Antystatyki – dodatki do tworzyw sztucznych eliminujące zjawisko elektryzacji statycznej

Elektryzacja statyczna może zachodzić również na dużo większą skalę i powodować naprawdę poważne, negatywne skutki. Iskra powstała w ten sposób może doprowadzić do pożaru czy nawet wybuchu materiałów łatwopalnych, a także utrudnić przebieg wielu procesów produkcyjnych i przetwórczych. Dlatego zdecydowanie warto dowiedzieć się więcej o specyfice tego zjawiska, a także sposobach przeciwdziałania jego występowaniu.

Elektryczność statyczna – na czym polega?

Elektryczność statyczna (lub inaczej – elektryzacja statyczna) polega na nadmiernym gromadzeniu się ładunków elektrycznych na materiałach o niskim przewodnictwie oraz dużym oporze powierzchniowym (rzędu 10¹⁴ – 10¹⁸ Ω). Dotyczy to między innymi materiałów polimerowych, takich jak:

• polietylen (PE),

• polipropylen (PP),

• polichlorek winylu (PVC),

• politereftalan etylenu (PET),

• poliuretan (PUR),

• poliwęglan (PC).

Nagromadzone ładunki elektryczne powodują w efekcie wyładowania iskrowe obniżające komfort życia oraz utrudniające zastosowanie produktów wykonanych z tworzyw sztucznych. Elektryzacja statyczna ma jednak niekorzystny wpływ nie tylko na ostatecznych użytkowników polimerów. Wpływa także na proces ich wytwarzania oraz przetwarzania. Zjawisko to ogranicza szybkość procesu technologicznego, generuje straty materialne, powoduje zabrudzenie produktu oraz przyspiesza jego rozkład, w wyniku czego wydzielają się związki toksyczne. Elektryzowanie może zachodzić w trakcie przelewania cieczy lub przesypywania nieprzewodzących materiałów sypkich, odwijania z bębna taśm lub folii, chodzenia po naelektryzowanej powierzchni, czy też zakładania i zdejmowania odzieży.

Jak można uniknąć elektryzacji?

 Zjawisko elektryzacji statycznej można zminimalizować lub nawet całkowicie wyeliminować poprzez zastosowanie odpowiednich dodatków antystatycznych, takich jak surfaktanty obniżające polaryzowalność tworzyw sztucznych. Działanie antystatyków polega na obniżaniu oporu właściwego powierzchni materiałów, co powoduje rozproszenie ładunku, a w efekcie niweluje występowanie niekorzystnych zjawisk.

Antystatyki zewnętrzne i wewnętrzne – czym się różnią?

Środki antystatyczne można podzielić pod względem aplikacyjnym na dwie grupy: antystatyki zewnętrzne oraz wewnętrzne. Różnią się one od siebie sposobem aplikacji, mechanizmem działania, a także czasem aktywności.

Zewnętrzne środki antystatyczne nanoszone są na powierzchnię gotowego tworzywa sztucznego. Wykorzystuje się tutaj takie techniki jak natryskiwanie oraz zanurzanie. Czas aktywności tego typu związków jest bardzo krótki, ponieważ pod wpływem działania czynników mechanicznych ulegają ścieraniu. Tracą one swoją aktywność już po 6 tygodniach i pod tym względem wypadają dużo słabiej niż antystatyki wewnętrzne.

Zupełnie inaczej działają antystatyki wewnętrzne, które dodawane są do tworzywa sztucznego w czasie jego przetwarzania, tak jak inne rodzaje dodatków do polimerów. Po upływie 24-48 godzin od procesu wytłaczania migrują one na powierzchnię materiału, tworząc higroskopijną warstewkę przyciągającą wodę. Utworzona warstwa pełni funkcję przewodzącą, ponieważ powoduje odprowadzenie ładunku i zmniejszenie stopnia naładowania tworzywa sztucznego. Działanie antystatyczne w przypadku antystatyków wewnętrznych jest długotrwałe i trwa zwykle powyżej jednego roku. Za dłuższy okres aktywności antystatyków wewnętrznych odpowiada właśnie ich migracja – zastępują one te, które zostają starte z powierzchni polimeru.

Związki chemiczne o właściwościach antystatycznych

W zależności od rodzaju tworzywa sztucznego, w przemyśle stosowane są antystatyki o różnej budowie chemicznej. Zasadniczo wyróżnia się wśród nich dwie grupy – dodatki jonowe oraz niejonowe. Pierwsza grupa polecana jest do polimerów o stosunkowo wysokiej polarności lub w przypadku tworzyw, które nie wymagają zbyt wysokich temperatur przy przetwarzaniu folii. Do jonowych antystatyków należą związki:

• kationowe, do których zaliczane są czwartorzędowe sole amoniowe,

• anionowe – są to głównie związki zawierające fosfor (pochodne kwasu fosforowego (V), fosforany (V)) – stosowane do polichlorku winylu, a także związki zawierające siarkę (siarczany (VI), sulfoniany) – stosowane do takich polimerów jak polichlorek winylu i polistyren.

Drugą grupę stanowią dodatki niejonowe, które polecane są głównie do poliolefin. Niejonowymi antystatykami są pochodne amidowe (alkoksylowane amidy), pochodne aminowe (alkoksylowane aminy tłuszczowe) oraz estry gliceryny.

Jakie cechy powinien posiadać skuteczny środek antyelektrostatyczny?

Niezależnie od mechanizmu działania, antystatyki powinny posiadać kilka cech zapewniających im wysoką skuteczność. Należy tutaj wymienić przede wszystkim:

• właściwości hydrofilowe i higroskopijne,

• zdolność jonizacji w wodzie – obecność jonów zwiększa przewodnictwo wody,

• zdolność migracji w kierunku powierzchni tworzywa.

Tworzywa sztuczne w przemyśle spożywczym

Głównym surowcem wykorzystywanym do produkcji folii opakowaniowej w przemyśle spożywczym jest polietylen. Polietylen (PE) jest polimerem charakteryzującym się wytrzymałością na rozciąganie, brakiem zapachu i smaku oraz woskowatą w dotyku strukturą o mlecznej barwie. Właściwości te sprawiają, że wykorzystywany jest do produkcji m.in. folii, opakowań, pojemników, butelek, a także rur na wodę pitną. Tworzywo sztuczne wykazuje rezystancję powierzchniową rzędu około 10¹⁵Ω, co powoduje, że zjawisko elektryzacji statycznej dla tego materiału jest odczuwalne w dużym stopniu. Z tego powodu, podczas wytwarzania różnych elementów z polietylenu konieczne jest stosowanie środków zapobiegających gromadzeniu się ładunków.

Jakie surfaktanty można stosować jako środki antystatyczne?

Środki antystatyczne, które są powszechnie stosowane w przypadku polietylenu, to związki aplikowane wewnętrznie. W portfolio produktowym Grupy PCC znajdują się takie produkty jak: Chemstat 122, Chemstat PS-101, Chemstat G118/9501, Chemstat 3820 oraz Chemstat LD-100/60DC. Substancje te skutecznie obniżają opór powierzchniowy nawet do wartości 10¹⁰Ω, co gwarantuje bardzo dobry efekt antystatyczny, znoszący problem elektryzowania się materiału oraz wyładowań iskrowych. Niektóre z nich mogą być stosowane również w produkcji opakowań wykorzystywanych w przemyśle spożywczym.

Szczególną uwagę należy zwrócić na produkt specjalistyczny, jakim jest Roksol AZR. Antystatyk dedykowany jest do folii typu stretch, wykorzystywanej w ręcznym owijaniu towaru na paletach. Produkt wykazuje rewelacyjne właściwości antystatyczne, bowiem obniża rezystancję powierzchniową do wartości 10⁸Ω.

Antystatyki – dodatek czy konieczność?

Stosowanie środków antystatycznych w produkcji tworzyw sztucznych jest zdecydowanie koniecznością. Ich obecność jest niezbędna, ponieważ ułatwiają proces produkcyjny oraz pozwalają uniknąć niebezpiecznych wyładowań iskrowych. Zapewniają one także dodatkowe korzyści, takie jak ograniczenie gromadzenia się kurzu na przedmiotach wykonanych z tworzyw sztucznych, który jest przyciągany przez zbyt duże ilości ładunków. Ze względu na różnorodny mechanizm działania antystatyków możliwe jest dopasowanie ich do określonych warunków procesu produkcji i zmaksymalizowanie efektu końcowego.

Ciekawostka

Elektryczność statyczna spowodowała w 1937 roku pożar największego w historii niemieckiego sterowca Hindenburg. Zawierał on 200 000 m³ łatwopalnego wodoru. Podczas lądowania najprawdopodobniej na skutek przeskoku iskry elektrycznej gaz zapalił się, powodując doszczętne spalenie sterowca.