Funkcjonalność i Kolor Na Miarę Potrzeb

Warstwy kurzu na powierzchni z tworzyw sztucznych, np. we wnętrzach samochodowych, są niekorzystne z uwagi na wrażenia wizualne. Nagromadzeniu pyłu można zapobiegać lub opóźniać za pomocą specjalnie opracowanych inhibitorów statycznych, które są dopasowane do odpowiedniego typu tworzywa sztucznego. Ponadto inhibitor przewodzący może być dodawany wspólnie z barwnikiem w jednym etapie procesu przetwórczego.

Jan Stadermann

Większość tworzyw sztucznych ma bardzo niską przewodność elektryczną i dlatego wykazują one zazwyczaj silną tendencję do gromadzenia się ładunku na powierzchni, spowodowaną przez kontakt z innymi materiałami. W wielu przypadkach, obecność ładunków na powierzchni powoduje skomplikowane efekty, np. przyleganie (koherencja) folii z tworzywa sztucznego lub przywieranie pyłu na skutek przyciągania elektrostatycznego. Ponadto, w wyniku wyładowania istnieje możliwość powstania zagrożeń wpływających na funkcjonalność i prawidłową pracę urządzenia elektronicznego, stosowanego na przykład w technice medycznej. Również w odniesieniu do ochrony przed wybuchem, wyładowania elektrostatyczne są bardzo problematyczne. Podobnie, gromadzenie kurzu na częściach z tworzyw sztucznych na skutek ładunków elektrostatycznych stanowi problem w branży opakowań, gdyż niekorzystne wrażenia wizualne artykułu mogą mieć negatywny wpływ na decyzję klienta o zakupie.

W rozwiązanie tego problemu intensywnie zaangażowany jest również przemysł motoryzacyjny, ponieważ gromadzenie kurzu na częściach z tworzyw sztucznych wnętrza samochodów jest wysoce niepożądane. Na podstawie wyżej wymienionych niekorzystnych czynników, istnieje zapotrzebowanie na właściwości antystatyczne stosowanych tworzyw sztucznych.

Przewodnictwo tylko wtedy, gdy wilgotne

W celu sprostania tym wymaganiom, szereg substancji może być stosowany jako dodatki. Te tak zwane środki antystatyczne dzielą się na substancje powierzchniowo i objętościowo czynne. Środki antystatyczne powierzchniowo czynne swój efekt działania osiągają na drodze migracji na powierzchnię tworzywa, natomiast substancje objętościowo czynne tworzą sieć przewodzącą w matrycy z tworzywa sztucznego.

W przeszłości, migrujące środki antystatyczne były używane głównie z chęci osiągnięcia pożądanego efektu przy stosowaniu ich w stosunkowo niskich stężeniach. Cząsteczki wody gromadząc się na tych powierzchniowo czynnych substancjach, tworzą w ten sposób warstwę przewodzącą, co pozwala na rozprowadzanie i równomierne rozładowywanie ładunków elektrostatycznych na powierzchni. Jednakże, te systemy nie zapewniają trwałej ochrony przed nagromadzeniem ładunków elektrostatycznych. Często substancje czynne na powierzchni są wrażliwe na wpływ czynników środowiskowych, w którym stopniowo tracą swoje działanie. Co więcej, można je usunąć z powierzchni w sposób mechaniczny.

Ma to o tyle istotne znacznie że w wybranych aplikacjach, przykładowo dotyczących przewodów zasilających w środowiskach zagrożonych wybuchem, że koniecznym staje się stosowanie materiałów przewodzących. Tutaj, użycie migrujących środków antystatycznych staje się mocno problematyczne, ponieważ mogą one zostać usunięte w czasie transportu produktu, w wyniku czego przewody utracą swoje właściwości przewodzące.

Ze względu na ich mechanizmy działania, migrujące środki antystatyczne wymagają zapewnienia minimalnego poziomu wilgotności powietrza. Im wyższa wilgotność powietrza, tym lepsze jest ich działanie antystatyczne. Przy niższych poziomach wilgotności skuteczność tych systemów jest znacznie zmniejszona, co czyni je nieprzydatnymi do stosowania w środowisku suchym. Korzyści ze stosowania migrujących środków antystatycznych stanowią ich niska dawka i stosunkowo niska cena.

Ochrona przed gromadzeniem się ładunku

W zastosowaniach, w których wady i ograniczenia migrujących środków antystatycznych nie mogą być akceptowane, muszą być użyte systemy niemigracyjne, na które nie ma wpływu wilgotność powietrza i zapewniają stałą ochronę przed gromadzeniem się ładunku.

Grafit, sadza i proszki wybranych metali stanowią typowe niemigrujące materiały przewodzące, które mogą być stosowane jako środki antystatyczne objętościowo czynne. Możliwym do wykorzystania w tym charakterze są także nanorurki węglowe oraz grafen, chociaż ich stosowanie jest obecnie utrudnione, m.in. przez ich bardzo wysoki koszt.

Podczas gdy sadzę lub grafit można stosować tylko w przypadku czarnych elementów z tworzyw sztucznych, to stosowanie proszków metali często nie jest możliwe także ze względu na wyższą ścieralność i trudne warunki przetwarzania.

Inną kategorię materiałów przewodzących objętościowo czynnych stanowią polimery jonoprzewodzące[1], które są odpowiednie również do stosowania ich w barwionych gatunkach tworzyw sztucznych ze względu na swoje naturalne właściwości i brak wpływu na kolor. Obejmują one również polimery polieterowe, które tworzą sieć przewodzącą jony w matrycy z tworzywa sztucznego, zapewniając skuteczną drogę do rozproszenia ładunku elektrycznego. Materiały te są podstawą dla licznych odmian trwałych (tzw. permanentnych) środków antystatycznych na rynku, które reprezentują obecnie najnowocześniejszą technologię i znajdują skuteczne zastosowanie w wielu aplikacjach.

Jednak w porównaniu z migrującymi środkami antystatycznymi, ich wysoka cena i stosunkowo wysokie stężenie wymagane do zastosowania w danej aplikacji stanowią poważne wady, dlatego wielu użytkowników szuka tańszych alternatyw dla stosowanych tego typu systemów. W ten sposób, od niższej dawki zwykle wymaga się takich samych wyników.

Rozwój wnętrz samochodowych

W zależności odobszaru zastosowania materiałów antystatycznych, często pojawiają się dodatkowe wymagania wobec produktów, które muszą być brane pod uwagę przy nowych rozwiązaniach. Tworzywa sztuczne, które są stosowane we wnętrzach samochodowych muszą być zgodne z odpowiednimi normami motoryzacyjnymi, w których są zdefiniowane np. wytrzymałość mechaniczna, odporność na światło lub odporność na starzenie. Dlatego wpływ dodatków antystatycznych na podstawowe właściwości polimeru nie może być zbyt duży. Biorąc po uwagę te kryteria, konsekwencją jest bardzo rozległy profil wymagań dla środków antystatycznych, które nadają się do tworzyw sztucznych, znajdujących zastosowanie we wnętrzach samochodowych.

Dla oceny właściwości antystatycznych danego wyrobu, pomiar rozpraszania ładunków zgodnie z normą badań motoryzacyjnych PV 3977 ma bardzo duże znaczenie. W tym celu, element jest elektrostatycznie „naładowany”, a wynikająca z tego faktu oporność powierzchniowa jest rejestrowana w funkcji czasu. Im są bardziej skuteczne właściwości antystatyczne komponentu, tym szybciej będą rozproszone ładunki. Pomiar rezystancji powierzchniowej to skuteczny i prosty sposób oceny właściwości antystatycznych. Doświadczenie projektowe i współzależna wiedza w trakcie prowadzonych badań zgodnie z normą PV 3977 pokazują, że rezystancja powierzchniowa nie powinna być większa niż około 10¹¹ Ω, w celu przeciwdziałania gromadzeniu się kurzu z powodu ładunków elektrostatycznych.

W zależności od polimeru, który będzie przetwarzany, różne rodzaje własności antystatycznych mogą być brane pod uwagę, przy czym właściwości fizyczne, np. temperatura topnienia i lepkość stopu, jak również skład chemiczny produktu w stanie stopionym są decydujące dla określenia przydatności i wydajności danego polimeru. Do wnętrz samochodowych, głównie jest stosowany polipropylen (PP), jako że oferuje bardzo dobry stosunek cena /właściwości. Innym często stosowanym materiałem jest blenda (PC+ASA) - poliwęglan i terpolimer akrylonitryl-styren-akryloestr, która wykazuje wysoką odporność na uderzenia i tworzy twardą, odporną na zarysowanie powierzchnię.

We współpracy z głównymi niemieckimi producentami aut (OEM), Grupa Grafe, Blankenhain, Niemcy, pracuje obecnie nad nowymi rozwiązaniami w zakresie właściwości antystatycznych dla odpowiednich tworzyw sztucznych. W ten sposób, systemy migrujące, jak również niemigrujące z poprawionymi własnościami znajdują się w centrum prac rozwojowych.

Podczas prac badawczych i rozwojowych nadmigrującymi środkami antystatycznych, dąży się nie tylko do osiągnięcia jak najwyższej ich sprawności, ale również do zwiększenia okresu skuteczności (czasu działania i ochrony). Efektywność tej grupy środków antystatycznych jest określona przede wszystkim przez szybkość ich migracji, która z kolei zależy w dużym stopniu od licznych oddziaływań w matrycy polimerowej i innych dodatków. Różne systemy migrujące, które rozwijają swoje działanie w dłuższym okresie czasu, zostały opracowane dla różnych tworzyw docelowych, jako tak zwane „high performance antistatic” (HPAS). Systemy te nadają się do stosowania w poliolefinach, takich jak polietylen (PE) i polipropylen (PP).

We współpracy z dwoma głównymi niemieckimi producentami OEM, zostały przeprowadzone długoterminowe testy z elementami PP, które wykazały, że efekt antystatyczny jest nadal obecny i praktycznie bez zmian po okresie czterech do pięciu latach. Obecnie prototypy i wstępne serie komponentów wykonane z tego produktu są w trakcie ostatecznych testów. Pierwszych wyników można oczekiwać od dwóch producentów OEM w najbliższych latach, w połączeniu ze zmianami modeli i nowymi typami pojazdów.

Nowe produkty o lepszych właściwościach, z możliwością zastosowania niższych stężeń opracowano również w dziedzinie systemów stałych (nie migrujących). Dogłębne zrozumienie mechanizmów działania pozwala w wybranych układach materiałów na optymalne dopasowane do obszaru zastosowania i odpowiedniego polimeru docelowego. Rozwój trwale skutecznych środków antystatycznych doprowadził do powstania nowej serii produktów ASP („antistatic permanent”), a dwa nowo opracowane typy ASP do stosowania w PP są obecnie w fazie testów. Pierwsze badania pokazały, że interesujące wartości rezystancji gwarantujące ochronę przed działaniem kurzu można otrzymać już przy minimalnym poziomie dozowania około 6%. Podobnie, dwa nowe rozwiązania ASP dla osiągnięcia trwałego efektu antystatycznego dla blendy (PC+ ASA) są obecnie w trakcie badań. W porównaniu z dostępnymi w handlu produktami tego typu, te wykazują lepszą efektywność. Wymagane wartości rezystancji dla blendy PC/ASA uzyskuje się przy poziomie dozowania około 7%.

Z uwagi na możliwość degradacji tworzywa w trakcie procesu przetwórczego i zmiany jego charakterystyki, w coraz większym stopniu poszukiwane są odpowiednie rozwiązania, w których jednocześnie kolor oraz inne właściwości użytkowe tworzywa (np.: stabilność termiczna, odporność na działania światła  czy promieniowanie UV) można uzyskać przy pojedynczym dawkowaniu za pomocą tzw. „combibatchy” (multikoncentratów będących mieszanką dwóch lub więcej środków pomocniczych zamkniętych w postaci koncentratu, proces jednoetapowy).

W trakcie badań rozwojowych nad złożonymi produktami (kolor i funkcjonalność) firma Grafe wykorzystała wieloletnie doświadczenie w dziedzinie masterbatchy i tworzyw sztucznych wraz z know-how w dodatkach tworzyw sztucznych. Jednakże decydującą rolę w procesie tworzenia combibatchy odgrywają oddziaływania wszystkich składników finalnego produktu. Ze względu na możliwe do wystąpienia fizyko-chemiczne interakcje pomiędzy dodatkami i barwnikami, należy zachować szczególną ostrożność przy doborze właściwej kompozycji. W chwili obecnej testowane są dwa nowe produkty na aplikacjach z PP, które pozwalają na uzyskanie żądanej kolorystyki i jednocześnie trwałych właściwości antystatycznych komponentów. Wymagany poziom dozowania tych combibatchy wynosi około 9%.

Tego typu produkty i odpowiednie ich formulacje zostały opracowane i przetestowane także do użycia ich w blendach poliwęglanu takich jak (PC+ABS) i (PC+ASA). Poprzez dodanie 10% właściwego combibatcha, możliwe jest uzyskanie pożądanego efektu kolorystycznego, skuteczna ochrona przed promieniowaniem ultrafioletowym oraz osiągnięcie stałego efektu antystatycznego podczas formowania wtryskowego blendy (PC+ASA) w jednej operacji dozowania procesu przetwórczego.

Streszczenie

Zostały opracowane nowe środki antystatyczne o ulepszonych właściwościach w celu skutecznego przeciwdziałania osadzaniu się pyłu na częściach wnętrza samochodów wykonanych z tworzyw sztucznych, na skutek gromadzenia się ładunków elektrostatycznych. Zostały sprawdzone i ocenione odpowiednie produkty, oparte na różnych mechanizmach działania. Dalszy rozwój migracyjnych środków antystatycznych skierowany jest przede wszystkim na zwiększenie rzeczywistego czasu działania oraz na poprawę efektywności.

Firma Grafe wprowadziła nowy produkt dla poliolefin - wysokiej jak antystatyk (HPAS) - który zachowuje swoje właściwości antystatyczne dłużej niż cztery lata, o czym świadczą długoterminowe badania elementów z PP. Zostały opracowane i przetestowane nowe stałe środki antystatyczne do zastosowań dla PP i w blendach (PC+ASA). Produkty takie charakteryzują się wyjątkowo niskimi poziomami dozowania dodatków.

Ponadto połączenie produktów (barwnika i trwałego antystatyku), opracowane do stosowania przy przetwórstwie PP oraz PC/ASA jest osiągane w jednym etapie dozowania.

Autor

DrJan Stadermann, urodzony w 1976 roku, jest szefem projektów badawczo-rozwojowych w Grupie Grafe w Blankenhain, Niemcy;

O Firmie

Jako jeden z czołowych niemieckich producentów koncentratów do tworzyw nie tylko oferujemy koncentraty barwiące, środki pomocnicze i tworzywa przewodzące – tworzymy nową jakość o rodzinnych korzeniach. Nasze produkty znajdują swoich zadowolonych odbiorców w ponad 30 krajach świata. Naszym celem jest jakość, zorientowanie na Klienta i innowacyjność. Grupa GRAFE posiada jeden z największych działów badawczo-rozwojowych w branży, gdzie opracowywane są najnowsze technologie, a tworzywom nadawane inteligentne funkcje. Więcej na www.grafe.pl

Targi FAKUMA 2014

Firma GRAFE zaprasza na targi tworzyw sztucznych Fakuma w Friedrichshafen, na swoje stoisko B5-5306, Hala B5, które odbędą się w dniach 14-18 październik 2014.  Do zobaczenia.