高聚物包裝材料靜電起電原理的研究

陳 晰，楊宏偉1，，吳 超，楊士釗

（1. 中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221008； 2. 徐州空軍學(xué)院，江蘇 徐州 221006）

高聚物包裝材料靜電起電原理的研究

陳 晰2，楊宏偉1，2，吳 超2，楊士釗2

（1. 中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221008； 2. 徐州空軍學(xué)院，江蘇 徐州 221006）

解釋了高聚物包裝材料固體之間發(fā)生接觸和分離過程時發(fā)生靜電起電現(xiàn)象的機理；探討了摩擦在高聚物起電中的作用；詳細(xì)講解了剝離起電、破裂起電、壓電起電、感應(yīng)起電和吸附起電等起電方式；最后指出設(shè)計更加成熟的模型和引入更加合理的參數(shù)是靜電起電進(jìn)一步研究的關(guān)鍵。

高聚物；包裝材料；靜電起電；摩擦

隨著經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，高聚物以其特有的性能，在醫(yī)藥、食品、電子元件、武器彈藥等包裝領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用［1-4］。但是高聚物的高絕緣、易帶靜電的性能，給科學(xué)工作者帶來了許多新的挑戰(zhàn)和機遇。高聚物的靜電學(xué)是建立在經(jīng)典靜電學(xué)的基礎(chǔ)之上的，但是高聚物與金屬的靜電學(xué)概念和理論有較大差別。深入研究和分析高聚物靜電起電的原理和影響因素，對于高聚物包裝材料的開發(fā)設(shè)計、制作、改性、應(yīng)用等均具有重要的指導(dǎo)意義［5-7］。

1 靜電起電原理

由于物體的接觸分離、靜電感應(yīng)、介質(zhì)極化和帶電微粒的附著等原因，使物體正負(fù)電荷失去平衡或電荷分布不均，而在宏觀上呈現(xiàn)帶電的過程，稱為靜電起電［8］。當(dāng)然有的起電過程非常微弱，有的在起電時產(chǎn)生的靜電荷被中和或轉(zhuǎn)移，在宏觀上沒有呈現(xiàn)靜電帶電現(xiàn)象。

關(guān)于物體接觸起電的理論，金屬間的接觸起電理論已經(jīng)比較成熟，高聚物材料之間的接觸起電過程比較復(fù)雜，加之表面狀態(tài)變化和表面粘污的影響，使問題交錯復(fù)雜，因此目前國際上還沒有形成普遍公認(rèn)的理論。

1.1 高聚物之間的接觸起電

兩種高分子聚合物材料相互接觸時，會發(fā)生電荷的轉(zhuǎn)移。當(dāng)然高聚物材料的接觸起電機理較為復(fù)雜，依照電荷轉(zhuǎn)移的載流子類型來看，可以區(qū)分為電子型和離子型。高聚物材料之間發(fā)生接觸起電和金屬之間接觸起電顯然不同：金屬之間接觸起電產(chǎn)生的電荷一般來說僅僅分布在金屬表面；而高聚物材料接觸起電時，產(chǎn)生的電荷不僅僅分布在材料表面，還會進(jìn)入材料內(nèi)部，分布形成體電荷。

高聚物材料帶電普遍認(rèn)為電子為帶電載流子，除了離子晶體等具有簡單的結(jié)晶構(gòu)造的物質(zhì)以外，關(guān)于其能級和功函數(shù)方面的知識無論在實驗和理論方面都很貧乏。并且高聚物的表面導(dǎo)電，特別是在其表面吸附了水分時，參與傳導(dǎo)的帶電載流子可以認(rèn)為是離子。因此，有的認(rèn)為高聚物材料帶電時，通過接觸界面移動的帶電載流子為離子。即使在非常干燥的空氣里，材料表面上都多少會吸附少量水分。濕度小時一般是單分子層吸附，濕度大時一般是多層吸附，有時甚至將水分吸入到材料的內(nèi)部。部分水分離解成H+和OH-。此外，因為污染和周圍空氣中的灰塵及其它沉積在材料表面上的物質(zhì)吸附了水，也將產(chǎn)生離子。當(dāng)材料具有離子性原子基團(tuán)時，更為增加了水的吸附，離解出離子從而成為帶電載流子。

清潔表面，例如材料新破開的內(nèi)表面，因為在化學(xué)方面是不穩(wěn)定的，總是力圖形成穩(wěn)定化的表面層。親電性的高聚物因為有親水性，因此就吸引這個表面上的OH-原子團(tuán)而趨于穩(wěn)定，表面即帶負(fù)電。具有正離子（或負(fù)離子）的物體是親電性高聚物，沒有這些東西的是疏電性高聚物。疏電性高聚物是琥珀和塑料類，如果它們被清洗干凈，則相對于金屬等顯示不出接觸帶電。這些東西通常帶電是由于表面被污染而帶上親電性物質(zhì)的緣故。

1.2 分離過程

前面討論可知，兩種材料相互接觸時，接觸表面上就會發(fā)生電荷的交換，電荷達(dá)到平衡時，在接觸界面處就會形成偶電層，即兩種材料分別帶上等量的正電荷和負(fù)電荷。由于偶電層的間距非常小，若把相互接觸的種材料看作為一個系統(tǒng)，從整個系統(tǒng)來看仍是不帶電的，呈電中性。當(dāng)接觸后又分離時，兩種材料才會分別顯示出帶正電荷或者帶負(fù)電荷，且分離后每種材料所帶電荷的絕對值，與相互接觸并處于平衡狀態(tài)時，偶電層中正負(fù)電荷的絕對值不相等，一般是前者總小于后者。用Q表示分離后任一物體上所帶電荷電量的絕對值，用Q0表示分離前偶電層中正電荷或負(fù)電荷的絕對值，兩者之間的關(guān)系為：

式中:k的取值范圍為0

1.3 摩擦在接觸起電過程中的作用

摩擦并不是靜電起電的必要條件，單純的接觸—分離過程就會使物體帶電，但摩擦確實可以增強接觸起電的效應(yīng)。實質(zhì)上摩擦過程就是相互摩擦的兩種物體接觸面上不同接觸點之間，接連不斷地接觸和分離的一個過程。對于高聚物而言，摩擦的整個過程都和靜電起電有關(guān)，如摩擦引起的升溫、材料界面凸起部分的熱分解、熱電效應(yīng)、斷裂和壓電效應(yīng)等，都會改變靜電起電量。此外，摩擦類型、摩擦速度、摩擦?xí)r間、摩擦?xí)r的接觸面積和摩擦正壓力等因素，都和起電電量相關(guān)。

相互摩擦?xí)r兩種物體表面的溫度都要升高。一般情況下，發(fā)生摩擦的兩物體溫度的升高值并不相等，例如銼刀對高聚物進(jìn)行工作時，即是金屬與高聚物的非對稱摩擦，相當(dāng)于高聚物一方的一點由于長時間被摩擦，所以溫度就比較高，這里就產(chǎn)生熱點。此外，即使不是非對稱摩擦，物體表面的凸起部分由于經(jīng)常被摩擦也會產(chǎn)生熱點。因為摩擦而引起的局部溫度升高與熱擴散一樣，產(chǎn)生帶電載流子從高溫處向低溫處移動，該過程與熱電子發(fā)射相似。

2 高聚物起電方式

2.1 剝離起電

剝離兩個緊密結(jié)合的物體時引起正負(fù)電荷分離而使兩物體分別帶電的過程，稱為剝離起電（如圖1所示）。

圖3 剝離起電Fig.3 stripping electrification

剝離起電實質(zhì)上就是一種接觸—分離起電。一般條件下，由于被剝離的物體剝離前緊密接觸，在剝離起電過程中實際的接觸面積比發(fā)生摩擦起電時的接觸面大很多，因而在通常情況下剝離起電比摩擦起電產(chǎn)生的靜電量要大。剝離起電能產(chǎn)生很高的靜電電位。剝離起電的起電電荷量與接觸面積、剝離的速度和接觸面上的粘著力大小相關(guān)。

在靜電安全工程中，防止剝離起電具有重要的實際意義，例如防靜電包裝中對于封條、產(chǎn)品標(biāo)簽材料及粘合劑的選用，盡量考慮選用剝離起電小的材料。在高質(zhì)量錄像帶、錄音帶的制造和工藝處理過程中，也要盡量避免產(chǎn)生剝離起電。

2.2 破裂起電

物體破裂時發(fā)生電荷分離，由于正負(fù)電荷平衡受到破壞而產(chǎn)生靜電的過程，稱為破裂起電。在破裂過程中破裂起電除了因摩擦而產(chǎn)生之外，有的則是在破裂前就存在著電荷分布不均勻的情況。破裂起電過程中電荷量的大小與裂塊數(shù)量、裂塊大小、破裂速度、破裂前電荷分布的不均勻度等因素相關(guān)。由于破裂引起的靜電，通常是帶正電荷的粒子與帶負(fù)電荷的粒子雙方同時發(fā)生。

2.3 壓電起電

在給離子型晶體加壓過程中，其表面上會產(chǎn)生極化電荷，該現(xiàn)象我們稱為壓電效應(yīng)。產(chǎn)生的原因是晶體在電學(xué)上的各向異性。在晶體性高聚物中也發(fā)現(xiàn)有壓電效應(yīng)。木材是一種單軸取向晶體性高聚物纖維素微晶的集合體，具有壓電效應(yīng)。通常情況下，壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷量很小。極化聚合物（例如聚甲基丙烯酸鉀酯、聚氯乙烯）和非極化聚合物（例如聚苯乙烯、聚乙烯和聚丙烯）的情況不同。這些物質(zhì)的壓電效應(yīng)較為顯著。聚甲基丙烯酸甲酯粉末經(jīng)過特定加工后制成的薄片狀試件，壓電效應(yīng)產(chǎn)生的最大電荷密度為 40 μC/m2。薄片上、下兩面均出現(xiàn)電荷和電位的不均勻分布。

壓電效應(yīng)可以解釋合成纖維制品容易吸附粉塵的現(xiàn)象，也可以解釋同種材料相互分離的起電等。自然界中還有很多能產(chǎn)生壓電效應(yīng)的物質(zhì)，如絲蛋白、角蛋白等。此外，在骨、腱等為主要原料的膠原中也發(fā)現(xiàn)有壓電效應(yīng)。

2.4 感應(yīng)起電

通常感應(yīng)起電是對導(dǎo)體而言的。靜電場中的物體，由于靜電感應(yīng)使導(dǎo)體上的電荷重新排列，從而使材料的電位發(fā)生改變。對于高聚物材料，在靜電場中由于極化也可使其帶電，也把它稱為感應(yīng)起電。極化后的高聚物，其電場將周圍介質(zhì)中的某種自由電荷吸向自身，和高聚物上與之符號相反的束縛電荷中和。外電場撤走后，高聚物上的兩種電荷已無法恢復(fù)電中性，因而帶有一定量的電荷。這就是感應(yīng)起電。

有一些高聚物，如天然臘、樹脂、松香、鈦酸鈣陶瓷、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯等經(jīng)強電場作用后能永久或在較長時間內(nèi)保持其極化狀態(tài)，即形成駐極體。實用的駐極體，其弛豫時間（表面電荷密度減少到其初始密度的1/e的時間）可達(dá)3～10 a。有的駐極體的電荷不僅分布在表面，也分布在體內(nèi)。若把駐極體去掉一層或一截，新的表面仍有電荷存在。若將駐極體切為兩段，則成為兩個小的駐極體。

2.5 吸附起電

大多數(shù)材料的分子為極性分子，即具有偶極矩；偶極子在界面上呈現(xiàn)定向排列。此外，空氣中由于空間電場、放電現(xiàn)象、宇宙各種射線等因素的作用，漂浮著一些帶正電荷或負(fù)電荷的粒子。這些飄浮的帶電粒子被材料表面的偶極子吸引附著在材料上時，整個物體就會帶有過剩電荷而帶電。如果物體表面定向排列的偶極子的負(fù)電荷位于空氣一側(cè)，則物體表面吸附空氣中帶正電荷的粒子，使整個物體帶正電。反之，如果物體表面定向排列的偶極子的正電荷位于空氣一側(cè)，則物體表面吸附空氣中帶負(fù)電荷的粒子，使整個物體帶負(fù)電。吸附起電電量的大小與分子偶極矩大小、偶極子排列狀況、物體表面清潔程度、空氣中懸浮的帶電粒子種類等因素相關(guān)。

3 結(jié)束語

前面我們對高聚物靜電起電機理進(jìn)行了討論，希望能有一個比較統(tǒng)一的解釋。但是，由于起電問題本身的復(fù)雜性，致使在這方面還保留著許多沒有被解釋的現(xiàn)象。這種復(fù)雜性的原因是由于，一方面所涉及的材料自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，另一方面是靜電起電現(xiàn)象同時受環(huán)境因素的影響。因此，還有待科學(xué)工作者設(shè)計更成熟的模型、引入更合理的參數(shù)，對靜電起電理論作進(jìn)一步詳細(xì)的分析研究。

［1］ 王超．高分子材料在藥品包裝中的應(yīng)用[J].天津化工，2011，25(4)：10-12．

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［3］ 王長安，鄒永德，陳曉翔. 抗菌食品包裝研究進(jìn)展[J]. 包裝工程，2009，（10）：121-124.

［4］ 馬輝，高緒勇，楊士亮．野戰(zhàn)彈藥防靜電包裝設(shè)計[J]. 包裝工程，2005，26(5)：145-146．

［5］譚志良，陶鳳和，劉尚合,等．防靜電阻隔包裝材料發(fā)展動態(tài)及其防靜電機理探討[J].包裝工程，2000，.21(1)：3-5．

［6］李宇明，孫永衛(wèi)．包裝材料的防靜電設(shè)計[J].包裝工程，2011，32(19)：73-74．

［7］張玉峰．可剝性導(dǎo)電塑料在靜電防護(hù)包裝中的應(yīng)用研究[J].包裝工程，2001，22（1）：56-58．

［8］國家技術(shù)監(jiān)督局．GB/T 15463-1995靜電安全術(shù)語[S].

Study on the Electrostatic Electrification of Polymer Packaging Materials

CHEN Xi2，YANG Hong-wei1,2，WU Chao2，YANG Shi-zhao2
（1. China University of Mining and Technology, Jiangsu Xuzhou 221006，China；
2. Xuzhou Air Force College, Jiangsu Xuzhou 221008，China）

The rules of electrostatic electrification during contacting and parting between solids of polymer packaging materials were studied. The function of friction in the electrostatic electrification of polymer was analyzed. Electrification means were explained in detail, including stripping electrification, crack electrification, piezoelectric electrification, inductive electrification and attaching electrification. It’s pointed out that designing more mature model and introducing more reasonable parameters will be the research tendency of electrostatic electrification theory.

polymer; packaging materials; electrostatic electrification; friction

TQ 326

A

1671-0460（2012）09-0983-03

2012-04-22

陳晰（1981-），男，江蘇徐州人，講師，研究生（碩士），2003年畢業(yè)于南京師范大學(xué)化學(xué)專業(yè)，研究方向：從事材料科學(xué)和分析化學(xué)的教學(xué)和研究。E-mail：173808485@qq.com。