عندما يتلامس جسمان صلبان بحالتين فيزيائيتين مختلفتين ويفركان بعضهما البعض، تخضع أسطحهما لإعادة توزيع الشحنة. بعد إعادة الانفصال، سيحمل كل سطح صلب فائضًا من الشحنة الموجبة (أو السالبة) مقارنة بما كان عليه قبل التلامس، وهو ما يسمى بالكهرباء الساكنة. لتوصيف موصلية المادة، يتم استخدام مفهوم المقاومة. المقاومة الحجمية هي نسبة التدرج المحتمل الموازي لاتجاه التيار على سطح المادة إلى التيار لكل وحدة عرض على السطح. بشكل عام، تعد البوليمرات مواد عزل عالية ذات مقاومة كهربائية عالية، لذلك بمجرد شحنها، يصعب التخلص منها. في الحياة اليومية، عند المشي على أرضية بلاستيكية، يمكن للاحتكاك بين نعل الحذاء والأرضية أن يجعل جسم الإنسان مشحونًا. في الحالات الشديدة، إذا لامست اليد مقبض الباب أو أي شيء، فقد ينتج أيضًا تفريغًا، مما يتسبب في إحساس بالوخز؛ تحدث حادثة صدمة كهربائية أثناء الجراحة الطبية. في الصناعة الإلكترونية، يمكن للكهرباء البشرية أن تخترق الدوائر بسهولة، مما يتسبب في تلف الدوائر المتكاملة؛ تتسبب صناعة النسيج في تجمع الألياف وما إلى ذلك.
هناك طريقتان للتخلص من الكهرباء الساكنة في البوليمرات
(1) إضافة حشوات موصلة، مثل المعدن وألياف الكربون والكربون. تتطلب هذه الطريقة كمية كبيرة من الحشو. يجب أن يصل الانخفاض المفاجئ في موصلية الحشو إلى نسبة معينة من أجل تحقيق تأثير مضاد للكهرباء الساكنة. سيتم تقييد لون وجودة المنتجات بكمية كبيرة من الإضافة. على سبيل المثال، لا تتغير موصلية مادة البولي بروبيلين المملوءة بالكربون الأسود بشكل كبير إلا عندما تصل النسبة إلى 15٪. في هذا الوقت، لم يعد لون المادة قادرًا على تلبية متطلبات المواد المتعددة والجميلة. تزيد الحشوات المعدنية من جودة المواد. حشوات الألياف المعدنية منخفضة الجودة ولكنها عرضة للكسر والأكسدة أثناء المعالجة، مما يجعلها أكثر تكلفة.
(2) إضافة عوامل مضادة للكهرباء الساكنة لتنشيط السطح وتحسين توصيل السطح: 1. تتمتع عوامل مضادة للكهرباء الساكنة المطلية بالسطح بمتانة منخفضة وتضيع بسهولة بسبب الاحتكاك والغسيل، مما يوفر تأثيرات مضادة للكهرباء الساكنة مؤقتة أو قصيرة المدى فقط. 2. تتمتع عوامل مضادة للكهرباء الساكنة المختلطة بمتانة عالية، ولكنها تتطلب متطلبات عالية لعوامل مضادة للكهرباء الساكنة.
عامل مضاد للكهرباء الساكنة
يمكن أن يتسبب توليد الكهرباء الساكنة على الأسطح البلاستيكية في حدوث مشكلات مختلفة، مثل إعاقة الإنتاج، والشرارات التي تسبب الانفجارات، وتلف الدوائر المتكاملة للأجهزة الإلكترونية. الطريقة العامة لإزالة الكهرباء الساكنة هي استخدام المواد الخافضة للتوتر السطحي، مثل العوامل المضادة للكهرباء الساكنة، لتقليل مقاومة سطح البوليمرات. نظرًا لخصائص امتصاص الرطوبة لهذه المواد المضافة، فإنها تمتص الرطوبة من الغلاف الجوي على سطح البوليمر، وتشكل طبقة موصلة رقيقة تقضي بسرعة على الكهرباء الساكنة. يلعب الماء دورًا مهمًا في هذه العملية. مع زيادة الرطوبة الجوية، تتحسن أيضًا موصلية سطح البوليمر، مما يتسبب في فقدان سريع للشحنة الساكنة وإنتاج أداء جيد مضاد للكهرباء الساكنة.
وفقًا للاستخدامات المختلفة، هناك نوعان من عوامل مكافحة الكهرباء الساكنة النشطة على السطح، وهي خارجية وداخلية. يتم تطبيق عوامل مكافحة الكهرباء الساكنة الخارجية أو الموضعية على سطح البوليمرات من خلال الرش أو المسح أو التشريب. على الرغم من أن عامل مكافحة الكهرباء الساكنة الخارجي هذا مناسب للعديد من البوليمرات، إلا أن فعاليته مؤقتة فقط، ومن السهل فقده بعد ملامسة المذيبات أو الاحتكاك بمواد أخرى. تتم إضافة عوامل مكافحة الكهرباء الساكنة الداخلية أثناء معالجة البوليمر. يمكن لهذا النوع من عوامل مكافحة الكهرباء الساكنة النشطة على السطح أن يكمل وظيفة مكافحة الكهرباء الساكنة التي تآكلت بسبب المناولة. يعتمد تأثير عامل مكافحة الكهرباء الساكنة الداخلي هذا على الرش بالصقيع. يشير معنى الرش بالصقيع هنا إلى العملية التي ينتقل فيها عامل مكافحة الكهرباء الساكنة الداخلي المضاف إلى الراتينج جزئيًا إلى سطح البوليمر. لذلك، تتمتع عوامل مكافحة الكهرباء الساكنة الداخلية بتأثير حماية طويل الأمد ضد الكهرباء الساكنة.
يمكن تقسيم العوامل المضادة للكهرباء الساكنة النشطة على السطح إلى أنواع كاتيونية وأنيونية وغير أيونية.
إن العوامل المضادة للكهرباء الساكنة الكاتيونية هي عادةً أملاح رباعية الأمونيوم أو الفوسفور أو الرصاص طويلة السلسلة، مع الكلوريدات كأيونات توازن. وهي تعمل بشكل جيد في المصفوفات القطبية مثل البولي فينيل كلوريد الصلب والبوليمرات القائمة على الستيرين، ولكنها تؤثر سلبًا على استقرارها الحراري. لا يُسمح عادةً باستخدام هذا النوع من العوامل المضادة للكهرباء الساكنة في العناصر التي تلامس الطعام؛ ويكون التأثير المضاد للكهرباء الساكنة 1/5 إلى 1/10 فقط من تأثير العوامل المضادة للكهرباء الساكنة الداخلية مثل الأمينات الإيثوكسيلية.
إن العوامل المضادة للكهرباء الساكنة الأنيونية هي في العادة أملاح معدنية قلوية لحمض السلفونيك الألكيلي أو حمض الفوسفوريك أو ثنائي ثيوكاربامات، وتستخدم بشكل أساسي في راتنجات كلوريد البولي فينيل والستيرين؛ إن تأثير تطبيقها في راتنجات البولي أوليفين مماثل لتأثير العوامل المضادة للكهرباء الساكنة الكاتيونية. وقد تم استخدام ألكيل سلفونات الصوديوم على نطاق واسع في الراتنجات القائمة على الستيرين وكلوريد البولي فينيل وبولي إيثيلين تيريفثالات والبولي كربونات كعامل مضاد للكهرباء الساكنة الأنيونية.
تمثل العوامل المضادة للكهرباء الساكنة غير الأيونية مثل الألكيلامينات الأليفاتية الإيثوكسيلية أكبر فئة من العوامل المضادة للكهرباء الساكنة. وهي تستخدم على نطاق واسع في البولي إيثيلين والبولي بروبيلين والأكريلونيتريل بوتادين ستايرين وغيرها من البوليمرات القائمة على الستيرين. هناك العديد من الألكيلامينات الإيثوكسيلية التي يتم إنتاجها وبيعها حاليًا، والفرق بينهما هو طول السلسلة الألكيلية ودرجة عدم التشبع. يعتبر الإيثوكسيألكيلامين عاملًا مضادًا للكهرباء الساكنة فعالًا للغاية، حتى في ظروف الرطوبة النسبية المنخفضة، وهو فعال لفترة طويلة. تمت الموافقة على هذا النوع من العوامل المضادة للكهرباء الساكنة من قبل إدارة الغذاء والدواء الفيدرالية للاستخدام في العناصر التي تتلامس بشكل غير مباشر مع الطعام. تشمل العوامل المضادة للكهرباء الساكنة غير الأيونية الأخرى ذات القيمة التجارية الألكيلامين الإيثوكسيلي، مثل لوروئيلامين الإيثوكسيلي، وأحادي ستيرات الجلسرين (GMS). أمين إيثوكسيلوريل مناسب للبولي إيثيلين والبولي بروبيلين المستخدمين في بيئات منخفضة الرطوبة، ويتطلب وظائف مضادة للكهرباء الساكنة سريعة وطويلة الأمد. تُستخدم عوامل GMS المضادة للكهرباء الساكنة فقط للحماية من الكهرباء الساكنة أثناء المعالجة. وعلى الرغم من انتقال GMS بسرعة إلى سطح البوليمرات، إلا أنها لا تستطيع ممارسة تأثيرات مضادة للكهرباء الساكنة طويلة الأمد مثل الألكيلامين الإيثوكسيلي أو الألكيلامين الإيثوكسيلي.
يمكن خلط ما يصل إلى 75% من المجموعات الألكيلية والبوليمرات ذات نقطة الانصهار المنخفضة أو السائلة لتكوين خليط رئيسي مركّز. هذه الخلطات الرئيسية عبارة عن منتجات كروية تتدفق بحرية ويسهل نقلها، في حين يتم تشتيتها بسهولة أثناء الخلط. يمكن تلخيص مزايا الخلطة الرئيسية الألكيلية الأمينية الأيثوكسيلية على النحو التالي:
(1) قابلية تشتت جيدة، مع إضافة مواد فعالة موزعة مسبقًا.
(2) منتج على شكل كرة صغيرة ذو قابلية نقل جيدة وتدفق حر وسهل القياس والخلط.
(3) أداء معالجة جيد، مع انزلاق أقل للمسمار في الطارد.
يعتمد اختيار وجرعة المواد المضادة للكهرباء الساكنة على خصائص البوليمر وطرق المعالجة وظروف المعالجة وأنواع وكميات المواد المضافة الأخرى والرطوبة النسبية والاستخدام النهائي للبوليمر. يختلف الوقت المطلوب للحصول على تأثير مضاد للكهرباء الساكنة بشكل كافٍ، ويمكن زيادة معدل ومدة الحماية المضادة للكهرباء الساكنة عن طريق زيادة تركيز المادة المضادة للكهرباء الساكنة. ومع ذلك، فإن الاستخدام المفرط للعوامل المضادة للكهرباء الساكنة قد يؤدي إلى سطح زلق للمنتج النهائي، مما قد يؤدي إلى إتلاف أداء الطباعة أو الترابط. يمكن للحشوات والأصباغ غير العضوية غير المعالجة أن تمتص جزيئات المادة المضادة للكهرباء الساكنة على أسطحها، وبالتالي تقلل من فعالية المواد المضادة للكهرباء الساكنة. يمكن تعويض هذه الظاهرة عن طريق زيادة كمية المادة المضادة للكهرباء الساكنة المستخدمة. ومع ذلك، بالنسبة للمنتجات التي تلامس الطعام، يجب أن تتوافق كمية المواد المضادة للكهرباء الساكنة المضافة مع لوائح إدارة الغذاء والدواء الفيدرالية (انظر قانون اللوائح الفيدرالية، 21 (21CFR)). (قانون اللوائح الفيدرالية، العنوان 21 (21CFR)).
عند استخدام البولي إيثيلين، يجب أن يأخذ اختيار عامل مضاد للكهرباء الساكنة ألكيل أمين إيثوكسيلي في الاعتبار شكله المادي، مثل المعجون أو السائل أو الجسيمات الصغيرة أو الصلب. إذا تعذر معالجة أمين الشحم الإيثوكسيلي بسبب طبيعته الشبيهة بالعجينة، فيمكن استخدام أولامين إيثوكسيلي سائل. في ظل ظروف المعالجة ذات درجات الحرارة العالية (فوق 180 درجة)، يمكن اختيار ستيرفثالامين إيثوكسيلي. إذا كان مطلوبًا تأثير مضاد للكهرباء الساكنة سريع المفعول، فيمكن اختيار لوريل أمين إيثوكسيلي. القضايا التي يجب مراعاتها عند استخدام البولي بروبيلين مماثلة لتلك التي عند استخدام البولي إيثيلين. بغض النظر عن نوع الراتينج المستخدم، يجب مراعاة الحدود التنظيمية لإدارة الغذاء والدواء الفيدرالية للاستخدامات المختلفة. عند استخدامه للبوليمرات القائمة على الستيرين، يوصى باختيار أمين جوز الهند الإيثوكسيلي أو أحد الخلطات الرئيسية المناسبة له.
الخلط والمعالجة
بشكل عام، يتم خلط العوامل المضادة للكهرباء الساكنة مع الصبغات والمواد المضافة الأخرى في الخلاط أو الطارد. من الناحية الفنية، تتمتع العوامل المضادة للكهرباء الساكنة النقية، مثل الألكيلامين الإيثوكسيلي، بميزة أخرى، وهي أنها يمكن أن تذوب أثناء صب الحقن السائل، وبالتالي تعمل كمشتتات لمادة الماسترباتش الصبغية. يمكن إضافة المادة المضادة للكهرباء الساكنة مباشرة إلى معدات المعالجة النهائية. يرتبط تأثير العوامل المضادة للكهرباء الساكنة الداخلية ارتباطًا وثيقًا بظروف الإنتاج والمعالجة للمنتج النهائي. على سبيل المثال، يعتمد الأداء المضاد للكهرباء الساكنة للمنتجات المصبوبة بالحقن على درجة حرارة القالب. عادةً، عندما تكون درجة حرارة القالب منخفضة، تنتقل المادة المضادة للكهرباء الساكنة بسرعة، وبالتالي تحسين الأداء المضاد للكهرباء الساكنة.
هناك طريقتان للاختبار لتقييم فعالية العوامل المضادة للكهرباء الساكنة: طريقة مقاومة السطح (المعدل) وطريقة الاضمحلال الكهروستاتيكي؛ وكلا الطريقتين تستخدم على نطاق واسع.
وفقًا لتعريف ASTMD257-78، فإن المقاومة السطحية للمادة هي نسبة التدرج المحتمل إلى التيار المار عبر عرض الوحدة لسطح المادة، والتي ترتبط عمومًا بالشكل الهندسي للعينة. ضع قطبين كهربائيين على نفس جانب سطح العينة البلاستيكية وطبق تيارًا مباشرًا على القطبين الكهربائيين؛ قم بقياس التيار المار عبر العينة وحساب المقاومة؛ ثم قم بتمثيل نتائج قياس المقاومة السطحية بالأوم.
وفقًا لتعريف طريقة الاختبار الفيدرالية 4046، يشير التحلل الكهروستاتيكي إلى معدل تفريغ الشحنات المستحثة. ضع العينة (عادةً ما تكون عبارة عن صفيحة رقيقة أو فيلم) بين قطبين، مع مسافة عدة ملليمترات بين القطبين وسطح العينة. يتم توصيل أحد القطبين بمصدر الطاقة، ويتم توصيل القطب الآخر بالأمبيرمتر والمسجل. يتم قياس التغير في المجال الكهربائي الناجم عن الشحنة المستحثة بواسطة أحد القطبين على سطح العينة بواسطة القطب الآخر. ستظهر العينات المضادة للكهرباء الساكنة تحلل الشحنات المستحثة. عمر النصف للتحلل (بالثواني) هو الوقت الذي تستغرقه الشحنة للتحلل بمقدار النصف من قيمتها الأولية.
هناك طريقة اختبار قياسية أخرى مستخدمة على نطاق واسع في الصناعة وهي المعيار الأمريكي، والذي يستخدم في تغليف المنتجات الإلكترونية. ويعتمد اختيار الطريقة المناسبة على الاستخدام النهائي للبلاستيك الذي يحتاج إلى الاختبار.
تبلغ المقاومة الكهربائية للبلاستيك نفسه 1014 أوم. وعند إضافة عوامل مضادة للكهرباء الساكنة وفقًا للكمية الموضحة في الجدول أ، فقد تنخفض المقاومة الكهربائية إلى 1013 إلى 109 أوم. وإذا أردنا تقليل المقاومة الكهربائية بشكل أكبر، فلا يمكننا الاعتماد إلا على تحسين الموصلية، مثل استخدام الكربون الأسود الموصل.
يتم تطوير تقنية التغليف المضادة للكهرباء الساكنة للتأكيد على المخاوف البيئية. يتم الآن تعبئة الألكيلامين الإيثوكسيلي المستخدم على نطاق واسع في حاويات سائبة قابلة لإعادة الاستخدام. يميل الموردون إلى إنتاج عوامل مضادة للكهرباء الساكنة بتركيز أعلى، والتي يمكن تخفيفها وفقًا لاحتياجات المعالجة بعد تسليمها للمستخدمين. والغرض من القيام بذلك هو تقليل تكلفة معالجة النفايات الصلبة. من خلال تطوير عوامل مضادة للكهرباء الساكنة عالية التركيز، يمكن للمصنعين شحن المزيد من العوامل المضادة للكهرباء الساكنة دفعة واحدة وتقليل عدد حاويات التغليف التي يحتاج المستخدمون إلى التعامل معها.
من الناحية الفنية، لا يزال الكثير من أعمال البحث والتطوير تدور حول سوق تغليف المنتجات الإلكترونية. يستخدم لوريلاميد الإيثوكسيلي، والذي يُنظر إليه عادةً على أنه عامل مضاد للكهرباء الساكنة خالٍ من الأمين، بشكل شائع في هذا المجال. كما تتزايد كمية لوريل أمين الإيثوكسيلي المستخدمة في نفخ أفلام البولي إيثيلين منخفض الكثافة والبولي إيثيلين منخفض الكثافة الخطي، حيث يكون تأثيره المضاد للكهرباء الساكنة أفضل أيضًا في ظل ظروف الرطوبة المنخفضة. يمكن أيضًا شراء مركّز هذا المنتج والماسترباتش. تم تطبيق ستيروفثالامين الإيثوكسيلي (يحتوي على 18 سلسلة ألكيل كربون مشبعة بالكامل) في إنتاج أفلام البولي بروبيلين الموجهة ثنائي المحور. في عملية الإنتاج هذه، تتطلب درجات حرارة المعالجة العالية أن تتمتع عوامل مضادة للكهرباء الساكنة بثبات حراري عالي.