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Verfahren zur antistatischen Ausrüstung hochmolekularer Verbindungen
Es ist bekannt, daß hochmolekulare Stoffe den Nachteil haben, sich elektrostatisch
aufzuladen. Durch die elektrostatische Aufladung neigen daraus oder damit hergestellte
Gegenstände zur verstärkten Staubanziehung. Das äußert sich an den Oberflächen von
Kunststoffgegenständen, z.B. durch Auftreten der bekannten Flecken, Krähenfüße,
Zickzackmuster usw., bei Fasern und Geweben z. B. durch ihre schnellere Verschmutzung.
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Neben einer durch die elektrostatische Aufladung bedingten starken
Verschmutzung muß weiterhin das Auftreten einer unter Umständen sehr großen Potentialdifferenz
in Betracht gezogen werden, die zur Funkenbildung führen kann. Durch die elektrostatische
Aufladung kann der Einsatz hochmolekularer Stoffe, beispielsweise Kunststoffe, für
viele Anwendungsgebiete in Frage gestellt sein.
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Abgesehen vom Konditionieren, sind zwei prinzipielle Möglich keiten
zur Verhinderung oder Verminderung der elektrostatischen Aufladung bekannt: 1. Nachträgliches
Aufbringen einer Ausrüstung durch Imprägnierung mit Lösungen oder Dispersionen von
antistatisch wirksamen, oft etwas hygroskopischen Verbindungen. Dabei werden die
Kunststoff-Formkörper an der Oberfläche leitend gemacht, d.h. der Oberflächenwiderstand
wird stark herabgeseizt, so daß auf die Oberfläche aufgebrachte elektrische Ladungen
abfließen können. Der Nachteil dieser Art von antistatischen Ausrüstungen ist leicht
zu erkennen. Wenn die leitende Schicht beschä<ligt bzw. abgewischt wird, geht
die anti statische Ausriistung verloren.
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2. Inkorporieren von Substanzen, die eine statische Aufladung der
Kunststoff-Formteile verhindern. Diese Inkorporierung hat gegegenüber einer Imprägnierung
wesentliche Vorteile. Die antistatische Ausrüstung ist nicht an die Oberfläche gebunden
und kann nicht mechanisch abgewischt, abgekratzt oder abgelöst werden. Bei Versuchen,
die von der Imprägnierung bekannten Antistatika in Kunststoffe zu inkorporieren,
zeigte sich überraschenderweise, daß die Verbindungen dabei in der Regel ihre Wirksamkeit
verlieren. Bei einigen ist das darauf zurückzuführen, daß sie sich bei den zum Teil
recht hohen Verarbeitungstemperaturen der Kunststoffe ganz oder teilweise zersetzen.
Aber auch Verbindungen, die bei diesen Temperaturen stabil sind, zeigen nach Inkorporierung
keine antistatische Wirksamkeit. Offensichtlich besteht ein grundsätzlicher Unterschied
zwischen den Reaktionsmechanismen der antistatischen Ausrüstung durch Inkorporieren
und Imprägnieren.
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Dies läßt sich auch meßtechnisch nachweisen. Während durch die antistatische
Ausrüstung mit Imprägnierungsmittel der Oberflächenwiderstand stark herabgesetzt
wird, wird dieser auch bei sehr guten inkorporierten Antistatika praktisch nicht
beeinflußt. Das Abfließen der elektrischen Aufladung kann also hier nicht auf der
Oberfläche stattfinden. Stattdessen tritt meistens eine geringe Änderung des Durchgangswiderstandes
auf. Es hat sich gezeigt, daß auch diese Meßmethode keineswegs ein Maß für die antistatische
Ausrüstung darstellt.
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Zum nachträglichen Aufbringen einer oberflächlichen antistatischen
Ausrüstung durch Imprägnierung ist eine Reihe von Substanzen vorgeschlagen worden,
z. B.
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1. Stickstoffhaltige Verbindungen, wie Amine und (luaternäre Ammoniumsalze;
2. Sulfonsäuren und Aryl-Alkyl-Sulfonate;
3. Phosphorsäuren, Aryl-Alkyl-Phosphate,
Phosphorsäureesteramide; 4. Polymere mehrwertige Alkohole und deren Derivate.
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Als inkorporierbare Antistatika waren zunächst stark llygrosko pische
anorganische Salze bekannt. Sie werden aber allgemein wegen der damit verbundenen
Korrosionsgefahr fiir die Verarbeitungsmaschinen nicht angewendet.
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In letzter Zeit sind darüber hinaus weitere Verbindungen bekannt geworden,
die nach lnkorporierung hochmolekularen organischen Verbindungen einen antistatischen
Effekt verleihen.
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Bekannt ist z.B. der Zusatz von substituierten Phosphorsäureamiden,
liarnstoffderivaten und Dithiocarbamatcn. I)erartige Verbindungen sind zum Teil
nur schwierig herzustellen, bzw. ihre Reinigung bedarf eines nicht unerheblichen
Aufwandes.
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Es wurde nun ein Verfahren zur antistatischen Ausrüstung organischer
hochmolekularer Verbindungeii gefunden, nach dem man in die hochmolekularen Verbindungen
substituierte Säureamide der allgemeinen Formel
einarbeitet, wobei einen Aryl, Arylalkyl oder Alkylarylrest, dessen aromatische
Kerne einfacii oder mehrfach durch - Halogen -Oxygruppen oder -Alkoxyreste
wobei R4 = H oder Alkyl sein kann,
-COOR4,-COOMe (Me = Metallion),
wobei R5 = Alkyl oder Aryl sein kann, substituiert sein können, R2 = -H oder CH3,
fl = Alkyl mit 2 - 26 C-Atomen, vorzugsweise 12 - 26 C-Atomen 3 und die Reste R3,
R4 und R5 auch Oxygruppen oder Alkoxygruppen enthalten können, bedeutet.
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Es hat sich gezeigt, daß schon geringe Mengen derartiger substituierter
Aryl- bzw. Arylalkylsäureamide nach ihrer Inkorporierung hochmolekularen organischen
Verbindungen einen ausgezeichneten antistatischen Effekt verleihen, so daß aus solchen
Mischungen hergestellte Gegenstände sich nicht mehr oberflächlich aufladen und keine
Neigung zur Staubanziehung mehr zeigen. Verbindungen dieser Art lassen sich in einfacher
Art herstellEn und reinigen.
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Die Konzentration der im Kunststoff inkorporierten substituierten
Aryl- bzw. Arylalkylsäureamide kann vorteilhafterweise 0,1 bis 7 Gew.-%, vorzugsweise
0,5 bis 4 Gew.-%, betragen.
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Weiterhin ist es von Vorteil, in die hochmolekularen Verbindungen
auch Gemische von 2 oder mehreren der antistatisch wirksamen Substanzen zu inkorporieren.
Eine Steigerung der antistatischen Wirksamkeit durch synergistische Effekte ist
dabei möglich.
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Als geeignete antistatisch wirksame Substanzen sind z.B. folgende
Verbindungen zu nennen, ohne daß das Verfahren auf diese Verbindungen beschränkt
ist: Benzoesäure-N-methylstearylamid o-Toluylsäure-N-methyldodecylamid p-Chlorbenzoesäure-N-stearylamid
Salizylsäure-N-methyls tearylamid
m-Acetoxybenzoesäure-N-methyldodecylamid
Gallussäure-N-methylstearylamld p-Aminobenzoesäure-N-stearylsmid Phenylbuttersäure-N-dodecylamid
o-Phenyldiessigsäure-N-methylstearylamid-äthylester Diphensäure-N-methyldodecylamid-Zn-salz.
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Die mechanischen und thermischen Eigenschaften, die Wärmestabilität
sowie Farbe und Transparenz der Polymeren werden durch einen Zusatz der genannten
Substanzen praktisch nicht verändert. Die Verarbeitungsbedingungen und der Temperaturbereich,
in dem sich die Kunststoffe thermoplastisch verformen lassen, bleiben unverändert.
Es ist lediglich darauf zu achten, daß die verwendeten Antistatika hinsichtlich
ihrer Thermostabilität entsprechend den für die Verarbeitung des jeweiligen Kunststoffes
notwendigen Temperaturen ausgewählt werden.
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Weiterhin sind die Produkte mit allen Polymeren gut verträglich.
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Der erzielbare antistatische Effekt ist von der Feuchtigkeit der Umgebung
unabhängig und von praktisch unbegrenzbarer Dauer. Ein Ausschwitzen wird nicht beobachtet.
Auch wird die Oberfläche nicht hygroskopisch, sondern bleibt unverändert. Durch
einen Zusatz von Substanzen der angegebenen Klasse lassen sich alle hochmolekularen
Stoffe vergüten, die infolge ihrer elektrostatischen Aufladung zur Verschmutzung
durch Anziehen von Staub neigen. Eine besonders gute Wirksamkeit zeigen diese Verbindungen,
z.B. in Polystyrol und den Mischpolymerisaten des Styrols mit Butadien, Acrylnitril
und/oder Vinylcarbazol, in Polyvinylchlorid und Vinylchloridmischpolymerisaten,
Polyterephthalaten, Polydbfinen, wie den Polymeren und Copolymeren von Äthylen,
Propylen, Buten-(1), Penten-(l), 4-Methylpenten-(l), Hexen-(1), 5,5-Dimethylhexen-(1),
Octadecen-(1), 4-Phenylbuten-(1) sowie Vinylcyclohexen, Polycarbonaten, Polyoxymethylenen,
Polyacrylnitril, Polyacrylsäureestern, Polymethacrylsäureestern, Polyacetaten, Polyvinylacetalen,
Polyamiden, Polyurethanen, Cellulosederivaten und Polymeren-Mischungen, die die
obigen Polymeren enthalten. Auch ungesättigte Polyester und bawisch
gehärtete
Epoxydharze sowie Lackrohstoffe lassen sich vor oder während ihrer Verarbeitung
durch einen Zusatz der genannten Antistatika ohne Schwierigkeiten antistatisch ausrüsten.
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Die hochmolekularen Stoffe können noch übliche Zusätze, wie z.B.
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Stabilisatoren, Füllstoffe oder Farbstoffe, enthalten.
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Die erfindungsgemäßen Verbindungen können vor oder während der Polymerisation,
wie auch später den pulverförmigen Hochpolymeren als auch dem Granulat zugesetzt
werden. Je nach der Natur der Kunststoffe kann das Einmischen in der Schmelze, in
der Lösung oder durch Aufziehen auf das pulverfrmige oder granulierte Hochpolymere
erfolgen. Es wird am besten vor oder während der Verarbeitung durchgeführt. Es hat
sich gezeigt, daß die Art der Einarbeitung nicht sehr wesentlich ist. Dagegen ist
es wichtig, daß die als Antistatika wirkenden Substanzen möglichst gut im Kunststoff
verteilt sind.
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Die mit den beschriebenen Verbindungen antistatisch ausgerüsteten
Hochpolymeren lassen sich nach allen üblichen Verarbeitungsmethoden, z,B. auf Pressen,
Spritzgußmaschinen oder Extrudern, verarbeiten. Es lassen sich demgemäß daraus Preß-
bzw. Spritzgußkörper, Halbzeug, Folien, geblasene Hohlkörper, Rohre, Fasern, Fäden,
Monofilamente nsw. herstellen. Die mit den genannten Verbindungen versetzten Harze
können als Lack- bzw. Gießharze oder in Kombination mit Glasfasern und/oder Füllstoffen
auf die übliche Weise verarbeitet werden. Die auf diese Weise ausgerüsteten Hochpolymeren
sind besonders interessant für Verpackungszwecke (Emballagen, Kanister, Flaschen,
Becher), Staubsaugerzubehör, Förderbänder, Ausstellungsstücke und Modelle, Gehäuseteile
(z.B. für Rundfunk- und Fernsehgeräte, Staubsauger) elektrische Anlagen, wie Beleuchtungskörper,
Kabelisolationen, Stecker, Schalter oder Armaturen, Klima- und Belüftungsanalgen,
Plastilgeschirr, Küchenmaschinen, Fäden, Fasern, Gewebe, Folien,Lacke, d.h. überall
dort, wo auf die antistatische Ausrüstung Wert gelegt. wird.
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Die antistatische Wirkung von anorganischen bzw. organischen Substanzen
in hochmolekularen Stoffen läßt sich am binfachsten mittels Zigarettenasche bestii-n.
Zur Prüfung werden Spritzguß-, Extruder- oder Preßplatten mit einem Wolltuch kräftig
ca. 15 sec. gerieben und etwa 2 mm über eine Schicht von Zigarettenasche gehalten.
Bei guter antistatischer Ausrüstung der Kunststoffplatten wird keine Zigarettenasche
angezogen. Da Zigarettenasche etwas hygroskopisch ist und feuchte Zigarettenasche
andere elektrische Eigenschaften besitzt, soll die zum Test herangezogene Asche
nicht älter als 6 Stunden amin.
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Fs ist noch eine Reihe weiterer Methoden zur Bestimmung der elektrostatischen
Aufladung bekannt, es wurde aber gefunden, daß praktisch nur die aufgeführte Prüfmethode
echte, praxisnahe Werte liefert.
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In der Tabelle 1 sind die Ergebnisse der Untersuchung verzeichnet.
Man kann erkennen, daß mit sämtlichen der angefiihrten Substanzen ein ausgezeichneter
antistatischer Effekt erzielt wurde.
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Beispiele: Die in Tabelle 1 angeführten, antistatisch wirksamen Verbindungen,
die der in der Beschreibung erläuterten Summenformel entsprechen, wurden in verschiedene
hochpolymere Stoffe eingearbeitet.
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Tabelle 1
| Bei- Verwendeter Beaeichnun< Foriel Z'asati Asoheteat |
| spiel xun.t.tfr nach 1 iind 21 Taaen |
| Nr. |
| 1 Niederdruck- Bensoeeäure-N- 0, CM3 1 - |
| polyäthylen ethylstearylaaid C - N |
| 1BM37 |
| 2 Poypropylen1 c-Toluylsäure-N- 0 CM |
| ? r - N 3 1,5 - |
| n CM3 C12N25 |
| 3 : Polystyrol p-Chlorben.oesäure- 0 |
| Co N-stearylaiid C - N 2 - |
| CM |
| 1837 |
| 4 Polystyrol ßalisyleäure-N- 1 r, 1,5 |
| 0 ethylstearylaiid C - |
| 0 C18H37 |
| Polya.id tU 6 D +O I Ut -CO-CM3 CM |
| CI 0 - x 2 - |
| 0 8 |
| 6 Polyesterhari o-Nitrobenie.äure- 02 |
| ka N-stearylaid 1,5 - |
| C-N |
| 6 k JO 0 0C18H - |
| 7 Polycarbonat 51 oylanid CM3-C-C - Ii-r 2 - |
| 0 CH |
| 8 Hochdruck- Ga11usaure--methyl NO - N 3 |
| I aterrymtd OH I 1837 |
| cH |
| 9 Po1ypropy1n P:m}flbittimi H2N-CO - N 1 |
| OH |
| 12 2 |
| 0 |
| P.nyie.ntsäure- 2 - N |
| 10 N-m.thy1steayamtd OH - |
| 018N37 |
| 0 |
| 11 hStYarlUyUimt!dSUS H2-CH2-cH2-C-N 2 |
| 0 Zuu |
| - 0 0 =0 C7 OH1 |
| n |
| N |
| 12 o-Phonylteastnure- H2 - 0 3= |
| o ,u 1 u 0 H5 |
| Itthyle.t.r I 2 |
| w 0 |
| 0 |
| 11 hthlsflr.-N-stearyl- - 0 C2H5 |
| mid-flthylot.r |
| - -cn-) H |
| 0 H |
| O rli |
| 0 |
| 1k Diphensaures-N-methyl- 0 |
| o 3 oa e 3 |
| - a Sr k O r+ Sr II k 8 OH3 |
| 0 C1H17 2 |
(- keine Ascheanziehung)