塑料包裝薄膜用抗靜電劑的研究進展

李新芳 李育雄 趙素芬 吳成英 涂志剛

（1.中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院；2.中山市朗科包裝有限公司；3.廣東開放大學(xué)（廣東理工職業(yè)學(xué)院））

塑料包裝薄膜是現(xiàn)代社會包裝印刷行業(yè)廣泛使用的高分子加工材料，在塑料包裝制品市場份額占有的比例越來越大。由于有很高的表面電阻率，在使用和加工過程中，薄膜與設(shè)備之間、薄膜與薄膜之間的摩擦極易產(chǎn)生靜電[1-3]。比如由于靜電的存在，薄膜與薄膜之間發(fā)生粘連，同時消弱了薄膜的印刷適性和使用性；對于包裝電子產(chǎn)品的塑料薄膜，電子芯片的包裝過程中，靜電的存在有可能損壞產(chǎn)品。為了有效地解決塑料包裝薄膜的抗靜電問題，就是在塑料母粒中添加抗靜電劑[4-6]或者在薄膜表面涂覆抗靜電劑。塑料包裝薄膜抗靜電處理后，電阻值可達到108-1011Ω，能有效防止薄膜表面吸附灰塵，不影響薄膜的外觀和印刷性能。本文闡述了塑料包裝薄膜用抗靜電劑的分類、作用機理和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，展望了抗靜電劑的發(fā)展趨勢，為抗靜電劑在包裝印刷行業(yè)的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1. 抗靜電劑的分類

抗靜電劑是塑料包裝薄膜助劑中需求最大的品種[7,8]，根據(jù)抗靜電劑的組成不同，可以分為離子型、非離子型、高分子導(dǎo)電型和復(fù)合型。其中，離子型是應(yīng)用最為廣泛的一種[9-11]，有陽離子型、陰離子型和兩性離子型。陽離子型分解于水中，產(chǎn)生陽離子，吸附力大，消除靜電效果好，耐熱性不好，易熱分解，這類抗靜電劑通常不得用于與食物接觸的塑料薄膜中[12]，如季胺鹽或胺鹽；陰離子型分解于水中，產(chǎn)生陰離子，水溶性比較大，抗靜電效果略差于陽離子型，除用作抗靜電劑外，還有良好的乳化劑、纖維處理劑，但不耐酸和熱，如硫酸酯及其鹽；兩性離子型分解于水中，酸性一側(cè)為陽離子性，堿性一側(cè)為陰離子性，是具有雙重性質(zhì)的物質(zhì)，對高分子材料有較強的附著力，因而能發(fā)揮優(yōu)良的抗靜電性，如甜菜堿類物質(zhì)等。非離子型抗靜電劑在水中不分解，其分子直接作為表面活性劑產(chǎn)生作用。高分子導(dǎo)電型抗靜電劑本身具有導(dǎo)電特性，抗靜電效果良好，但添加量要多。復(fù)合型抗靜電劑是多功能協(xié)效且長效一致的抗靜電劑，是抗靜電劑的新品種，抗靜電效果遠優(yōu)于單一組分。

離子型抗靜電劑對塑料包裝薄膜吸附力強，抗靜電性能良好，但其熱穩(wěn)定性差，尤其是陽離子型抗靜電劑高溫下加工易分解而變色，大大降低薄膜的透明度和光澤度[13]。而非離子型抗靜電劑熱穩(wěn)定性好、不易引起塑料的老化降解，不影響薄膜透明度和光澤度等，有離子型抗靜電劑不具備的優(yōu)點，綜合性能較好，是理想的塑料包裝薄膜抗靜電劑。詳見表1。

表1 離子型和非離子型抗靜電劑的抗靜電、透明和耐熱效果對比

表2 非離子型抗靜電劑的抗靜電、透明和耐熱效果對比

表3 非離子抗靜電劑特性和使用方法

非離子型抗靜電劑是不帶電低極性的表面活性分子，通過親水性基團吸附水分子形成溶劑化合物，最終形成導(dǎo)電層來降低并消除薄膜表面的靜電。

因此，塑料包裝薄膜中通常采用非離子型抗靜電劑。各種非離子型抗靜電劑的抗靜電、透明和耐熱效果對比見表2，胺類非離子型抗靜電劑的抗靜電效果良好。

具體到非離子抗靜電劑中每一個品種，它們的特性和使用方法見表3，從表3可以看出胺類比酯類抗靜電劑的綜合效果好。非離子抗靜電劑實際上屬于非離子表面活性劑，具有如下基本特性。（a）降低表面張力；（b）對表面的吸附作用，因為溶于水中的表面活性劑既親水也親油，它們會向表面或界面移動逐步穩(wěn)定；（c）在表面（界面）上發(fā)生的排列，并形成膜；（d） 表面活性劑在水溶液中處于低濃度時，其以分子狀態(tài)分散于水中，隨著濃度的上升分子產(chǎn)生締合并形成膠束。

2. 抗靜電劑的作用機理

塑料包裝薄膜專用抗靜電母料中的抗靜電劑多為非離子表面活性劑，如圖1所示，抗靜電劑遷移至塑料聚合物的表面，一個憎水基團（非極性基）向內(nèi)側(cè)（塑料聚合物一側(cè)）排列形成連續(xù)的膜狀，保證抗靜電劑固定在塑料聚合物內(nèi)部，而親水基團（極性基）則向外吸收空氣中的水分，形成一層導(dǎo)電層來降低塑料包裝薄膜的表面電阻率。當(dāng)抗靜電劑遷移到塑料包裝薄膜表面后，吸附空氣中水分的能力越強，則形成導(dǎo)電層后，分散電荷越多，抗靜電效果越好[13,14]。

影響抗靜電劑的抗靜電性最重要的因素是抗靜電劑在塑料聚合物中的遷移狀況，抗靜電劑的遷移受其與塑料聚合物的相容性、塑料聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）以及結(jié)晶度的影響較大。

相容性越好，抗靜電劑向表面遷移的越少，也就越難達到抗靜電效果所需要的濃度。相容性的標(biāo)準(zhǔn)，可以用SP值（溶度參數(shù)）判斷，SP值越接近的物質(zhì)的相容性越好[15]。塑料聚合物和抗靜電劑的SP值和熔點見表4，可見聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）的SP值與抗靜電劑的SP值比較接近，所以PVC和PS聚合物中的抗靜電劑向表面遷移較少。

圖1 非離子型抗靜電劑的抗靜電效果結(jié)構(gòu)圖

表4 塑料聚合物和抗靜電劑的SP值和熔點

抗靜電劑的遷移速度，以聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg值為界，會發(fā)生很大的變化。聚合物的Tg值低于常溫時，聚合物分子的鏈段產(chǎn)生微弱布朗運動，并因此使抗靜電劑向表面的遷移變得容易。相反，Tg值高于常溫的硬聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）等的布朗運動被凍結(jié)，使抗靜電劑的遷移變得困難。

另外，抗靜電劑被認為存在于聚合物的非晶性（無定型）的區(qū)域，對于結(jié)晶性高的樹脂來說，其結(jié)晶將妨礙抗靜電劑的擴散和遷移。結(jié)晶性高的聚合物也受布朗運動的抑制，其抗靜電劑的遷移也會受到限制。

研究也表明要使聚合物表面產(chǎn)生抗靜電效果[13,14]，一般認為要達到必要的臨界濃度，抗靜電劑不僅僅以單層分子形式存在，而是以十層左右存在。其理由是抗靜電劑并不一定以理想的單層分子整齊地排列于聚合物表面，在一定程度上是抗靜電劑層的重疊的結(jié)果，使最表層（外層）的抗靜電劑平等排列，親水基在表面上形成各向同性狀態(tài)，這種結(jié)果可使表層迅速獲得抗靜電的效果。如圖2所示。

圖2 塑料聚合物表面的抗靜電劑的吸附排列示意圖

3. 抗靜電劑的開發(fā)及應(yīng)用

抗靜電劑在美國、西歐和日本等發(fā)達國家發(fā)展很快。美國菲澤公司的Astistat 68、美國北方石油的Norchem 700 F可用于聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）和PS等多種樹脂，耐溫高達240℃[13]。日本三洋化成公司開發(fā)的非離子型乙氧基化脂肪胺抗靜電劑應(yīng)用于PP和PE樹脂，瑞士的Lonza公司開發(fā)的多元醇脂肪酸酯抗靜電劑應(yīng)用于PP、PE和PS樹脂[16]。

與國外相比，國內(nèi)抗靜電劑的研究工作起步較晚，遠遠落后于美國、西歐和日本等發(fā)達國家。但近年來國內(nèi)許多學(xué)者對抗靜電劑的研究取得一定的進展，如北京化工研究院、杭州化工研究院、濟南化工研究所、大連輕工研究所、陜西省化工研究所、山西化工研究所等開發(fā)的抗靜電劑都適用于PE、PP、PET和PVC等塑料包裝薄膜。鮑治宇[17]等將二甲基乙醇基十八酰胺丙基銨硝酸鹽陽離子抗靜電劑添加到PP樹脂中，采用正交實驗研究了PP樣品的抗靜電性能，表明添加陽離子抗靜電劑的PP樣品的表面電阻小于109Ω，抗靜電性能優(yōu)良。

吳遜[18]等將4種非離子型抗靜電劑（硼酸酯、單甘酯、固態(tài)乙氧基胺和液態(tài)乙氧基胺），添加到PP樹脂后熔融混合制得薄膜，研究了不同濕度條件下PP薄膜的抗靜電性能。表明環(huán)境濕度為70%時，添加了液態(tài)乙氧基胺的PP薄膜的表面電阻率降到108Ω，添加了單甘酯的PP薄膜的表面電阻率降到1011Ω；而環(huán)境濕度為30%時，非離子型抗靜電劑的抗靜電效果較差。

華東理工大學(xué)許祥[19]對抗靜電劑吐溫40（T40）進行雙鍵化改性后，添加到PP中，當(dāng)T40添加量為0.5%時，PP樣品的表面電阻率降到1010Ω。

葉倫學(xué)[20]等采用季銨鹽、丙烯酸酯類和無水乙醇等無規(guī)共聚反應(yīng)制備了一種涂覆高分子抗靜電劑，當(dāng)季銨鹽的含量大于15%時，PET樣品的表面電阻為107Ω，抗靜電性優(yōu)良。

盧志凱[21]等研究了水性聚氨酯（WPU）抗靜電涂料，并應(yīng)用于PET樣品。表明WPU復(fù)合抗靜電涂層的抗靜電性能受環(huán)境溫濕度影響較小，在合適的WPU復(fù)合抗靜電劑加入量下，PET樣品在低濕度環(huán)境條件下可保持較好抗靜電性能。

4. 結(jié)語

盡管國內(nèi)的抗靜電劑研究的品種很多，但是產(chǎn)業(yè)化的產(chǎn)品還很有限，進一步的工作還有待于科技人員的努力。隨著人們環(huán)保意識的增強和科技的不斷發(fā)展，開發(fā)綠色環(huán)?？轨o電劑是今后抗靜電工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

因此在抗靜電系列化產(chǎn)品現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)出與塑料聚合物相容性好、揮發(fā)性低、耐久性強、功能性強的抗靜電劑，尤其加強開發(fā)無毒、低成本的復(fù)合抗靜電劑產(chǎn)品[16]，以滿足包裝印刷行業(yè)的需求。