השפעה אנטיסטטית של חומרים פעילי שטח

כושר ההרתעה שלחומרים פעילי שטחהוא התכונה הבסיסית העומדת בבסיס היישומים המעשיים הרחבים ביותר שלהם. הוא חלק בלתי נפרד מחיי היומיום של משקי בית רבים והוא מאומץ יותר ויותר בכל מגזרי המסחר והייצור התעשייתי.

אפקט אנטיסטטישל חומרים פעילי שטח

חיכוך מייצר לעתים קרובות חשמל סטטי על סיבים, פלסטיק ומוצרים מוגמרים אחרים, ופוגע בביצועי השירות שלהם. לדוגמה, בדי טקסטיל טעונים בחשמל סטטי נוטים להיצמד בחוזקה לגוף או להידבק למשטחים אחרים, ולמשוך בקלות אבק ולכלוך. חשמל סטטי משפיע בצורה חמורה אף יותר על מוצרי פלסטיק: לא רק שפלסטיק סופג בקלות אבק, ופוגעת בשקיפותם, ניקיון פני השטח ובמראה האסתטי שלהם, אלא שגם ביצועי השירות שלהם וערך המסחרי שלהם מתדרדרים.

טיפול אנטי-סטטי מבוסס חומרים פעילי שטח הוא השיטה הדומיננטית כיום להסרת הצטברות חשמל סטטי, וחומרים פעילי שטח כאלה ידועים כסוכנים אנטי-סטטיים.

סעיף 1 חשמל סטטי ומנגנוני ייצורו

למרות שקיימים פערים קלים בתוצאות הבדיקה בנוגע לרצף הטעינה הטריבואלקטרי של סיבים מחוקרים שונים, סיבים המכילים קשרי אמיד כגון צמר, ניילון וצמר מלאכותי נוטים בדרך כלל לשאת מטענים חיוביים.

התנהגויות הטעינה של פלסטיקים נפוצים מפורטות בטבלה 10-2. רצף הטריבואלקטרי של חומרים אופייניים ממטען חיובי לשלילי הוא כדלקמן:

(+) פוליאוריטן–שיער אדם–ניילון–צֶמֶר–מֶשִׁי–סיב ויסקוזה–כּוּתנָה–גומי קשיח–תאית אצטט–וינילון–פוליפרופילן–פּוֹלִיאֶסטֶר–פוליאקרילוניטריל–פוליוויניל כלוריד–קופולימר ויניל כלוריד-אקרילוניטריל–פוליאתילן–פוליאטטראפלואורואתילן (-)

המנגנונים המדויקים של היווצרות חשמל סטטי לא הובהרו במלואם, אך קיימת הסכמה כי חיכוך בין חומרים שונים גורם להעברת מטען בין המשטחים הבאים במגע, ובכך מייצר חשמל סטטי. הקוטביות של המטען שנישא על ידי חומר נקבעת על ידי עלייה או אובדן אלקטרונים: חומרים מאבדים אלקטרונים והופכים למטענים חיוביים, בעוד שאלו שצוברים אלקטרונים רוכשים מטענים שליליים.

סעיף 2 חומרים אנטי-סטטיים

קיימות שתי גישות עיקריות לחיסול חשמל סטטי:

שיטות פיזיקליות: מכיוון שגודל המטען הסטטי מושפע מטמפרטורה ולחות, ניתן ליישם טכניקות פיזיקליות, כולל ויסות טמפרטורה ולחות ופריקה קורונית, כדי להסיר חשמל סטטי ממשטחי חומרים.

שיטות כימיות לפני השטח: חומרים פעילי שטח, המכונים גם חומרים אנטי-סטטיים, משמשים לטיפול פני השטח של סיבים ומוצרי פלסטיק או מעורבבים במטריצות פלסטיק כדי לחסל חשמל סטטי.

א. חומרים אנטיסטטיים לסיבים

תכונות נדרשות של חומרים אנטיסטטיים מוסמכים

(1) לשמר את תחושת היד המקורית של הסיבים;

(2) לספק ביצועים אנטי-סטטיים יוצאי דופן במינונים נמוכים ולהישאר יעילים בתנאי טמפרטורה נמוכה;

(3) להציג תאימות מצוינת עם סיבי שרף;

(4) בעל תאימות טובה עם עזרי עיבוד אחרים;

(5) לא גורם להקצפה ולא משאיר כתמי מים;

(6) לא רעיל ולא מגרה את עור האדם;

(7) שמירה על ביצועים יציבים לאורך זמן.

סיווג של חומרים אנטיסטטיים לסיבים

חומרים פעילי שטח קטיוניים ואמפוטריים מהווים את הקטגוריות העיקריות של חומרים אנטי-סטטיים ליישומי סיבים.

מנגנונים אנטי-סטטיים

חומרים פעילי שטח מפעילים השפעות אנטי-סטטיות על בדים באמצעות שני מסלולים מרכזיים: עיכוב יצירת חשמל סטטי במהלך מגע חיכוך וקידום פיזור מטענים סטטיים על פני השטח. דיכוי הטעינה בחיכוך קשור קשר הדוק למבנה המולקולרי של חומר פעיל שטח, בעוד שפיזור המטען תלוי ביכולת הספיחה ובהיגרוסקופיות של חומרים פעילי שטח על פני השטח של הסיבים.

חומרים פעילי שטח קטיונייםנספגים בקלות על משטחי סיבים טעונים שליליים באמצעות המטענים החיוביים הפנימיים שלהם:

①הם מנטרלים את מטענים פנימיים הטבועים בסיבים;

②חומרים פעילי שטח קטיוניים נצמדים לסיבים באמצעות קבוצות אמוניום רבעוניות טעונות חיוביות, כאשר שרשראות פחמימנים הידרופוביות מכוונות כלפי חוץ, ויוצרות שכבה סופחת מסודרת על פני הסיבים. שכבה זו מפחיתה ביעילות את חיכוך פני השטח במהלך מגע וממתנת הצטברות חשמל סטטי כתוצאה מחיכוך.

עבור סיבים סינתטיים בעלי קוטביות נמוכה והידרופוביות גבוהה, חומרים פעילי שטח קטיוניים נצמדים למשטחי הסיבים באמצעות כוחות ואן דר ואלס הפועלים על שרשראות פחמימנים הידרופוביות, בעוד שקבוצות אמוניום רבעוניות קוטביות פונות החוצה. שכבה זו מצפה את הסיבים בשכבה פולרית הידרופילית המגבירה את המוליכות החשמלית של פני השטח ואת שמירת הלחות, מאיצה את פיזור החשמל הסטטי הנגרם מחיכוך ומספקת פונקציונליות אנטי-סטטית.

קיבולת הספיחה של דיוקטטציל אמוניום כלוריד על סיבים טבעיים גבוהה באופן משמעותי מזו שעל סיבים סינתטיים, דבר המצביע על יעילות אנטי-סטטית מעולה עבור מצעים של סיבים טבעיים.

בדומה לחומרים פעילי שטח קטיוניים, גם חומרים פעילי שטח אמפוטריים נושאים מטענים חיוביים וסופחים על משטחי סיבים בעלי מטען שלילי כדי לנטרל מטענים סטטיים, כאשר החלקים ההידרופוביים שלהם מפחיתים את החיכוך על פני השטח. שלא כמו חומרים פעילי שטח קטיוניים, מולקולות אמפוטריות מכילות קבוצה אניונית נוספת, אשר משפרת עוד יותר את יכולות ספיגת הלחות ופיזור המטען על פני השטח. לפיכך, חומרים פעילי שטח אמפוטריים משמשים כחומרים אנטי-סטטיים בעלי ביצועים גבוהים, אם כי בעלות גבוהה יותר.

חומרים פעילי שטח אניוניים ולא-יוניים מפגינים ביצועים אנטי-סטטיים חלשים עקב רמות ספיחה נמוכות על משטחי סיבים. חומרים פעילי שטח לא-יוניים נספגים ביתר קלות מאשר חומרים פעילי שטח אניוניים מכיוון שהספיחה שלהם אינה מושפעת ממטען פני השטח של הסיבים, אך הם מציעים פיזור מטען לקוי, וכתוצאה מכך קיבולת אנטי-סטטית נמוכה בהרבה בהשוואה לחומרים פעילי שטח קטיוניים ואמפוטריים.

II. חומרים אנטיסטטיים לפלסטיק

מנגנון של חומרים אנטי-סטטיים מפלסטיק מבוססי חומרים פעילי שטח

חומרים פעילי שטח נקשרים למשטחים מפלסטיק באמצעות כוחות ואן דר ואלס הפועלים על שרשראות פחמימנים הידרופוביות, כאשר קבוצות פונקציונליות קוטביות משתרעות החוצה ויוצרות שכבה סופחתת. שכבה זו מקנה מוליכות פני שטח המאפשרת פיזור יעיל של מטען סטטי ובו זמנית ממתן את חיכוך פני השטח על מצעים מפלסטיק.

סיווג לפי סוג כימי פעיל שטח

(1) חומרים פעילי שטח אניוניים

(2) חומרים פעילי שטח קטיוניים

(3) חומרים פעילי שטח אמפוטריים

(4) חומרים פעילי שטח לא יוניים

סיווג לפי שיטת יישום

(1) חומרים אנטי-סטטיים מסוג ציפוי (המיושם על משטחי חומר)

(2) חומרים אנטי-סטטיים מעורבבים בהמסה (מעורבבים בחומרי גלם מפלסטיק במהלך ההרכבה)