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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 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. Neben einer durch
die elektrostatische Aufladung bedingten starken Verschmutzung nuß 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 Möglichkeiten
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.b. der Oberflächenwiderstand
wird stark herabgesetzt, 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 beschädigt bzw. abgewischt wird, geht die
antistatische Ausbrüstung verloren.
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2. Inkorporieren von Substanzen, die eine statische Aufladung der
Kunststoff-Formteile verhindern. Diese Inkorporierung hat gegenüber 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 ffberraschenderweise, da# die Verbindungen dabei in der Regel ihre Wirksamkeit
verlieren. Bei einigen ist das darauf zurückzüführen, daß sie sich bei den zum Teil
recht hohen Verarbeitungstemperaturen der Kunststoffe ganz oder teilweise zersetzen.
Aber auch Verbindungen, die bei diesen Tewperaturen 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 Imprägnierungsmitteln der Oberflächenwiderstand stark herabgesetzt
wird, wird aieser 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 anti
statische Ausrüstung darstellt. zum nachträglichen Aufbringen einer oberflächlichen
elektrostatischen Ausrüstung durch Imprägnierung ist eine Reihe von Substanzen vorgeschlagen
worden, z.B.
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1. Stickstoffhaltige Verbindungen, wie Amine und quaternäre Ammoniwisalze,
2.
Sulfonsäuren und Aryl-Altyl-Sulfonate, 3. Phosphorsäuren, Aryl-Alkyl-Phosphate,
Phosphorsäureesteramide, 4. Polymere rehrwertige Alkohole und deren Derivate.
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Als inkorporierbare Antistatika waren zunächst stark hygroskopische
anorganische Salze bekannt. Sie werden aber allgemein wegen der damit verbundenen
Korrosionsgefahr für die Verarbeitungsmaschinen nicht angewendet, In letzter Zeit
sind darüber hinaus weitere Verbindungen bekannt geworden, die nach Inkorporierung
hochmolekularen organischen Verbindungen einen antistatischen Effekt verleihen.
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Bekannt ist z.B. der Zusatz von substituierten Phosphorsäureamiden,
Harnstoffderivaten und Dithiocarbamaten. Derartige Verbindungen sind zum Teil nur
schwierig herzustellen, bzw. ihre Reinigung bedarf eines nicht unerheblichen Aufwandee.
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Es wurde nun gefunden, daß bei Verwendung von 0,1 bis 7 Gew.-% mindestens
eines substituierten Dicarbonsäureamids der allgemeinen Formel
wobei R1 = H, Alkyl, Alkenyl (mit 1 - 26 C-Atosen), Aryl, Arylalkyl, Alkylaryl,
Metallion, vorzugsweise NH4+, R2 = H oder CH3 R3 = Alkyl (mit 2 - 26 C-AtoNen),
R4 Alkylen oder Alkenylen, bedeuten als Zusatz zu organischen hochrolekularen Verbindungen
eine bedeutende Verbesserung der antistatischen Eigenschaften erzielt wird.
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Es hat sich gezeigt, daß schon geringe Mengen derartiger substituierter
Dicarbonsäureamide 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
Weise herstellen und reinigen.
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Die Konzentration der im Kunststoff inkorporierten substituierten
Dicarbonsäureamide 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: Malonsäure-N-methyl-stearylamid-äthYlester Bernsteinsäure-N-methylstearylamidbutylester
Glutarsäure-N-dodecylamid-äthylester Adipinsäure-N-methyldodecylamidrtearylester
Malonsäure-N-stearylamid-Zinksalz.
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Die mechanischen und thermischen EigenschafXen, die Wärmestabilität
sowie Farbe und Transparenz der Polymeren werden durch einen Zusatz der genannten
Substanzen praktisch nicht verändert. Die Verarbeitungsbedingungen und der Temperaturbereich,
in den 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 unbegrenzter Dauer.
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Ein Ausschwitzen wird nicht beobachtet. Auch wird die Oberfläche nicht
hygroskopisch, sondern bleibt unverändert.
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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 die Verbindungen, z.B. in Polystyrol und den Mischpolymerisaten des Styrols
mit Butadien, Acrylnitril und/oder Vinylcarbazol, in Polyvinylchlorid und Vinylchloridmischpolymerisaten,
Polyterephthalaten, Polyolefinen,wie den Polymeren und Copolymeren von Äthylen,
Propylen, Buten-(1), Penten-(1), 4-Methylpenten-(1), Hexen-(1), 5, 5-Dimethylhexen-(1),
Octadecenl(l), (1), 4-Phenylbuten-(1) sowie Vinylcyclohexen, Polycarbonate, Polyoxymethylenen,
Polyacrylnitril, Polyacrylsäureestern, Polymethacrylsäureestern, Polyacetaten, Polyvinylacetalen,
Polyamiden, Polyurethanen, Cellulosederivaten und Polymeren-Mischungen, die die
obigen Polymeren enthalten. Auch ungesättigte Polyester und basisch 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, Füllmittel'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 pulverförmige 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 usw. herstellen.
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Die mit den genannten Verbindungen versetzten Harze können als Lacke
bzw. Gießharze oder in Kombination mit Glasfasern oder/und 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 Belüftungsa ~ en, Plastikgeschirr,
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 einfachsten mittels Zigarettenasche bestimmen.
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 bestzt,soll die zum Test herangezogene Asche iicht
älter als 6 Stunden sein.
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Es 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 liefeat,
In der Tabelle 1 sind die Ergebnisse
der Untersuchung verzeichnet. Man nun erkennen, daß mit sämtlichen der angeführten
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
| 0 0 .<V OH |
| 2 Niederdruck- Malonsäure-N-methyl-- II II 3 |
| polyäthylen stearylamid-methylester OH3-O-O-OH2-O-N 2 |
| H |
| 18 37 |
| ci Malonsäure-N-methyl U OH3 |
| Co stearylamid-butylester C4H-O-C-CH2-C-N 1,5 |
| - I I I |
| cc |
| I Polystyrol Berns teins&ure-N-methyl OH |
| 0 stearylamid-äthylester O2H5-o--COH2)2--N 2 |
| - - - C18H37 |
| 5 gehärtetes Glutarsäure-N-dodecyl- OH |
| (CI X L: X 00 |
| rY CV 1,5 |
| I |
| Im I Y h rl I OH |
| zur 3 |
| A Srrl ho, 80 0 18H O-O-(cH2)4-cN |
| Arl ester 0 12H25 |
| 7 Polycarbonat Pimelinsäure-N-metyl ar d Q)rl kri 2 |
| ,s r% .El Bau d :9 |
| C18H37 |
| H |
| 8 Polypropylen Adipinsäure-N-stearyl- O-c- 1 |
| amid-phenole s ter (CH2)4C-N C18H37 |
| 9 fl Trt1tai1a5äuN thyl c2sOcQ(cH2)8cH=cHNCH3 1,5 |
| c\ |
| 0 CH |
| 10 ft Malonsäure-N-methyl- Oi' ii 3 2 |
| dz X I 1 |
| 0 12H252 |
| Q H |
| 11Coo xal:insäurePnostearYl HOOC-CH=CH-C-N 1,5 |
| Co Mc |
| CD 18H37 |
| Co |
| 0 I X OH |
| 12 1? Maleinsäure-mono-N-methy - II 3 |
| 3 HOOC-CH=CH-C-N\ C18H37 2 |
- keine Aschonnzichung + Ascheanziehung