橡膠是電絕緣材料,當其表面受到摩擦時,處于靜止狀態的電荷積聚而形成靜電。當電荷積累到一定數量時,便以火花形式釋放。放電量輕微時,對人體不構成危害,但放電達到一定程度時,會造成電擊。為了保障人身安全,在這種場合使用的橡膠,必須是能清除靜電的抗靜電橡膠。
靜電帶來的危險大致有以下幾種:
(1)當靜電釋放時,周圍如存在火種、易燃、易爆物,就會引發火災;
(2)擊傷人體,盡管這種電擊一般不屬于致命性的,但對人體有害; (3)帶靜電的表面會吸附周圍的微粒。例如紡織廠的皮輥在牽伸紗支時,與紗線之間因摩擦而產生靜電。當電荷積累到一定程度時,便會吸附周圍空氣中的飛紗,影響操作。 總之,抗靜電的確切定義并非阻止靜電的產生,而是要消除掉已經積聚起來的靜電 。
一、抗靜電橡膠的應用
隨著越來越多的應用領域提出抗靜電要求,特別是電子計算機用途的拓展,靜電產生的幾率也相應增加,加上人們對靜電的防范意識也在增 加。許多國家對抗靜電的措施日益規范化。其中最重要的是開發各種抗靜電器件,抗靜電橡膠就是其中的一個內容。抗靜電橡膠制品既要起導除靜電的作用,又要可防止低壓線路泄漏所造成的電擊事故。目前根據用途的不同,抗靜電橡膠 主要用于以下幾種場所:
(1)某些容易發生險情的場所,如容易積聚靜電的路面及交通工具的輪子都需要使用抗靜電橡膠來對付。他們與金屬或混凝土鋪面材料相比,更能保證工作場所的安全與衛生,且防止靜電的效果也良好。某工廠曾作過實地試驗,在20℃和60%的相對濕度下,人在行走時體內積累的靜電可能引起爆炸。如果地面鋪上抗靜電橡膠板,則可化解危險。
(2)易燃、易爆液體運輸中,起火和爆炸的可能性都是存在的。在這種情況下取材于電絕緣性能好的橡膠輸油軟管容易起火。這種輸油管若能抗靜電,便可確保油品運輸安全。
(3)在易爆、易燃場所使用抗靜電輸送帶,可解除由火花引發的事故,特別在用膠帶輸送化纖 的場所,更可有效防止因纖維被吸附在帶體表面所造成的火警事故。
(4)抗靜電膠鞋也是搞靜電大宗產品,這類專用鞋的對地體積電阻為103 ～108 Ψ cm,并要求操作人員穿著此鞋接地時,通過人體的電流量應<5mA。抗靜電膠鞋也用于醫院手術室,以導除由地板、移動擔架、工具車車輪所產生的靜電;此外也使用于電工室及工廠的電子元件車間。 (5)有的工廠的生產現場,要求高度凈潔,需要建立長效的抗靜電環境,就得使用抗靜電器材。
二、應用實例
目前,最常見的抗靜電橡膠制品有抗靜電膠鞋、導電膠輥、紡織皮輥膠管等,分別介紹如下。
1、抗靜電膠鞋：
抗靜電膠鞋的制作方法有兩種:第一種是在鞋內埋入金屬導電絲,穿越鞋底的各個層次,其一端與腳底直接接觸,另一端則通到地面,從而在人體與地面之間架起通道。這種設計很合理,但制造極為精致,要求也很嚴格,實際應用較少。第二種方法則結合膠鞋的傳統工藝,把重點放在鞋底設計和制作上。因為鞋與地面接觸的部分是鞋底,所以抗不抗靜電,關鍵在鞋底(靜電從人體通往地面的必經通道)。鞋底實際上是一個復合部件,從外往里由大底(踏地面)、中底(一般為海綿結構,提供彈性和緩沖性)、膠漿(用來粘結海綿和中底布)和中底布4個部分組成。抗靜電大底 :除了抗靜電外,還應滿足力學 性能方面的要求,如拉伸強度、伸長率、耐磨和耐 屈撓。膠種以丁腈橡膠、氯丁橡膠為優先考慮對象。為了兼顧成本,也可采用天然橡膠/順丁橡膠并用(60/40)。如鞋底為黑色,抗靜電劑可用乙炔炭黑,并添加陶土。為了降低煉膠溫度,可配加軟化劑、增塑劑,例如20～30份二丁酯。硫化體系按常規。配方如下:天然橡膠60,順丁橡膠40,硫黃2.5,促進劑1.5,軟化劑3,陶土40,乙炔炭黑30,半補強炭黑60,防老劑1.5。 如果大底為淺色,因不能用炭黑,膠種可改用全天然橡膠,抗靜電劑用SN,配方如下:天然橡膠100,硫黃3.4,ZnO5,硬脂酸2,促進劑1,5,陶土50,輕質碳酸鈣25,抗靜電劑SN10。 導電中底海綿:主要性能要求包括:體積電阻<1.5×105 Ψ cm,硫化后保持挺性、彈性。發泡率不低于20%～30%,但也不能過高。抗靜電劑一般用乙炔炭黑(淺色海綿可用SN或SP),也可摻用部分高耐磨炭黑。 導電乳膠漿:除具備鞋用膠漿應有的性能外,還需抗靜電,通過添加乙炔炭黑或離子型表面改性劑來獲得。添加乙炔炭黑需先制成水分散液后再加入乳膠;而離子型抗靜電劑屬水溶性,可直接加入乳膠,攪拌均勻即可。
2、紡織用抗靜電膠件：
防靜電皮輥膠管:是紡織廠紡紗皮輥配套的抗靜電部件,用于紡織廠的并條、細紗、粗紗等工序中的牽伸,以克服皮輥表面的繞紗問題,而靜電積聚正是繞紗的主因。鑒于皮輥是淺色的,不允許作為其配件的膠管配加炭黑,必須使用離子型表面活性劑作為抗靜電添加劑。主體材料用丁腈-26,另加明膠保護表面。典型配方如下:丁腈-26100,明膠35,ZnO10,鈦白粉20,MgO10,硫黃7.5,白炭黑15,抗靜電劑SN1.5,二丁酯15,酞青藍0.5。 毛紡皮輥:這種皮輥在運轉中長時間與毛條摩擦,不斷產生靜電,造成斷頭和停機,因此要求毛紡皮輥具備導除靜電功能。膠料中需配用抗靜電劑,另外,硬度要求達到邵爾A78～86度,故配方采取高硫、高氧化鋅用量。抗靜電劑用平平加 O。配方如下:丁腈-26100,ZnO20,硬脂酸2,硫 黃15,二丁酯10,輕質碳酸鈣80,促進劑2.5,酞青藍0.4,平平加O5,石蠟1.5。
3、半導電膠輥：
電子照片復印機、靜電記錄儀都是通過均勻帶電的感光體曝光而獲得電子潛像的,再將顯像劑附著在靜電潛像上,然后通過傳遞介質轉印到紙上。使用于上述裝置的半導電膠輥需采用體積電阻為1×108～11Ψ cm的半導電橡膠。按理,丁腈橡膠是合適的主體材料,但由于放電時產生臭氧而導致膠面龜裂,因此最理想的主體材料是三元乙丙橡膠。可采用半導電炭黑作導電劑,但往往分散不均勻,需要在混煉中加以注意。
三、橡膠電性能的劃分
橡膠的電絕緣能力習慣上按體積電阻來劃分,其中以10 4～7 Ψ cm的范圍作為半導體橡膠, 大于此為絕緣橡膠,小于此的為導電橡膠。各種橡膠的絕緣性能都較好,相比之下,氯丁橡膠和丁腈橡膠的體積電阻最小,被稱為“半導體橡膠”,往往被作為抗靜電應用的首選,但也并非唯一的考慮對象,因為可以通過抗靜電劑的加入來調節。
四、抗靜電膠料的制備
混煉:黑色抗靜電膠料混煉時,炭黑受機械剪切后結構遭到破壞,可塑性上升,但抗靜電性(即導電性)受損,因此混煉達到均勻分散即可,慎防過煉。混煉膠可塑度控制在0.4～0.45為宜。 出片:熱煉時間不宜過長,輥距不宜過小。 硫化:交聯程度越深,靜電通路越通暢,靜電導除效果也越好。
五、抗靜電劑及相關助劑
如前所述,橡膠的抗靜電性能與膠種有很大關系,但使用合適的抗靜電助劑(或導電材料)也同等重要。目前,橡膠常用的抗靜電劑分兩大類:導電炭黑和離子型表面活性劑,它們分別適用于黑色和淺色制品。金屬粉末也作為導電材料,但其缺點是影響橡膠的彈性、柔性,故很少使用。
1、炭黑類：
炭黑中導電性好的品種有乙炔炭黑、導電爐黑、導電槽黑等,而用量最多、應用面最廣的首推乙炔炭黑,原因在于它的價格相對低廉。而且,因其所含的揮發份較高,故導電率差一些,而這正好能滿足抗靜電之需。此外還能起到一些補強效果,包括提高定伸應力和硬度。作為抗靜電劑使用時,乙炔炭黑的用量一般為20～30份。但它不適用于淺色抗靜電制品,也不適用于衛生、清潔要求高的產品。
2、離子型表面活性劑：
此類活性劑的抗靜電特性來源于表面極性,也跟其擴散能力和相容性有關。如果這類表面活性劑跟橡膠的相容性好,則它的擴散、遷移會受到約束,導電能力會受牽制;反之,相容性太差則會過快地向外擴散、遷移,則抗靜電性也難以持久。因此,選用的原則應該是力求和橡膠的相容性適中。從理論上講,表面活性劑型抗靜電劑分子中的親水基團因能在表面形成均勻的分子層,而有良好的抗靜電效果。常用的抗靜電劑品種有: (1)SN:為十八烷基胺乙基二甲基-β-羥基胺的硝酸鹽,紅棕色,分解溫度180℃,可解除高分子材料表面的積聚電荷。可直接加入橡膠,也可做成涂液,涂于表面。(2)SP:為十八烷基胺乙基二甲基-β-羥基胺的磷酸二氫鹽,淺黃色,為常用品種。 (3)PES:是硬脂酸聚氧化乙烯醇酯,黃色蠟狀體,紡織皮輥的專用抗靜電劑,熱穩定性良好。 (4)OT:即乳膠常用穩定劑平平加“O”,屬非離子型表面活性劑。
3、硫化及填充體系：
在黑色抗靜電配方(以炭黑為抗靜電劑)中,不宜采用低硫/高促或無硫等有效或半有效硫化體系,因為這些體系的交聯結構以單、雙硫鍵為主,不利于炭黑形成長鏈結構,從而影響導電渠道的建立。應該盡量使用常規的高硫/低促硫化體系,以提高導電性。典型的硫化體系配合組成為:硫黃2.5,氧化鋅5,硬脂酸2,促進劑1.5。在使用淺色抗靜電劑的情況下,由于表面活性劑都有增塑作用,將拉大橡膠分子的間距,會影響物性,可適當提高硫黃用量到3～3.5份的水平。 大量使用硅酸鹽填料對表面活性劑有吸附作用,會抵消其抗靜電效果。另外,也會影響海綿起發。故最好改用碳酸鈣作填充劑。如生產抗靜電海綿制品,可多用些增塑劑,以利發泡。
