التأثير المضاد للكهرباء الساكنة للمواد الخافضة للتوتر السطحي

المنظف تُعدّ خاصية الخواص السطحية من الخصائص الأساسية التي تُتيح استخدامات هذه المواد على نطاق واسع. فهي تدخل في الحياة اليومية لآلاف الأسر، كما أنها تُستخدم بشكل متزايد في مختلف الصناعات وأنواع الإنتاج الصناعي.

التأثير المضاد للكهرباء الساكنة للمواد الخافضة للتوتر السطحي

غالباً ما تولد الألياف والبلاستيك وغيرها من المنتجات الكهرباء الساكنة نتيجة الاحتكاك، مما يؤثر على أداء استخدامها. فعلى سبيل المثال، إذا كانت الأقمشة الليفية تحمل الكهرباء الساكنة، فإنها غالباً ما تعاني من عيوب مثل الالتصاق بالجسم أو ما يُعرف بـ"التصاق الكهرباء الساكنة"، فضلاً عن كونها عرضة لامتصاص الغبار أو الاتساخ. أما تأثير الكهرباء الساكنة على المنتجات البلاستيكية فهو أكبر، إذ لا تقتصر المشكلة على سهولة جذبها للغبار، مما يؤثر على شفافيتها ونظافة سطحها ومظهرها، بل يقلل أيضاً من سهولة استخدامها وقيمتها.

للتخلص من ظاهرة الكهرباء الساكنة هذه، تُستخدم في الغالب حاليًا طريقة المواد الفعالة سطحيًا المضادة للكهرباء الساكنة. وتُسمى هذه المواد الفعالة سطحيًا بـمضاد للكهرباء الساكنة وكلاء.

1. الظواهر الكهروستاتيكية وأسبابها

على الرغم من وجود بعض الاختلافات في النتائج التي توصل إليها باحثون مختلفون فيما يتعلق بترتيب شحن الألياف بالكهرباء، فإن الألياف ذات الروابط الأميدية مثل الصوف والنايلون والصوف الصناعي تميل إلى أن تكون مشحونة بشكل إيجابي.

تُصنّف الشحنات الكهربائية الشائعة للمواد، من الموجب إلى السالب، كما يلي: (+) البولي يوريثان - الشعر - النايلون - الصوف - الحرير - ألياف الفسكوز - القطن - المطاط الصلب - ألياف الأسيتات - الفينيلون - البولي بروبيلين - البوليستر - البولي أكريلونيتريل - كلوريد البولي فينيل - كلوريد الفينيل - كوبوليمر الأكريلونيتريل - البولي إيثيلين - البولي تترافلوروإيثيلين (-). على الرغم من أن سبب توليد الكهرباء الساكنة لم يُفهم تمامًا بعد، إلا أنه يُعتقد عمومًا أنه عند احتكاك أنواع مختلفة من الأجسام ببعضها البعض، تتولد شحنات متحركة بين الأجسام المُحتكة، مما يُنتج الكهرباء الساكنة. يُمكن تحديد نوع الشحنة التي يحملها الجسم من خلال اكتساب أو فقدان الإلكترونات. إذا فقد الجسم إلكترونات، فإنه يُصبح موجب الشحنة؛ وإذا اكتسب إلكترونات، فإنه يُصبح سالب الشحنة.

1. عامل مضاد للكهرباء الساكنة

هناك طريقتان رئيسيتان للتخلص من الكهرباء الساكنة:

الطريقة الفيزيائية: بما أن مقدار الكهرباء الساكنة يتأثر بدرجة الحرارة والرطوبة، يمكن استخدام الطرق الفيزيائية مثل ضبط درجة الحرارة والرطوبة، والتفريغ الإكليلي للتخلص من الكهرباء الساكنة على سطح الأشياء.

طريقة كيميائية سطحية: أي استخدام المواد الخافضة للتوتر السطحي، والمعروفة أيضًا باسم العوامل المضادة للكهرباء الساكنة، لإجراء معالجة سطحية على الألياف والمنتجات البلاستيكية أو لخلطها في البلاستيك لتحقيق الغرض من التخلص من الكهرباء الساكنة.

2.I. عوامل مضادة للكهرباء الساكنة للألياف

الشروط التي يجب أن تستوفيها المواد المضادة للكهرباء الساكنة:

(1) لا تغير ملمس الألياف؛

(2) تأثير جيد مضاد للكهرباء الساكنة، جرعة صغيرة، ولا يزال فعالاً في درجات الحرارة المنخفضة؛

(3) توافق جيد مع ألياف الراتنج؛

(4) توافق جيد مع الإضافات الأخرى؛

(5) لا توجد ظاهرة رغوة ولا بقع مائية؛

(6) غير سام وغير ضار بالجلد؛

(7) يمكن أن يحافظ على استقرار جيد.

2.2. أنواع العوامل المضادة للكهرباء الساكنة

الأنواع الرئيسية من العوامل المضادة للكهرباء الساكنة المستخدمة للألياف هي المواد الخافضة للتوتر السطحي الأيونية الكاتيونية والأمفوتيرية.

2.3. آلية عمل العوامل المضادة للكهرباء الساكنة

تتجلى آلية مقاومة الكهرباء الساكنة للمواد الفعالة سطحياً المستخدمة في معالجة الألياف بشكل أساسي في جانبين: منع توليد الكهرباء الساكنة عند احتكاك سطح الألياف، وتبديد الشحنات السطحية. يرتبط منع التكهرب الاحتكاكي ارتباطاً وثيقاً ببنية المواد الفعالة سطحياً، بينما يرتبط تبديد الشحنات السطحية بكمية امتصاص هذه المواد وقدرتها على امتصاص الرطوبة من الألياف.

المواد الفعالة بالسطح الكاتيونية يمكنها أن تلتصق بسهولة بسطح الألياف المشحونة سلباً من خلال شحناتها الموجبة الخاصة.

①يمكنه تحييد الشحنة السطحية للألياف؛

٢بما أن المواد الفعالة سطحياً الكاتيونية تمتص على سطح الألياف بواسطة أيونات الأمونيوم الرباعية الموجبة الشحنة، وتتجه سلاسل الهيدروكربون الكارهة للماء نحو الخارج، فإنها تُشكل طبقة امتصاص موجهة تتكون من سلاسل الهيدروكربون على سطح الألياف. تُقلل طبقة الامتصاص هذه بشكل فعال من قوة الاحتكاك المتولدة على سطح الألياف أثناء الاحتكاك، مما يُضعف ظاهرة التكهرب الاحتكاكي.

بالنسبة للألياف الاصطناعية ذات القطبية المنخفضة والخاصية الكارهة للماء، تلتصق المواد الفعالة السطحية الكاتيونية بسطح الألياف عبر قوى فان دير فالس بواسطة سلاسلها الهيدروكربونية الكارهة للماء، بينما تتجه مجموعات الأمونيوم الرباعية القطبية نحو الخارج، مغطيةً سطح الألياف بمجموعات قطبية محبة للماء. هذا لا يزيد فقط من موصلية سطح الألياف، بل يزيد أيضًا من رطوبته السطحية، مما يُسهم في تبديد الكهرباء الساكنة المتولدة عن الاحتكاك، ويؤدي دورًا مضادًا للكهرباء الساكنة.

تكون كمية امتصاص كلوريد ثنائي أوكتاديسيل الأمونيوم على سطح الألياف الطبيعية أعلى بكثير من تلك الموجودة على الألياف الاصطناعية. وهذا يدل على أن له تأثيرًا أفضل مضادًا للكهرباء الساكنة على الألياف الطبيعية.

على غرار المواد الفعالة السطحية الكاتيونية، تحمل المواد الفعالة السطحية الأيونية المذبذبة شحنات موجبة، ويمكنها أيضًا الامتزاز على سطح الألياف سالبة الشحنة لمعادلة الشحنات الساكنة. كما أن مجموعاتها الكارهة للماء تُسهم في تقليل الاحتكاك. علاوة على ذلك، وبالمقارنة مع المواد الفعالة السطحية الكاتيونية، تحتوي هذه المواد على مجموعة أنيونية إضافية في تركيبها الجزيئي، مما يُحسّن قدرتها على زيادة الرطوبة وتبديد الشحنات. لذلك، تُعدّ المواد الفعالة السطحية الأيونية المذبذبة عوامل مضادة للكهرباء الساكنة ذات أداء جيد، إلا أن سعرها مرتفع نسبيًا.

تتميز المواد الخافضة للتوتر السطحي الأنيونية وغير الأيونية بتأثير ضعيف مضاد للكهرباء الساكنة نظرًا لانخفاض كمية امتصاصها على سطح الألياف. تكون كمية امتصاص المواد الخافضة للتوتر السطحي غير الأيونية أعلى من نظيرتها الأنيونية لأنها لا تتأثر بشحنة سطح الألياف، إلا أن تأثيرها على تبديد الشحنات الساكنة ضعيف، وبالتالي فإن قدرتها على مقاومة الكهرباء الساكنة أقل بكثير من قدرة المواد الخافضة للتوتر السطحي الكاتيونية والأيونية المذبذبة.

1. عامل مضاد للكهرباء الساكنة للبلاستيك

آلية عمل المواد الفعالة سطحياً كعوامل مضادة للكهرباء الساكنة على البلاستيك: تمتص هذه المواد على سطح البلاستيك عبر قوى فان دير فالس بواسطة سلاسلها الهيدروكربونية الكارهة للماء، بينما تمتد مجموعاتها القطبية للخارج، مُشكلةً طبقة امتصاص موجهة من المواد الفعالة سطحياً على سطح البلاستيك. توفر هذه الطبقة موصلية كهربائية، مما يسمح بتبديد الشحنات الساكنة بكفاءة. في الوقت نفسه، تُقلل طبقة الامتصاص أيضاً من الاحتكاك على سطح البلاستيك.

تُصنف المواد المضادة للكهرباء الساكنة للبلاستيك وفقًا لنوع المادة الفعالة بالسطح إلى:

(1) النوع الأنيوني؛

(2) النوع الكاتيوني؛

(3) النوع الأيوني المذبذب؛

(4) النوع غير الأيوني.

يمكن تقسيم العوامل المضادة للكهرباء الساكنة إلى فئتين وفقًا لطريقة استخدامها:

(1) عوامل مضادة للكهرباء الساكنة مطلية على السطح؛

(2) عوامل مضادة للكهرباء الساكنة من النوع المركب.