Che siano permanenti o non permanenti, miscelabili o ad uso esterno, sono disponibili vari agenti antistatici per soddisfare le esigenze del settore elettronico, ma i nanotubi di grafene sembrano essere la scelta migliore.
Gli isolatori elettrici hanno numerose applicazioni e molteplici vantaggi sia nella vita quotidiana che nell'industria. Tuttavia, la loro caratteristica li rende inclini ad accumulare cariche di elettricità statica sulla loro superficie. Queste cariche elettrostatiche possono causare scintille, danni ai componenti elettronici o persino esplosioni in ambienti ATEX. Inoltre, l’accumulo di carica elettrica attira anche la polvere.
Il tutto rappresenta un problema di vasta portata per l'industria, causando danni ai componenti elettronici, con pesanti risvolti sulla sicurezza e l’affidabilità.
È con queste premesse che entrano in gioco le soluzioni antistatiche e dissipative. Queste sostanze chimiche possono eliminare o mitigare i vari problemi, abbassando il livello di resistività dei materiali in gioco, riducendo quindi l'accumulo di cariche elettrostatiche. Esistono in forma liquida o solida e possono interessare le superficie dei prodotti o entrare nella mescola del materiale di base durante il processo di fabbricazione. La loro capacità determina se costituiscono un additivo antistatico permanente o non permanente.
I modi principali per cui gli agenti antistatici differiscono tra loro sono il metodo di applicazione, il loro meccanismo d'azione e la durata dell'effetto antistatico e sono disponibili diverse opzioni in base a questi requisiti.
I quattro stati della conduzione elettrica
La conduzione elettrica si può presentare con quattro distinti fenomeni in base ai quali il materiale assume un ben definita caratteristica:
- Conduttivo - i materiali conduttivi hanno una bassa resistenza elettrica; quindi, gli elettroni scorrono facilmente attraverso questi materiali o sulla loro superficie. Le cariche scorrono verso il potenziale più basso, verso a terra o verso un altro oggetto conduttivo con cui il materiale entra in contatto.
- Dissipativo - i materiali dissipativi consentono alle cariche di fluire verso terra o verso il potenziale più basso molto più lentamente e in modo più controllato rispetto ai materiali conduttivi.
- Antistatico - i materiali antistatici sono generalmente indicati come qualsiasi materiale che inibisce la carica triboelettrica, ovvero l'accumulo di una carica elettrica dovuta a sfregamento o contatto con un altro materiale.
- Isolante - i materiali isolanti impediscono il flusso di elettroni attraverso la loro superficie o attraverso il loro volume. I materiali isolanti hanno un'elevata resistenza elettrica e sono difficili da mettere a terra, quindi non hanno caratteristiche ESD. Le cariche statiche rimangono su questi materiali per molto tempo.
Immersione negli additivi antistatici
Gli additivi antistatici interni vengono incorporati nel polimero durante la lavorazione. Questo indurrebbe a pensare che siano permanenti, ma molti agenti antistatici tradizionali con il tempo migrano sulla superficie del materiale e potrebbero essere rimossi con la pulizia. In generale, temperature elevate e minore grado di cristallinità del polimero facilitano il processo di migrazione. Gli agenti antistatici permanenti hanno base polimerica al cui interno scorrono le cariche elettriche, producendo effetti antistatici di lunga durata.
I rivestimenti antistatici esterni vengono applicati sulla superficie del materiale a fine lavorazione (tramite spruzzo o immersione); in genere possono essere rimossi utilizzando solventi o semplicemente strofinando.
Gli agenti antistatici sono additivi ionici o non ionici. La maggior parte si basa su molecole organiche recanti gruppi polari, ma esistono anche come sali inorganici. Alcuni agenti antistatici per polimeri dipendono dall'umidità per essere efficaci, il che limita le loro applicazioni ed è questo un fattore da considerare.
Ulteriori considerazioni importanti sono il livello di protezione antistatica richiesto e la sua durata, in quanto additivi o rivestimenti antistatici non permanenti perdono la loro efficacia nel tempo. Come prevedibile, in molte applicazioni sono richieste proprietà antistatiche permanenti.
Gli agenti antistatici possono essere incorporati attraverso l'uso di concentrati o masterbatches che è una mescola a base di resina con elevata concentrazione di pigmenti ed eventuali altri additivi, aggiunti al materiale polimerico con lo scopo di colorarlo o di conferirgli prestazioni specifiche. Tendono a essere a base di esteri di acidi grassi e funzionano neutralizzando le cariche sulla superficie di un polimero, hanno comprovate applicazioni nei settori automobilistico, aerospaziale, dell'elettronica, dell'estrazione, dei dispositivi di protezione individuale e degli imballaggi.
Altri tipi comuni di agenti antistatici includono liquidi ionici e polimeri elettricamente conduttivi, mentre agenti antistatici a base di carbonio molto utilizzati sono il nerofumo, polvere di grafite, grafene e fibre di carbonio.
La facile applicazione industriale dei nanotubi di grafene
I comuni agenti antistatici con effetto permanente includono (oltre a quelli già citati), filler metallici e nanomateriali, in particolare i nanotubi di carbonio a parete singola o nanotubi di grafene.
Conferiscono proprietà antistatiche ai materiali a cui sono aggiunti come nelle resine epossidica e acrilica, o come nel caso del poliestere e dei poliuretani (PU). Le diverse applicazioni beneficiano di varie proprietà, come la conduttività uniforme, prestazioni antistatiche efficaci, buone prestazioni di sicurezza, lunga durata e fruibilità economica.
Il polipropilene è un tipo di resina polimerica termoplastica con applicazioni diffuse sia nel largo consumo che nell'industria grazie alla sua durata e rigidità; gli agenti antistatici per polipropilene consentono di controllare il potenziale accumulo di elettricità statica e i masterbatch antistatici controllano le scariche elettriche che possono verificarsi ad esempio nelle applicazioni di imballaggio.
Nel caso degli additivi antistatici per resine, un esempio comune è la pavimentazione utilizzata nelle fabbriche. Il rivestimento in resina antistatica è applicato al pavimento e inibisce o reindirizza le cariche elettriche o non genera alcuna carica elettrica, quindi non si verificano fenomeni ESD.
Esempi di agenti antistatici industriali per gomma includono i tappetini antistatici nell'industria elettronica e la produzione di pavimenti. I nanotubi di grafene promettono un grande potenziale per gli agenti antistatici, in questo caso grazie alla loro capacità di funzionare a basso dosaggio mantenendo o migliorando le proprietà della gomma. Quando i nanotubi di carbonio a parete singola vengono utilizzati nelle pavimentazioni a controllo statico, i vantaggi comprendono l'efficacia in termini di costi e di ottima qualità, nonché il fatto che occupano uno spazio minimo nella mescola, il che significa che c'è spazio per altri materiali con ulteriori proprietà desiderabili da aggiungere.
I rivestimenti spray antistatici tendono a essere costituiti da un polimero conduttore e un solvente che evapora, lasciando dietro di sé un sottile strato conduttivo che serve a prevenire l'accumulo di elettricità statica.
In definitiva, il vasto potenziale dei polimeri può essere ulteriormente ampliato e potenziato con l'uso di agenti antistatici e di rivestimenti antistatici, di cui è disponibile una grande varietà di soluzioni a seconda dei requisiti richiesti dell'applicazione. Spesso i nanotubi di carbonio e il grafene si rivelano la scelta migliore grazie alle loro interessanti proprietà elettriche, fisiche e chimiche, inclusa l'efficienza a dosaggi molto bassi.
Nel contesto degli agenti conduttivi, hanno la potente capacità di controllare o migliorare la conduttività elettrica nei polimeri, facilitando lo sviluppo di polimeri dissipativi o conduttivi ad alte prestazioni, con basso peso e buona flessibilità applicativa.
