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Verfahren zur antistatischen Ausrüstung hochmolekularer Verbindungen
Die Erfindung bezieht sich auf die antistatische AusrUstung hochmolekularer Verbindungen.
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Hochmolekulare Stoffe haben, besonders wenn sie gute elektrische Eigenschaften
aufweisen, den Nachteil, 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, KrähenfUße, Zickzackmuster usw., bei Fasern und Geweben z.
B. durch ihre schnellere Verschmutzung. Neben einer durch die elektrostatische Aufladung
bedingten starken Verschmutzung muD 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, beispieJaveise Kunststoffe, fUr viele Anwendungsgebiete in Frage gestellt
sein.
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Abgesehen von Konditionieren, sind zwei prinzipielle Mdglichkeiten
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-Formkdrper an der Oberfläche leitend gemacht, d. h.
der OberflEchenwidorstand wird stark herabgesotzt, so da# auf die Oberfläche aufgebrachte
elektrische Ladungen abfließon kaonnen. Der Nachteil dieser Art von antistatischen
AuJrUstunson ist leicht zu erkennen. Wenn die leitende Schicht boschädigt bzw. abgewScht
wird, geht die antistatische Ausrüstung verloren.
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2. Inkorporieren von Substanzen, die eine statische Aufladung der
Kunststoff-Formteile verhindern. Diese Inkorporierung hat gegenUber einer Imprägnierung
wesentliche Vorteile. Die antistatische AusrUstung ist nicht an die Oberfläche gebunden
und . kann nicht mechanisch abgewischt, abgekratzt oder abgelost werden. Bei Versuchen,
die von der Imprägnierung bekannten Antistatika in Kunststoffe zu inkorporieren,
zeigte sich überraschenderweise, da# die Verbindungen dabei in der Regel ihre Wirksamkeit
verlieren. Bei einigen ist das darauf zurUckzufUhren, da# 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 Inkorporierung
und Imprägnieren. Dies läßt sich auch meßtechnisch nachweisen. Während durch die
antistatische Ausrüstung mit Imprägnierungsmitteln 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 Ausrttztung daratellt.
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Zur nachträglichen Aufbringung einer AusrUstung durch Imprägnierung
ist eine Reihe von Substanzen vorgeschlagen worden, z. B.
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1. Stickstoffhaltige Verbindungen, wie Amine und quaternäre Ammoniumsalze,
2. Sulfonsäurn 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 hygroskopische
anorganische Salze bekannt. Sie werden aber allgemein wegen der damit verbundenen
Korrosionsgefahr für die Verarbeitungsmaschinen nicht angeweddet.
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In letzter Zeit sind dauber hinaus weitere Verbindungen bekannt g-wordon,
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 zua Teil nur
schwierig herzustellen, bzw. ihre Reinigung bedarf eines nicht unerheblichen Aufwandes.
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Es wurde nun gefunden, daß bei Verwendung von 0, 1 bis 7 Gew-% mindestens
eines substituierten Ketosäureamids der allgemeinen Formel
wobei R1 einen Alkyl-, Cycloalkyl-, Aryl-, Alkylaryl-oder Arylalkylrest, R2 einen
Alkylenrest mit 1 bis 5 C-Atomen R3-H oder-CH3 und R4 einen Alkylrest mit 2 bis
26 C-Atomen bedeutet und der Rest R4 auch Oxy-oder Alkoxygruppen enthalten kann
und R2 auch ganz entfallen kann, als Zusatz zu organischen hochmolekularen Verbindungen
eine bedeutende Verbesserung der antistatischen Eigenschaften erreicht wird.
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Es hat sich gezeigt, daß schon geringe Zusdtze derartiger substituierter
Ketosäureamide nach ihrer Inkorporierung hochmolekularen
organischen
Verbindungen einen ausgezeichneten antistatischen Effekt verleihen, so da# aus solchen
Mischungen oder damit hergestellte Gegenstände sich nicht mehr oberflächlich aufladen
und keine Neigung zur Staubanziehung mehr zeigen.
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Die Konzentration der im Kunststoff inkorporierten substituierten
Ketosäureamide kann vorteilhafterweise 0, 1 bis @ Gew.-%, vorzugsweise 0, 5 bis
4 Gew.-%, betagen.
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Vorteilhafterweise kann man in die hochmolekularen Verbindungen auch
Gemische von 2 oder mehreren der antistatisch wirksamen Substanzen 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 da# das Verfahren auf diese Verbindungen beschränkt
ist : Brenztraubensäure-N-methylatearylamid Brenztraubensäure-N-methyldodecylamid
Lävulinsäure-N-methylstearylamid Lävulinsäure-N-dodecylamid Lävulinsäure-N-äthanolamid.
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Die mechanischen und thermischen Eigenschaften, die Wärmestabilitdt
sowie Farbe und Transparenz der Polymeren werden durch einen Zusatz der genannten
Substanzen praktisch nicht verändert. Die Verarbeitungsbedingungen und der Temperaturbereich,
in dom sich die Kunststoffe thermoplastisch verformen laasen, bleiben unverändert.
Es ist lediglich darauf zu achten, daß die verwendeten Antistatika hinsichtlich
ihrer ThermostabilitAt 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 unverindert. Durch einen Zusatz von Substanzen der
angegebenen Klasse Lassen sich alle hoch-Xolekularen Stoffe vergüten, die infolge
ihrer elektrostatischen Aufladung zur Verschmutzung durch Anziehen von Staub neigen.
Eine besonddrs 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, Polyolefinen,
wie den Polymeren und Copolymeren von Äthylen, Propylen, Buten-(1), Penten- (l),
4-Methylpenten- (l), Hexen- (l), 5, 5-Dimethylhexen- (l), 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 basisch gehärtete Epoxidharze 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 uder Farbstoffe, enthalten.
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Die erfindungagemäßon Verbindungen können vor oder während der Polymerisation
wie auch später den pulverförmigen Hochpolymeren, als auch dem Granulat zugesetzt
werden. Je nach der Natur des Kunststoffs 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 durchgefUhrt. 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 Pre#- bzw. Spritzgußkorper, Halbzeug, Folien, geblasene Hohlkörper, Rohre,
Fasern, Fäden, Monofilamente usw. herstellen. Die mit den genannten Verbindungen
versetzten Harze können als Lack-bzw. Gießharze oder in Kombination mit Glasfasern
oder/und FUllstoffen auf die Ubliche Weise verarbeitet werden. Die auf diese Weise
ausgerüsteten Hochpolymeren sind besonders interessant für Verpackungszwecke (Emballagen,
Kanister, Flaschen, Becher), Staubsaugerzubehör, Förderbknder, AusstellungsstUcke
und Modelle, Gehäusebeile (z. B. fUr Rundfunk-und Fernsehgeräte, Staubsauger), elektrische
Anlagen, wie Beleuchtungskörper, Kabblisolationen, Stecker, Schalter oder Armaturen,
Klima-und Belüfungsanlagen, Plastgeschirr, 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 bestimmten.
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 malter als 6 Stunden sein.
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Es ist noch eine Reihe weiterer Methoden zur Bestimmung der elektrostatischen
Aufladung bekannt, es wurde aber gifunden, daß praktisch nur die aufgeführte Prüfmethode
echte, praxisnahe Werte liefert.
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In der Tabelle 1 sind die Ergobnisse der Untersuchung verzeichnet.
Man kann erkennen, daß mit sämtlichen der angeführten Substanzen ein ausgezeichneter
antistatischer Effekt brzielt wurde.
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Beispiele Die in Tabolle 1 angeführten, antistatisch wirksamen Verbindungen,
die der in der Beschreibung erläuterten Susmanformel entsprechen, wurden in verschiedene
hochpolymere Stoffe eingearbeitet.
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T a b e l l e l Bei- Verwendeter Kunststoff Antistatikum Struktufformel
Zusatz Aschetest spiel Nr.
| 0 0 CH |
| 1 Niederdruckpolyäthylen BrenztraubensOure-2 |/3 |
| N-methylstearylamid 3 '5 |
| Ca8H37 |
| 0 0 CH |
| 2 Polypropylen Br-nztraub-nsäure-@ 1° CR3 |
| N-methyldodecyl-CH3-C-C-N 1 - |
| amis |
| "12"25 |
| 3 Polystyrol Lävulinsäure-N-°~ °g CH3 |
| , methylstearyl-CH--CH-CH--N 0, 8 - |
| amid 3 2 2 |
| Co8H37 |
| o H |
| 4 Polyamid Lävulinsäure-N-dode-CH-C-CH2-CH2-C-N/1 %- |
| cylamid c12 H25 |
| C12H25 |
| O OH H |
| 9- |
| 5 Polypropylen L§vulinsäure-N-CH-8-CH-CH-0-N/1 % |
| äthanolamid |
| CH2-CH2 |
| OH |
- = keine Ancheanziehung