浅析聚合物静电现象及其应用

浅析聚合物静电现象及其应用

杨红霞

杨红霞

（郑州大学材料科学与工程学院，河南郑州450001）

中图分类号：O441.1文献标识码：A文章编号：1673-0992（2011）07-209-01

摘要：简要介绍了聚合物产生静电的机理，并联系实际介绍了静电现象的危害与利用，提出了防止静电的几种途径，最后介绍了静电的研究近况，对未来作出了展望。

关键词：聚合物；静电现象；危害；利用

在日常生活中，我们知道塑料从金属模具中脱出来就会带电；合成纤维在纺织过程中也会带电；塑料，纤维和橡胶制品在使用过程中会产生静电；在干燥的天气，脱下合成纤维的衣服时，经常可以听到放电的响声，如果在暗处，还可以看到放电的辉光，这些都是大家所熟悉的静电现象。

所谓静电现象是指任何两种物质，互相接触或摩擦时，只要其内部结构中电荷载体的能量分布不同，在它们各自的表面就会发生电荷再分配，重新分配之后，每一种物质都带有比其接触或摩擦前过量的正（或负）电荷的现象。

一、聚合物静电产生机理

关于静电产生机理至今还没有定量的理论，一般认为是聚合物摩擦时，ε大的带正电，ε小的带负电。

一电子克服原子核的作用从材料表面逸出，所需要的最小能量称为逸出功或功函数。不同物质的功函数不同，两种金属接触时，它们之间的接触电位差与它们的功函数之差成正比，这种接触在界面上形成电场，在电场作用下，电子将从功函数小的一方向功函数大的一方转移，直到在接触界面处形成的双电层产生的反向电位差与接触电位差相抵消时，电荷转移才停止，结果功函数高的金属带负电，功函数低的金属带正电。

电介质与金属接触时，界面上也必然发生类似的电荷转移，根据上述原理可测出各种聚合物的功函数。

摩擦起电情况要复杂的多，轻微摩擦起电特征与接触起电比较接近，但剧烈摩擦时要根据摩擦起电序来确定，较靠近正端的聚合物带正电，较靠近负端的聚合物带负电，总的来说，聚合物的摩擦起电序与其功函数大小的顺序基本上是一致的。

高聚物的摩擦起电序如下：

二、聚合物静电的危害和利用

静电妨碍正常的加工工艺，尤其是合成纤维工业中特别突出，摩擦生电产生吸引或排斥力，使合成纤维在纺丝，牵伸，织布，打包等各道工序都发生困难；高聚物由于静电吸附灰尘或水气而影响材料的质量；涤纶制成的录音带由于涤纶片基放电产生噪音会影响录音质量；特别在易燃液体的输送管道，矿件用橡胶传送带与塑料导辊等，都可能因摩擦静电积聚而发生火花放电，导致燃料起火，矿井爆炸等重大事故。

静电另一方面人们又用它来为人类服务，利用氯纶的静电来治疗关节炎也是人们所熟知的，静电涂敷，静电印刷，静电分离和混合等，都是聚合物静电现象的合理利用，下面简单的介绍一下。

静电涂敷是依靠直流高压电形成的静电场的作用，使带有电荷的涂料微粒在电场力的作用下沉积在零件表面，以形成均匀的涂膜，因而静电涂敷是一种能显著提高涂抹质量的工艺方法，可使表面获得精装饰性地涂膜，已在机电和轻工等产品生产中广泛应用。

静电印刷现在得到广泛的使用，可以迅速方便地把图书，资料，文件复印下来。静电复印机的中心部件是一个可以旋转接地的铝质圆柱体，表面镀一层半导体硒，叫做硒鼓。半导体硒具有特殊的光电性质，没有光照时是很好的绝缘体，能保持电荷，受到光照时立即变成导体，将所带的电荷导走，复印每一页材料都要经过充电，曝光，显影，转印等几个步骤，这几个步骤是在硒鼓转动一周的过程中依次完成的。充电：由电源使硒鼓表面带上正电荷，曝光：利用光学系统将原稿上的字迹的像成在硒鼓上，硒鼓上字迹的像是在没有光照的地方保持着正电荷，其他地方受到了光线的照射，正电荷被导走，这样在硒鼓上留下了字迹的“静电潜像”，显影：带负电的墨粉被带正电的“静电潜像”吸引，并吸附在“静电潜像”上，显示墨粉组成的字迹，转印：带正电的转印电极使输纸机构送来的白纸带正电，带正电的白纸与硒鼓表面墨粉组成的字迹接触，将带负电的墨粉吸到白纸上，此后，吸附了墨粉的纸送入定影区，墨粉在高温下熔化，浸入之中形成牢固的字迹，硒鼓则经过清除表面残留的墨粉和电荷，准备复印下一页材料。

静电分选是利用各种塑料不同的静电性能来进行分选的方法。利用静电进行分选，对于多种混杂在一起的废旧塑料需经过多次分选，静电分选法特别适用于带极性的聚氯乙烯，分离纯度可达99%，物料经馈料系统均匀散布在接地转动电极光滑表面上，荷电的物料与接地转辊电极交换，两种不同静电性能的物料有差异，然后荷电的物料进入分选区，在静电力，重力，离心力等的合力作用下下落，完成两种不同电性材料的分离。

三、聚合物静电的防止

防止静电危害的发生可从抑制静电的产生和及时消除静电两方面来考虑。

绝缘体表面的静电可通过三条途径消失：（1）通过空气（雾气）消失；（2）沿着表面消失；（3）通过绝缘体内消失。

通过空气消除静电主要依靠空气中相反符号的带电粒子飞来与绝缘体表面的静电中和，或让带电粒子获得动能而飞散，利用尖端放电原理，制成高压电晕式静电消电器，已在化纤，薄膜，印刷等生产中应用，在不允许有火花出现的场合，也可采用辐照使气体电离的方法消除静电。

静电绝缘体表面消失的速度取决于绝缘体表面电阻率的大小。提高空气的湿度，可以在亲水性绝缘体表面形成连续的水膜，加上空气中的CO2和其他电离杂质的溶解，而大大提高表面导电性，进一步的方法是使用抗静电剂，即将抗静电剂加到聚合物材料中，或涂布在聚合物材料的表面上，以提高材料表面的导电性，使带电的聚合物材料迅速放电，以防止静电的积聚。在纤维纺丝工序中则采取“上油”的措施，给纤维表面涂上一层具有吸湿性的油剂，它吸收空气中的水分而增加导电性，在塑料中，抗静电剂常作为添加剂添加到塑料中，依靠抗静电剂扩散到塑料表面而起作用。

静电沿绝缘体体内泄漏的速速，主要取决于绝缘体的电阻率的大小。为提高聚合物的体积导电率，最方便的方法是添加炭黑，金属细粉或导电纤维，制成防静电橡皮或防静电塑料。

四、静电研究近况

在二十世纪初，静电学从实验和科学阶段走向实际应用阶段，但应用面较窄，仅在静电除尘方面有些应用，到1923年DetroitEdison公司安装了第一台静电除尘器，从此，静电除尘，静电喷漆，静电分离，静电印刷等取得了一定的地位。在二十世纪中期，随着工业生产的高速发展以及高分子材料的迅速推广应用，一方面，一些电阻率很高的高分子材料如塑料，橡胶等制品的广泛应用以及现代生产过程的高速化，使得静电能积累到很高的程度，另一方面，静电敏感材料的生产和使用，如轻质油品，火药，固态电子器件等。从80年代以来，我国的静电研究发展极为迅速，1988年，1990年和1993年在北京1997年在上海分别举行了多次国际性的静电学术会议，静电研究和应用的范围也越来越广泛。

结语：人们日常生活中认识了聚合物静电现象的规律之后，不只是消极地防止静电危害的发生，而且可以更科学合理地利用它来为人类服务。

参考文献：

[1]何曼君张红东陈维孝董西侠高分子物理[M]复旦大学出版社

[2]殷敬华莫志深现代高分子物理学[M]科学出版社2001年

[3]王纪龙周希坚大学物理[M]科学出版社

作者简介：杨红霞，女，郑州大学，材料科学与工程学院2008级，包装工程专业。