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Beschreibung zur Patentanmeldung Antielektrostatische Mittel" Die
Erfindung betrifft antielektrostatische Mittel, insbesondere Mittel in Porm üblicher
Zubereitungen mit einem Gehalt an antistatischen Wirkstoffen zur Nachbehandlung
von Fertigerzeugnissen aus Kunststoff zwecks Verhdtung unerwünschter elektrischer
Aufladungen.
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Die zunehmende Verwendung von Kunststoffen im Haushalta-,Gewerbe-und
Industriebereich bringt in vielen Fällen dadurch Probleme mit sich, daß diese Materialien
als starke Dielektrika die Tendenz zeigen, sich durch Reibung elektrostatisch auf
zuladen. Eine neuere Zusammenfassung der Verhältnisse mit Literaturübersicht findet
sich in einem Aufsatz von Wegener und Topf; Elektrostatische Aufladung von textilen
Fußbodenbelägen, ihre Messung und Beseitigung (Chemiefasern, 20, S. 300, 1970).
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Die Kunststoffmaterialien sind Reibungen sehr oft ausgesetzt; dies
beginnt schon bei ihrer Herstellung, wo sie durch die Verarbeitungsmaschinen laufen,
dann bei der Verpackung, beim Transport und schließlich bei ihrem Gebrauch. Die
Höhe der jeweiligen elektrostatischen Aufladung hängt einmal vom dielektrischen
Charakter einerseits, sowie vom spezifischen Widerstand und Oberflächenwiderstand
andererseits, des betreffenden Materiales selbst ab, dann von dem reibenden Gegenstand
und schließlich von der relativen Buftfeuchtigkeit. Bei hoher relativer Luftfeuchtigkeit
bildet sich an der Oberfläche der meisten Kunststoffe ein Wasserfilm aus, durch
den die fast immer vorhandenen ionogenen Verbindungen unter
Herabsetzung
des Oberflachenwiderstandes des Kunststoffgegenstandes mobilisiert werden; der Wasserfilm,und
insbesondere der ionenhaltige Wasserfilm> sind dann in der Lage, aufkommende
Reibungselektrizität abzuleiten bzw. erst gar nicht entstehen zu lassen. An Tagen
mittlerer und insbesondere an Tagen geringer Luftfeuchtigkeit ergeben sich jedoch
die Probleme der elektrostatischen Aufladung mit ftir die Praxis unerwtnschter Dringlichkeit.
Besonders stark machen sich die elektrostatischen Aufladungen dann bemerkbar, wenn
die relative Luftfeuchtigkeit der Außenluft bereits gering ist und die Luft dann
in beheizten Räumen erwärmt wird. Der absolute Feuchtigkeitegehalt der luft bleibt
dabei konstant, so daß die relative Luftfeuchtigkeit weiter stark herabgesetzt ist;
Störungen durch elektrostatische Aufladungen werden deshalb besonders häufig bei
trockenem Winterwetter beobachtet.
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Die Entstehung der statischen Elektrizität selbst ist fUr den Verbraucher
meist überhaupt nicht bemerkbar. Er erhält oft Gegenstände, die durch die Verarbeitung
oder den Transport bereits elektrostatisch aufgeladen sind oder er läd sie bei Benutzung
selbst auf ohne dies unmittelbar zu bemerken. Besonders häufig geschieht dies beim
Begehen von Fußböden aus Plastikmaterialien, z.B. aus Polyvinylchlorid oder Polyäthylen,
noch häufiger beim Begehen von textilen Bußbodenbelägen aus synthetischem Basermaterial,
z.B. au Polyester-, Polyamid-, Polypropylen-Basise Die Reibungsvorgänge kummulieren
sich besonders beim Begehen von Materialien von fasriger Struktur, da hier nicht
nur die Oberfläche gerieben wird, sondern auch Reibungsvorgänge innerhalb des Pasergewirres
stattfinden.
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So wurde experimentell festgestellt, daß bereits nach vierzigmaligem
Reiben mit einem Gummiabsatz bei Auslegewaren aus Nadelfilz oder Velours elektrostatische
Ladungen von etwa 5 oo V entstehen; da in der Praxis oft wesentlich höhere Begehungszahlen
zustandekommen,
bilden sich auch wesentlich höhere Ladungen aus Eine den betreffenden Teppich begehende
Person ist deshalb bereits nach kurzer Zeit im umgekehrten elektrischen Sinne elektrostatisch
aufgeladen; beim Berühren eines geerdeten oder spannungsaufnehmenden Gegenatandes
aus Metall gibt sie diese Ladung schlagartig ab: sie erhält einen sog. elektrischen"Schlag".
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Die Belästigung der in einem mit textilen Böden belegten Raum tätigen
Personen, z.B. in einem BUro, kann soweit gehen, daß sich niemand mehr traut, eine
Türklinke oder eine Schreibmaschine zu berUhren, da er regelmäßig einem nSchlag"
ausgesetzt ist.
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Elektrostatische AuSladungtist aber nicht nur auf Fußböden textiler
oder glatter Art beschränkt, sie ist auch beim Tragen von Kleidungestucken aus synthetischen
Pasermaterialien, beim Benutzen von Autositzen u* dergl. bekannt.
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Störend ist nicht nur die Belästigung von Personen, sondern auch zBo
das Unansehnlichwerden von Gegenständen aus Kunststoffmaterialien, die etwa in Folge
von elektrostatischer Aufladung in starkem Maße Staub- und Schmuanziehen und ihn
besonders stark fixieren. Kunststoffgegenstände können als Folge elektrostatischer
Effekte bereits nach kurzer Zeit alt und verschmutzt aussehen. Elektrostatische
Aufladungen bei Maschinen und Geräten aus Kunststoffen können beim Entladungsvorgang
Anlaß zur Funkenbildung geben und stellen damit eine latente Explosionsgefahr dar,
Alle diese Erscheinungen sind im Bereich der Technik und des Haushaltes nicht unbekannt;
es wird auf sehr verschiedenen Wegen versucht, ihnen zu begegnen.
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Die kunststofferzeugende Industrie selbst versucht, ihren Kunststoffmaterialien
Zusätze zu geben bzw. die verwendeten Polymeren so zu modifizieren, daB ein mehr
oder minder polarer Charakter, insbesondere der Oberfläche, erreicht wird. Ähnliches
gilt fUr
die fasererzeugende Industrie.
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Diese "permanentew antielektrostatische Ausrüstung hat zweifellos
immer da Abhilfe gebracht, wo sie überhaupt angewandt werden konnte; es kann Jedoch
keinesfalls behauptet werden, daß das Problem der elektrostatischen Aufladung bei
Materialien aus Kunststoffen damit gelöst sei. Die tägliche Praxis zeigt, daß es
immer noch zahllose Pälle gibt, bei denen elektrostatische Aufladungen stören oder
die Schbnheit bzw. die Sicherheit bee influs sen.
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Dies hat dazu geftihrt, nach Mitteln su suchen, mit denen die Kunststoffoberflächen
nachträglich behandelt werden können, um die elektrostatische Aufladung über einen
gewissen Zeitraum hinweg zu beseitigen bzw. am Entstehen zu hindern. Die nachträglich
anzuwendenden antieiektrostatischen Mittel werden zwar bei der benutzung der Kunststoffgegenstände
allmählich wieder abgetragen, sie haben Jedoch den Vorteil, Je nach Bedarf angewandt
werden zu können und dadurch dem Verbraucher ismer wieder den gewUnschten Schutz
und die notwendige Sicherheit zu geben. Es hat deshalb nicht an Versuchen gefehlt,
derartige Mittel zu schaffen.
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So wurde festgestellt, daß bereits alle die Mittel ton Nutzen aind,
die an den betreffenden Oberflächen haften und dort einen schwachen, aber permanenten
Peuchtigkeitsfil erzeugen. Xan kann z.B. lit höhersiedenden Glykolen oder überhaupt
iit waBohaktiven Substanzen, die an den Oberflächen haften, eine gewisse antistatische
Wirkung erzielen. Sie hängt von der Art ab, wie diese Verbindungen an den Oberflächen
verbleiben und wie stark ihr Wasserbindundevermögen ist. Nit anderen Worten, ob
sie Feuchtigkeit
auch dann in der Lage sind zurückzuhalten, wenn bei relativ geringer Luftfeuchtigkeit
eine Tendenz tur abgabe von Feuchtigkeit von den betreffenden Materialien gegeben
ist.
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Günstiger als die eben genannten Verbindungen verhalten sich alle
diejenigen polaren Verbindungen, die auf Grund ihres substantiven Charakters eine
besondere Tendenz aufweiaen, auf Oberflächen aufzuziehen; d.h. kationenaktive und
quaternäre Substanzen gegen die gunstigsten antielektrostatischen Wirkungen. Die
heute bekannten Nachbehandlungsmittel ftir Kunststoffe enthalten in der Regel derartige
Substanzen.
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Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt iet je doch zu beachten.
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Überall dort, wo die antielektrostatisch wirkenden Substanzen auf
Kunststoffgegenständen angewandt werden sollen, mit denen Menschen direkt in Berührung
kommen, dürfen diese Substansen keine toxischen Wirkungen haben. Unter dieser Voraussetzung
reduziert sich die Anzahl der in der Praxis verwendbaren Substanzen im Verhältnis
zu denen, die eine substantive Wirkung überhaupt entfalten, erheblich.
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Besonders unter den quaternären Substanzen wurde Jedoch eine Reihe
von Verbindungen gefunden, die innerhalb gewisser Konzentrationsbereiche ohne Bedenken
angewandt werden können.
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Physiologisch völlig unerheblich sind derartige Substanzen in der
Regel jedoch nicht; es muß deshalb immer darauf geachtet werden, daß sie nur innerhalb
der vorgeschriebenen Konzentrationsbereiohe zur Anwendung kommen.
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Dies ist bei Anwendung auf glatten Unterlagen in der Regel möglich;
bei der Anwendung auf sehr oberflächenreichen und kompliziert atrukturierten Gebilden,
wie sie Materialien darstellen, die aus vielen einzelnen Pasdrn und Fäden zusammengesetzt
sind, kann eine evtl. Anreicherung jedoch nur schwer Ubersehen werden. Substanzanreicherungen
in den tieferen bereichen einer Textilgewebes lassen sich nur selten mit Sicherheit
ausschließen.
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Es gibt jedoch ein weiteres Problem bei der Anwendung antielektrostatisch
wirksamer Substanzen. Alle derartigen Produkte
sollen die zu behandelnden
Oberflächen mit einer Art Film Uberziehen oder wenigstens in so großer Anzahl vorhanden
sein, daß an jedem Oberflächenelement im Falle der Reibungsbeanspruchung die gewünschte
Wirkung erzielt wird. Es tritt also auf Jeden Fall eine Veränderung der Oberflächenbeschaffenheit
ein.-Diese Veränderung wirkt sich in vielen Fällen dadurch negativ aus, daß die
behandelten Oberflächen eine größere Tendenz zeigen, neuen Schmutz auf zunehmen.
Einmal kann dies dadurch hervorgerufen werden, daß die Substanzen selber klebrig
sind, zum anderen dadurch, daß sie einen WasRerfils anziehen und dadurch schmutzanklebend
wirken Diese Erscheinung kann in der Praxis .o stark und so unangenehm werden, daß
die Anwendung der antielektrostatisch wirkenden Substanzen unterbleibt, weil die
mit ihrer Anwendung verbundenen Nachteile vermieden werden sollen. Kritischer noch
als bei KleidungestUcken, die gewaschen oder wenigstensohne größere Schwierigkeiten
gereinigt werden können, ist dies bei festverlegten textilen BodenbelEgen, Wandbespannungen
und dergl. Die Re ini gungavorgänge derartiger Textilien sind nach wie vor nicht
ganz ohne Probleme; man versucht deshalb, die Reinigungsintervalle möglichst auszudehnen
und alles zu vermeiden, was zu einer schnelleren Wiederanechmutzung fUhren könnte.
In vielen Fällen wird deshalb auch auf eine antielektrostatische Behandlung dies
Textilmaterialien verzichtet.
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Man begnugt sich dann oft mit der antistatischen Wirkung von Reinigungsmitteln,
welche besonders bei solchen Reinigungsmitteln auf Basis von Seifen, d.h. also likalisalzen
der höheren Bettsäuren bekannt ist. Allerdings läßt die Reinigungswirkung solchor
Mittel gegenüber den synthetischen Waschaktivstoffen (WAS) zu wünschen übrig und
die antielektrostatische Wirkung ist unzureichend. Man hat auch bereits vorgeschlagen,
di8.
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bei den höheren Fettsäuren und Fettalkoholen mit einem Gehalt an mindestens
zwei Doppelbindungen aufgefundene'gegenüber den gesättigten Fettsäuren erhöhte'
antistatisohe Wirkung auszunutzen
(französische Patentschrift 1
133 594). Vorgeschlagen wurde z.B. die Verwendung der Ammoniaksalze der Linolsäure
oder Linolensäure. Derartige Verbindungen sind jedoch noch seifenähnlich und bringen
im Anschmutz- und Bbsorptionsverhalt en nichts wesentlich anderes als seifenhaltige
Reinigungsmittel.
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Die Oxydationsempfindlichkeit derungesättigten Säuren und demgesäß
geringe ilaltbarkeit der daraus hergestellten Mittel kommt noch hinzu.
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Der Erfindung liegt demgemäß die rufgabe zugrunde, antielektrostatisch
wirksame Stoffe mit besonders guter Wirksamkeit aufzufinden, deren Verhalten hinsichtlich
BSeinflussung des Wiederanschmutzens, des homogenen Auf tragens und Haftens an Kunßtstoffoberflächen
usw. eine Direktverwendung sowie eine Mitverwendung in Reinigungs- und Pflegemitteln
verschiedener Art möglich macht; dabei sollten die antielektrostatischen Wirkstoffe
auch in höheren Konzentrationen keine physiologisch bedenkliche Toxizität aufweisein.
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Es konnte gefunden werden, daß sich antielektrostatische Mittel mit
den gewünschten Eigenschaften herstellen lassen, wenn sie als Wirkstoff A'ioniu,
Alkali- oder Erdalkalisalze kurzkettiger Carbonsäuren mit einer verzweigt- oder
geradkettigen Kohlenstoffkette aus zwei bis acht Kohlenstoffatomen, die auch OH-Gruppen
tragen können, enthalten.
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Es hat sich gezeigt, daß überraschenderweise mit dieser Gruppe von
Substanzen die gewünschte antielektrostatische Wirkung sich bestens erzielen läßt,
und zwar unter Vermeidung praktisch aller Nachteile, die bisher mit derartigen Behandlungen
verbunden waren.
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Die Wiederanschmutzungstendenz der mit diesen Substanzen behandelten
Textilmaterialien - aber auch anders Kunststoff-Oberflächen - wird durch Anwendung
der Substanzen praktisch nicht verändert; die Substanzen sind physiologisch völlig
unbedenklich, was sich schon daraus ergibt, daß sie in :Vielen Pällen Futtermitteln
zugesetzt
werden dürfen und in manchen Ländern auch für die Behandlung
von Nahrungsmitteln, zße Getreide und Mehl, zugelassen sind. Sollten diese Substanzen
vom Organismus aufgenommen werden, so würden sie wie andere Nahrungsmittel abgebaut
und vom Organismus ohne nachteilige Wirkungen serwertet. Von den Salzen der Essigsäure,
Propionsäure, Buttersäure oder auch Kapronsäure und dergl., aber auch bei den OH-gruppenhaltigen
Säuren,wie z*B. Zitronensäure, ist dies allgemein bekannt.
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In alkalischem Milieu, wie es innerhalb des Organismus gegeben ist,
bilden sich daraus die entsprechenden Alkalisalze.
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Die meisten Salze sind zwar mehr oder minder hygroskopisch, jedoch
derart, daß bei den vorgesehenen Anwendungskonzentrationen praktisch keine Verstärkung
der Schmutzaufnahme nach Aufbringen der Substanzen auftritt, denn sie bewirken keinerlei
Klebrigkeit.
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Eine zu starke Anreicherung im Gewebe ist nicht zu erwarten, da die
Substanzen aufgrund ihrer kristallinen Struktur schon durch Absaugen wieder entfernt
werden können, wenn sie sich von der behandelten Paser gelöst haben. Sollten Anreicherungen,
z.B.
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im Untergrund von Textilgeweben, die aufgrund ihrer Struktur den Reinigungsvorgang
erschweren, dennoch vorkommen, so ist keinerlei physiologisches Risiko damit verbunden.
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Die Substanzen wUrden dann sogar eine weitere positive Wirkung entfalten.
Sie verhalten sich nämlich wie leicht antibakterielle und antimykotische Mittel;
als solche sind sie ZeB. aus der Literatur bekannt. In allen Fällen, wo diese antielektrostatisch
wirksamen Mittel aus bestimmten, mit der Struktur des Textilgewebes zusammenhängenden
Gründen nur schwer zu entfernen sind, gilt dies in noch stärkerem Maße für anders
geartete Substanzen, die in den Teppich eindringen können. Zu diesen gehören die
Ueblichen Verschmutzungen, die in bewohnten Räumen zu einem großen Teil aus Nahrungsmitteln
stammen; diese Reste sind dann in besonderem Maße einem Befall durch Bakterien oder
Pilze ausgesetzt. Gerade in derartigen Fällen sind dann die ebenfalls
festgehaltenen
erfindungsgemäßen antielektrostatischen Mittel von Nutzen, denn sie können die von
ihnen ausgeUbte leicht antibakterielle und antimykotische Wirkung entfalten. So
kann neben der allen erfindungsgemäßen Wirkstoffen zukommenden antielektrostatischen
Wirkung solche zusätzlichen Wirkungen fUr die geeignete Auswahl des zu verwendenden
Mittels aus der Wirkstoffgruppe von Bedeutung sein. Auch die unterschiedliche Löslichkeit
der verschiedenen Salze gibt die Möglichkeit, diejenigen Vertreter auszuwählen,
die £Er den besonderen Zweck, nämlich als direktes Imprägnierungsmittel oder als
Zusatz zu Reinigungs-und Pflegemitteln, besonders gut geeignet sind. Für die meisten
Zwecke hat sich Kaliumpropionat als bevorzugte Wirksubstanz herausgestellt, ebenso
auch das Natrium- und das Lithiunpropionat, Die antielektrostatischen Wirkungen
der erfindungsgemäsen Mittel wurden durch folgende Messungen festgestellt: Als Untersuchungsmaterial
dienten die am schwierigsten antielektrostatisch auszurtistenden Textilmaterialien
vom Fußbodensektor. Dies sind aufgrund ihrer Struktur Teppichböden aus Nadelfilz
oder Velours (anders strukturierte, aber sonst vergleichbare Materialien lassen
sich besser reinigen und auch leichter antielektrostatisch ausrüsten).
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Die Messung erfolgte mit Hilfe folgenden Gerätes: Statometer H 1407,
System Dr. Haase, der Fa. Herfurth GmbH, Hamburg-Altona.
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Das Gerät gestattet eine praktisch trägheitslose Messung der statischen
Elektrizität in den Meßbereichen bis loo, bis 500, bis looo und bis 25000 V/cm.
Gemessen wird die Feldstärke am elektrostatisch geladenen Körper - ohne 3beruhrung
dieses Körpers - und zwar durch Ablesung der Stromstärke, die sich durch Beschleunigung
von Ionen unter dem Einfluß des elektrostatischen Feldes ergibt. Die Ionen werden
durch Alphastrahlung
in der Luft erzeugt. Die Ausbildung des Ionenstromes
geschieht sowohl durch Anziehung wie auch durch Abstoßung; gemessen werden können
also positive und negative elektrostatische Felder.
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Die zur Messung verwendeten Teppichstticke wiesen zu Beginn des Versuches
keinerlei elektrostatische Ladung auf. Sie wurden 40mal mit einem Gummiabsatz gerieben;
die elektrostatische Aufladung erreicht dabei praktisch konstant einen Wert von
ca.
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5000 V (die Meßgenauigkeit liegt bei ca. + 20 % des angegebenen Wertes).
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Die erfindungsgemäßen Mittel wurden 2%ig in wässriger Lösung angewandt,
die mit Ammoniak auf einen pE-Wert von 8 eingestellt wurden; zum anderen wurden
die erfindunggemäßen Substanzen in einem Gemisch aus 73 ffi Wasser und 25 % Xttylalkohol
gelöst, das ebenfalls mit Ammoniak auf pH 8 eingestellt war. Die Substanzen wurden
durch Versprilhen aus Aerosoldosen aufgetragen; die AbfUllung in Aerosoldosen erfolgte
mit Anwendung des Oreibgases PropavButan; die aufgetragene Menge lag bei ca. 30
g pro Teppichfläche. Es ist jedoch zu erwarten, daß eine Verringerung der Auftragsmenge
auf ca. 20 g/qm möglich ist; das bedeutet bei 2«'joigen Lösungen einen Substanzauftrag
von 0.4 - 1.o g/qm Teppichfläche. Nach Antrocknen der Substanzen wurde nach gleichartigem
Reiben wiederum die Spannung abgelesen.
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Untersucht wurden als Vertreter der Substanzgruppe das Natriumsalz,
Ammoniumsalz und Kalziumsalz der Essigsäure, das Natrium-und das Kaliumsalz der
Propionsäure, Natriumbutyrat, Natriumglykolat, Ammoniumglykolat, Natriumzitrat und
Natriumcapronat.
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Bei allen Imprägnierungen wurde statt der ursprünglichen Aufladung
auf etwa 5000 Volt die Aufladung durch das Reiben auf Null bis wenige hundert Volt
herabgesetzt. Diese antistatische Wirkung tritt auch noch ein, wenn man die iniprägnierten
TeppichstUcke nach 1 bis 2 Wochen erneut dem Test unterwarf.
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iine weitere wichtige Anwendung der erfindungsgemäßen Antistatika
ergibt
sich durch deren Mitverwendung in Teppich-Shampoos, Fußbodenreinigungsmitteln, Haushaltsallzweckreinigern
und dergl.
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Bei Testversuchen der zuvor geschilderten Art, bei denen als Vergleichaversuch
diejenigen Werte beobachtet wurden, die von den Reinigungsmitteln selbst entfaltet
werden, zeigte sich die gleiche, eine Aufladung praktisch verhindernde Wirkung,.
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während such von den überprUften handelsUblichen Teppich-Shampoos
auf Basis von Waschaktivstoff und von einem Gemisch aus Seife mit Waschaktivstoff
die Aufladung nicht unter Werte von 1000 bis 2000 V erniedrigte. Solche von den
Reinigungsmitteln selbst ausgeübten antielektrostatischen Wirkungen reichen zur
VerhUtung der Belästigung der die Teppiche begehenden Personen nicht aus.
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Die Beurteilung der Meßergebnisse muß an Erfahrungswerte anknüpfen,
die dadurch gewonnen werden, daß Versuchspersonen 80-weit aufgeladen werden, bis
Funkenbildung beim Berühren von leitenden Gegenständen auftritt. Die verwendete
Meßmethode vermag reproduzierbare Meßergebnisse zu geben. Dabei ist jedoch darauf
zu achten, daß die Luftfeuchtigkeit konstant gehalten wird. Es gibt auch andere
Meßverfahren, Man mißt z.B. die auftretenden Ladungen auch durch direktes Abgreifen
der Ladungen oder man mißt z.B. den Oberflächenwiderstand oder auch den Durchgangswiderstand.
Die antielektrostatische Wirkung der erfindungsgemäßen Substanzen konnte auch durch
diese anderen Meßmethoden bestätigt werden. Sie traten besonders bei der Methodik
des direkten Abgreifens (Methode von Abke & Satlow, deutsche Teppich-Forschungsinstitut,
Aachen) noch deutlicher hervor, insbesondere bei dem Vergleich von handelsüblichen
Reinigungsmitteln mit und ohne erfindungsgemäßen Zusätzen.