التأثير المضاد للكهرباء الساكنة للمواد الفعالة بالسطح

خاصية الغسيل لـالمواد الخافضة للتوتر السطحيتُعدّ هذه الخاصية الأساسية التي تمنح المواد الفعالة سطحياً أهم تطبيقاتها العملية. فهي تدخل في الحياة اليومية لآلاف الأسر، ويتزايد استخدامها في مختلف مجالات الحياة وعمليات الإنتاج الصناعي.

تأثير مضاد للكهرباء الساكنةمن المواد الفعالة بالسطح

غالباً ما تولد الألياف والبلاستيك وغيرها من المنتجات شحنات كهربائية ساكنة نتيجة الاحتكاك، مما يؤثر سلباً على أدائها. فعلى سبيل المثال، تعاني الأقمشة الليفية المشحونة كهربائياً من عيوبٍ عديدة، كالتصاقها بالجسم، وتراكم الغبار عليها، وميلها لامتصاصه وتسخه. أما الآثار السلبية للكهرباء الساكنة على المنتجات البلاستيكية فهي أشدّ وطأة. إذ لا تقتصر أضرارها على امتصاص الغبار بسهولة، مما يُلحق الضرر بشفافيتها ونظافة سطحها ومظهرها، بل تُقلل أيضاً من كفاءتها وقيمتها.

للتخلص من هذه الظواهر الساكنة، تُستخدم حالياً على نطاق واسع طريقة المواد الفعالة سطحياً المضادة للكهرباء الساكنة. وتُعرف هذه المواد الفعالة سطحياً باسم عوامل مضادة للكهرباء الساكنة.

القسم 1: الظواهر الساكنة وأسبابها

على الرغم من وجود بعض التباينات في نتائج تسلسل شحن الألياف بالكهرباء التي تم الحصول عليها بواسطة أجهزة اختبار مختلفة، فإن الألياف التي تحتوي على روابط أميدية مثل الصوف والنايلون والصوف الصناعي تميل إلى حمل شحنات موجبة. يوضح الجدول 10 حالة شحن أنواع البلاستيك الشائعة بالكهرباء.-2. فيما يلي تسلسل الشحن الكهربائي للمواد الشائعة من الموجب إلى السالب:

(+) بولي يوريثان–شعر–نايلون–صوف–حرير–ألياف الفسكوز–قطن–مطاط صلب–ألياف أسيتات السليلوز–فينيلون–البولي بروبيلين–بوليستر–بولي أكريلونيتريل–كلوريد البولي فينيل–كوبوليمر كلوريد الفينيل-أكريلونيتريل–البولي إيثيلين–بولي تترافلوروإيثيلين (-).

لا تزال الآلية الدقيقة لتوليد الكهرباء الساكنة غير مفهومة تمامًا، إلا أن هناك إجماعًا على أنها تنشأ من الشحنات المتحركة المتولدة بين الأجسام عند احتكاك أنواع مختلفة منها ببعضها. ويتحدد نوع الشحنة التي يحملها الجسم باكتسابه أو فقدانه للإلكترونات. يصبح الجسم موجب الشحنة عند فقدانه للإلكترونات، وسالب الشحنة عند اكتسابه لها.

القسم 2: العوامل المضادة للكهرباء الساكنة

هناك طريقتان رئيسيتان للتخلص من الكهرباء الساكنة:

(1) الطرق الفيزيائية. بما أن مقدار الكهرباء الساكنة يتأثر بدرجة الحرارة والرطوبة، يمكن استخدام الطرق الفيزيائية مثل ضبط درجة الحرارة والرطوبة والتفريغ الإكليلي لإزالة الكهرباء الساكنة على سطح الأشياء.

(2) الطرق الكيميائية السطحية، وتحديداً استخدام المواد الخافضة للتوتر السطحي (وتسمى أيضاً العوامل المضادة للكهرباء الساكنة) لإجراء معالجة سطحية على الألياف والمنتجات البلاستيكية أو مزجها في البلاستيك لتحقيق الغرض من إزالة الكهرباء الساكنة.

1. عوامل مضادة للكهرباء الساكنة للألياف

الخصائص المطلوبة للمواد المضادة للكهرباء الساكنة:

(1) لا يغير ملمس الألياف؛ (2) أداء جيد مضاد للكهرباء الساكنة بجرعة منخفضة وفعالية في درجات الحرارة المنخفضة؛ (3) توافق جيد مع ألياف الراتنج؛ (4) توافق ممتاز مع المواد المساعدة الأخرى؛ (5) لا يسبب رغوة ولا بقع مائية؛ (6) غير سام وغير مهيج للجلد؛ (7) يحافظ على ثبات جيد.

أنواع العوامل المضادة للكهرباء الساكنة

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

آلية عمل العوامل المضادة للكهرباء الساكنة

تتجلى آلية عمل المواد الفعالة سطحياً المضادة للكهرباء الساكنة، والمستخدمة في حماية الألياف من الكهرباء الساكنة، بشكل أساسي في جانبين: منع توليد الكهرباء الساكنة عند تعرض الألياف للاحتكاك، وتسهيل تبديد الشحنات السطحية. يرتبط منع التكهرب الاحتكاكي ارتباطاً وثيقاً ببنية المواد الفعالة سطحياً، بينما يرتبط تبديد الشحنات السطحية بقدرة امتصاص هذه المواد للرطوبة واسترطابها على الألياف.

يمكن للمواد الخافضة للتوتر السطحي الكاتيونية أن تمتص بسهولة على أسطح الألياف المشحونة سلباً عبر شحناتها الموجبة الخاصة.

①بإمكانها تحييد الشحنات السطحية للألياف؛

٢تلتصق المواد الفعالة السطحية الكاتيونية بأسطح الألياف بتوجيهٍ تلتصق فيه أيونات الأمونيوم الرباعية الموجبة الشحنة بسطح الألياف، بينما تتجه سلاسل الهيدروكربون الكارهة للماء نحو الخارج، مُشكلةً طبقة امتزاز موجهة تتكون من سلاسل الهيدروكربون على سطح الألياف. تُسهم طبقة الامتزاز هذه بفعالية في تقليل الاحتكاك على سطح الألياف أثناء الاحتكاك، وتُضعف عملية التكهرب الاحتكاكي.

بالنسبة للألياف الاصطناعية ذات القطبية المنخفضة والخاصية الكارهة للماء، تمتص المواد الفعالة السطحية الكاتيونية على أسطح الألياف عبر قوى فان دير فالس بواسطة سلاسلها الهيدروكربونية الكارهة للماء، بينما تتجه مجموعات الأمونيوم الرباعية القطبية نحو الخارج. وبذلك، يُغطى سطح الليف بمجموعات قطبية محبة للماء، مما لا يُحسّن موصلية سطح الليف فحسب، بل يزيد أيضًا من رطوبته السطحية، مما يُسهّل تبديد الكهرباء الساكنة المتولدة عن الاحتكاك ويُوفر تأثيرات مضادة للكهرباء الساكنة.

إن قدرة امتصاص كلوريد ثنائي أوكتاديسيل الأمونيوم على أسطح الألياف الطبيعية أعلى بكثير من تلك الموجودة على الألياف الاصطناعية، مما يشير إلى أنه يحقق أداءً أفضل مضادًا للكهرباء الساكنة على الألياف الطبيعية.

على غرار المواد الفعالة السطحية الكاتيونية، تحمل المواد الفعالة السطحية المذبذبة شحنات موجبة، ويمكنها الامتزاز على أسطح الألياف سالبة الشحنة لمعادلة الشحنات الساكنة. كما تُقلل مجموعاتها الكارهة للماء من الاحتكاك. وبالمقارنة مع المواد الفعالة السطحية الكاتيونية، تحتوي المواد الفعالة السطحية المذبذبة على مجموعة أنيونية إضافية في تركيبها الجزيئي، مما يُتيح لها الاحتفاظ بالرطوبة بشكل أفضل وتبديد الشحنات. ولذلك، تُعد المواد الفعالة السطحية المذبذبة عوامل مضادة للكهرباء الساكنة عالية الأداء، وإن كانت باهظة الثمن نسبيًا.

تُظهر المواد الخافضة للتوتر السطحي الأنيونية وغير الأيونية أداءً ضعيفًا في تثبيط الشحنات الساكنة نظرًا لانخفاض قدرتها على الامتزاز على أسطح الألياف. لا تتأثر كمية امتزاز المواد الخافضة للتوتر السطحي غير الأيونية بشحنة سطح الألياف، وهي أعلى من تلك الخاصة بالمواد الأنيونية، إلا أن تأثيرها على تبديد الشحنات الساكنة ضعيف. لذا، فإن قدرتها على تثبيط الشحنات الساكنة أقل بكثير من قدرة المواد الخافضة للتوتر السطحي الكاتيونية والمذبذبة.

2. عوامل مضادة للكهرباء الساكنة للبلاستيك

تتمثل آلية عمل المواد الفعالة سطحياً كعوامل مضادة للكهرباء الساكنة في البلاستيك فيما يلي: تمتص هذه المواد على أسطح البلاستيك عبر سلاسلها الهيدروكربونية الكارهة للماء من خلال قوى فان دير فالس، بينما تمتد المجموعات القطبية إلى الخارج. يتشكل غشاء امتصاص موجه من هذه المواد على سطح البلاستيك، مما يوفر التوصيل الكهربائي ويسمح بتبديد الشحنات الساكنة بكفاءة. في الوقت نفسه، يُسهم غشاء الامتصاص أيضاً في تقليل الاحتكاك على أسطح البلاستيك.

تصنيف المواد المضادة للكهرباء الساكنة في البلاستيك حسب نوع المادة الفعالة بالسطح:

(1)النوع الأنيوني;

(2) النوع الكاتيوني؛

(3) النوع المذبذب؛

(4) النوع غير الأيوني.

يمكن تقسيم العوامل المضادة للكهرباء الساكنة إلى فئتين حسب طريقة التطبيق:

(1) عوامل مضادة للكهرباء الساكنة لطلاء الأسطح؛

(2) تركيب عوامل مضادة للكهرباء الساكنة.