。若潤(rùn)滑劑分子層覆蓋在抗靜電劑分子層上，會(huì)使抗靜電劑表面濃度降低，顯著影響抗靜電效果；有時(shí)由于潤(rùn)滑劑的影響，也會(huì)促進(jìn)抗靜電劑向表面轉(zhuǎn)移。增塑劑會(huì)增加大分子鏈間的距離，使分子運(yùn)動(dòng)更為容易，提高了高聚物的孔隙率，有利于抗靜電劑向制品表面遷移發(fā)揮抗靜電作用。有些增塑劑會(huì)降低高聚物的玻璃化溫度，也可使抗靜電劑的效果增大。抗靜電劑與各種添加劑的影響大小，事先很難預(yù)測(cè)，目前大多數(shù)是通過實(shí)驗(yàn)來選用最合適的抗靜電劑和用量。

分散劑、穩(wěn)定劑及顏料等無機(jī)添加劑，一般都有較強(qiáng)的吸附能力，使抗靜電劑難以遷移到表面上，對(duì)抗靜電劑的擴(kuò)散遷移具有反作用，抗靜電效果會(huì)變差。大多數(shù)無機(jī)添加劑都是細(xì)小的微粒，具有較大的表面積，易吸附抗靜電劑，使其不能有效地發(fā)揮抗靜電作用。顏料微粒則容易富集在抗靜電劑周圍，影響其向外擴(kuò)散。例如，相同抗靜電劑濃度的ABS中加入二氧化鈦后，抗靜電作用降低。不同無機(jī)填料的吸附性不同，對(duì)抗靜電效果發(fā)揮的影響也不一樣。

此外，高聚物組分中的彈性體也會(huì)使抗靜電劑的效能變差。例如在聚丙烯與橡膠的復(fù)合材料中，發(fā)現(xiàn)抗靜電劑富集在橡膠組分周圍，使其難于遷移到表面。

4．加工過程的影響

聚合物制品的加工方式最終會(huì)影響制品中高分子鏈的規(guī)整程度、結(jié)晶度、結(jié)晶形態(tài)及有序化程度。若高聚物在熔融狀態(tài)下成型后，立即在低于其玻璃化溫度的室溫下進(jìn)行冷卻，抗靜電劑就很難擴(kuò)散到制品表面，從而沒有足夠的抗靜電效果。若制品在高于玻璃化溫度的溫度下冷卻，由于大分子鏈段運(yùn)動(dòng)有助于抗靜電劑擴(kuò)散，這樣不僅制品能呈現(xiàn)出足夠抗靜電效果，而且即使用摩擦或水洗除去表面上的抗靜電劑，也能較迅速恢復(fù)其抗靜電效果。

5．環(huán)境的影響

添加型抗靜電劑發(fā)揮抗靜電效果大多是靠吸附水作為離子的電離場(chǎng)所來進(jìn)行導(dǎo)電，因此空氣濕度的大小將對(duì)抗靜電效果產(chǎn)生較大的影響。表3顯示了塑料的表面電阻率與環(huán)境相對(duì)濕度的關(guān)系。

聚烯烴的抗靜電效果隨濕度的變化關(guān)系見圖4。

由上圖可看出，濕度的不同會(huì)帶來抗靜電性能的差異。在濕度較小（2％）的情況下，即使添加有抗靜電劑，制品表面也不能形成具有相當(dāng)厚度的電離水層，不能給抗靜電劑提供充分的電離場(chǎng)所，也就無法體現(xiàn)抗靜電效果。因此抗靜電劑通常需要一個(gè)最低濕度以保證其抗靜電作用的發(fā)揮。