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      導靜電產品中導靜電劑的種類、作用原理、影響因素

      嘉峪檢測網        2021-10-23 23:39

      在企業生產過程中通常會使用到各式各樣的導靜電產品以降低靜電的產生、增加其導靜電性能從而降低靜電點燃易燃蒸氣或者可燃粉塵的風險。本文通過事故案例系統性地分析了導靜電劑的種類、作用原理、影響因素、常見導靜電產品中常用的導靜電劑,并從風險管理角度總結了企業在生產過程中需要考慮的事項。

       

      事故案例

       

      某企業操作人員在將一種顏料固體粉料從PE袋中投入含甲醇的反應釜時發生爆炸。企業開始進行詳細的事故調查。由于PE袋為導靜電類型,因此調查小組從一開始將就其排除在導致事故的原因當中,并懷疑可能是由于放熱化學反應導致事故發生。然而,此反應釜只是簡單的溶媒混合過程且在室溫下操作,因此小組之后排除了這個原因。操作人員穿了防靜電鞋且站在金屬格柵上因此排除了人體產生火花放電的可能性。通過一系列調查分析后,調查小組將懷疑重點回到PE袋上。開始調查小組猜想可能PE袋并非真正的防靜電PE袋。通過測試證實PE袋的表面電阻值為1x1013歐姆。因此調查小組認為是PE袋廠家疏忽(如未填加導靜電劑)導致事故發生。廠家堅信PE袋生產線并未發生變化而且可以通過測試證明PE袋導靜電性能滿足要求。調查小組懷疑導靜電劑性能可能隨時間變化而降低。通過6個月的實驗調查小組發現PE袋表面電阻值并未發生改變。調查小組開始懷疑是否顏料粉塵與導靜電劑之間發生化學反應導致PE袋導靜電劑性能下降,但是此觀點被化學工程師否決(兩者之間不會發生化學反應)。之后調查小組懷疑是否是顏料粉塵、導靜電劑與PE袋之間發生反應。通過進一步研究,發現導靜電劑會在PE袋中表面停留很長時間,但是,當很少粒徑的物料與表面一層導靜電劑接觸時,物料很容易吸附防靜電PE袋表面的導靜電劑從而增大其表面電阻值并降低其導靜電性能。最終調查小組找出導致事故發生的原因-防靜電PE袋變成非防靜電PE袋從而導致投料過程中產生刷形放電。

       

      導靜電劑種類

       

      根據使用類別,導靜電劑通??梢苑譃橐韵聝煞N類型:

       

      外部用導靜電劑:應用于物體表面形成導靜電涂層。

       

      內部用導靜電劑:導靜電劑通常使用一定技術整合到物質中,通過物料形成導靜電通路或者導靜電劑移動至物質表面釋放電荷。

       

      根據其化學特性,導靜電劑通??梢苑譃闊o機類與有機類兩種類型:

       

      無機類導靜電劑:如常用的碳黑、石墨、無機鹽類(如氯化鈣)。

       

      有機類導靜電劑:又可以細分為以下四種類型。

       

      陰離子型:代表性的如磷酸烷基酯,脂肪族磺酸鹽等。

       

      陽離子型:代表性的如烷基季銨鹽、烷基胺鹽等。

       

      非離子型:代表性的如脂肪酸酯、聚氯乙烯的衍生物、多元醇的酯化物等。

       

      兩性型:代表性的如胺氧化物等。

       

      導靜電劑的作用原理

       

      導靜電劑主要通過以下兩種方式減少產品的電阻并增加導靜電性能。

       

      導靜電劑的親水基團可以增加產品表面的親水性,從而形成一層可以導電的薄的水膜。

       

      離子型的導靜電劑可以增加產品表面的離子濃度,從而增加導靜電性能。

       

      導靜電劑的影響因素

       

      導靜電劑移動至物體表面后,與環境中的水分結合在物體表面形成一層薄的水膜(如圖1所示)。當環境中的相對濕度變化時,物體表面形成的水膜也會發生變化。在相對濕度較低情況下其導靜電性能急劇下降。環境濕度對大部分常用的導靜電劑性能影響很大。非離子型導靜電劑通常受環境濕度影響較小,但是磷酸鹽類受環境濕度影響明顯(如表1所示)。

       

      圖1:表面作用原理類型的導靜電劑

       

      第1階段:

      在擠出工藝中將導靜電劑均勻分布

      第2階段:

      導靜電劑移動至表面

      第3階段:

      與空氣中的水分結合形成一層薄的水膜

      導靜電產品中導靜電劑的種類、作用原理、影響因素

      導靜電產品中導靜電劑的種類、作用原理、影響因素

      導靜電產品中導靜電劑的種類、作用原理、影響因素

       

      表1:環境相對濕度對常用導靜電劑的影響

       

      備注:5-非常好,1-很差

       

       導靜電劑種類  

      物理狀態

      相對濕度%(RH)

      (55-70)

      (< 45)

      無機鹽類

       

      3+

      3+

      碳類

       

      5

      5

      磷酸鹽類

      液體

      5

      4

      半固體

      5

      4

      固體

      4

      3

      季胺鹽類

      液體

      4

      4

      半固體

      4

      4

      固體

      3+

      3

      非離子型

      液體

      2

      2

      半固體

      2

      2

      固體

      1+

      1+

       

      2. 導靜電劑在物體表面達到一定的平衡水平,表面以下的導靜電劑起到“倉庫”作用。當表面的導靜電劑消耗后,導靜電劑會從“倉庫”再次移動至物體表面。反復的清洗等最終會消耗掉所有的導靜電劑,如防靜電服。

      3. 某些導靜電劑會與其它填加劑反應,如胺類導靜電劑會與酸性填加劑反應。

      4. 樹脂的結晶度也會影響導靜電劑性能。樹脂的結晶度不同會影響導靜電劑往物體表面移動的能力。樹脂的結晶度越高,導靜電劑越難往表面移動。

       

      常見導/防靜電產品所用導靜電劑

       

      下面是生產過程中常見導/防靜電產品中常用的導靜電劑類型以方便大家了解其應用場合,并根據上面的分析了解其影響因素。

       

       

      產品

      常用導靜電劑

      防靜電鞋

      碳黑、季胺鹽類

      防靜電服

      碳纖維、導靜電纖維、導靜電聚合物

      防靜電地面

      碳纖維、碳納米管、導靜電顏料(氧化錫銻)

      導靜電軟管

      碳黑、季胺鹽類

      防靜電噸桶

      碳黑、碳纖維、導靜電聚合物

      防靜電噸袋(FIBC)

      碳纖維、導靜電纖維、導靜電聚合物

      包裝袋(如PE/PP)

      碳黑、導靜電聚合物


       

      總結

       

      工廠在選擇導靜電/防靜電產品時需要考慮產品所使用的導靜電劑類型及以下因素以防止導致潛在的安全風險。

       

      無機的導靜電劑通常比較穩定,產品導靜電性能通??梢跃S持很長時間。

       

      通常情況下,移動至產品表面的能力較強的導靜電劑(如季胺鹽類),產品的導靜電性能通常只可以維持很短時間。一些廠家生產的導靜電劑為12個月。

       

      用于外部涂層的小分子量的離子型及非離子型有機導靜電劑通常維持時間很短,在很短時間內涂層的導靜電性能急劇下降。此外,離子型的導靜電劑在反復清洗后很容易洗掉從而使導致失去導靜電性能。

       

      依靠移動至產品表面作用的導靜電劑(如季胺鹽類、烷基磷酸酯)通常情況下對濕度比較敏感。

       

      依靠移動至產品表面作用的導靜電劑在接觸至小粒徑顆粒時可能被其吸附從而導致產品導靜電性能下降,特別是與產品化學物質本身相容性比較差的導靜電劑。

       

      胺氧化物會在高溫下分解從而導致產品導靜電性能下降。

       

      根據產品使用場合,需要評估導靜電劑與工藝物料之間的化學品禁忌性以防止工藝物料與導靜電劑之間反應從而導致導靜電性能下降。

       

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      來源:翊員科技EHS

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