대전방지제 및 도전성 재료

도전성 재료는 주로 전류가 통과하는 데 저항을 제공하지 않는 것이 특징으로, 이는 재료의 전기적 및 물리적 특성 덕분에 가능하다.

대전방지제는 섬유나 수지의 표면에 흡습성과 이온성과 함께 도전성을 증가시키고 대전방지하는 것이며, 대전방지제에 주로 많이 이용되는 물질은 계면활성제이다.

 

 

 

대전방지제 및 도전성 재료

도전성 재료에 의한 대전방지

도전성 재료를 구조적으로 분류하면 분산계와 적층계가 있고, 대전방지방법으로 분류하면 누설에 의한 대전방지와 공기중 방전에 의한 대전방지로 나누어진다.

 

<표 1> 도전성 재료

 

 

1. 분산계 도전재료

도전원리는 입자상, 섬유상의 도전성 분산체가 직접 접촉에 의하여 전류가 흐르는 경우와 도전성 분산체의 직접 접촉이외의 절연박막간의 터널 효과에 의하여 전류가 흐르는 경우 두가지가 있다.

(1) 카본블랙 분산계

가격이 저렴하고 성능 및 가공성이 우수한 도전 재료이기 때문에 가장 광범위하게 사용되고 있으며, 카본블랙 분산계는 아세틸렌과 천연가스 및 기름 등의 유기화합물을 고온으로 가열, 탄화함으로써 체적 고유저항 10^-1 ～ 10^9 Ω․㎝의 도전성을 가진다.

(2) 금속 분산계

체적 고유저항이 10^-5 ～ 10^2 Ω․㎝로 비교적 낮으나 기계적 강도면에서 외부 저항에 약하고, 금속 표면이 점차적으로 산화함에 따라 입자간의 접촉저항이 증가하여 재료가 열화되는 결점이 있다.

 

2. 적층계 도전재료

플라스틱 코팅법은 표면을 에칭한 후 Au, Pt, Pd, Ag 등의 귀금속 촉매액을 이용하여 화학 환원제를 포함한 무전해 코팅액을 침투시키는 것으로 니켈, 은, 동 등의 무전해 코팅은 섬유대전 등에 일부 사용한다. 또한, 증착법은 투명성 대전방지재료로 사용하고 있고, 증착재료는 금 등의 귀금속계와 산화인 등의 산화물계가 있다.

 

3. 누설에 의한 대전방지

플라스틱이나 고무류를 도전화하여 누설에 의한 대전을 방지하는 것으로 도전성 타이어, 도전성벨트, 정전화, 도전성 매트 및 반도체 포장재 등이 있다. 도전성 타이어는 차체의 대전이 직접적인 사고위험이 있는 탱크로리 등에, 정전화는 인체의 대전방지에 사용하며 전기저항은 10^5 ～ 10^8 Ω 이다.

 

 

대전방지제에 의한 대전방지

대전방지제는 부도체의 대전방지를 위해서 대상에 따라 수지용, 액체용, 종이용, 섬유용 등 또는 사용법에 따라 도포용, 침투형 등 여러 가지가 있기 때문에 적절한 것을 선택하여야 한다.

대전방지제로 처리한 경우는 부도체의 전도도 10^-12 S/m 이상 또는 표면고유저항 10^13 Ω 이하로 접지하거나 본딩하여야 한다.

대전방지제의 효과는 주위의 습도가 저하하면 감소하기 때문에 상대습도를 50% 이상으로 유지하고 정기적으로 점검하여야 한다.

대전방지제는 섬유나 수지의 표면에 흡습성과 이온성과 함께 도전성을 증가시키고 대전방지하는 것이며, 대전방지제에 주로 많이 이용되는 물질은 계면활성제이다. 계면활성제는 친수성의 기와 배수성의 기 및 극성기와 무극성기가 있으며 친수성의 기는 물 등 극성이 큰 용매에 대해서 친화성이 강하고, 배수성의 기는 광유 등 극성이 작은 용매에 대해서 친화성이 강하다.

 

 

1. 대전방지제의 특성

(1) 계면 배향성

계면활성제는 플라스틱이나 섬유의 표면에 흡착되면 계면 배향성이 나타낸다. 즉, 제전제의 배향 방향이 실제로 방지작용하는 것이다. 일반적으로 배수성(排水性)의 플라스틱과 섬유는 수중에서 부전하이고, 이 때문에 대전방지제는 음이온계보다 양이온계가 흡착성이 크고, 내구성도 높다. 대전방지에 효과적인 계면활성제는 계면활성제의 최외각 표면에 친수성의 기가 배위하여야 한다.

현상적으로 플라스틱이나 섬유의 표면에 단분자층을 형성하여 친수성의 기가 외부로 향하여야 하지만 실제로는 계면활성층이 중복됨에 따라 연속적인 대전방지층을 형성한다.

(2) 흡습성(吸濕性)

플라스틱이나 섬유의 함수율(含水率)은 상대습도의 증가에 따라 증가하고 대전성이 감소한다. 대전방지제중 소비톨(Sorbitol), 글리세린(Glycerin), 폴리에틸렌 글리콜(Polyethylene Glycol), 알콜, 염화 리튬, 염화나트륨 등의 흡습성 무기염은 흡습작용에 의한 대전방지 성능이 있다. 계면활성제의 친수성 부분은 배향작용에 의해 최외층에 배위(配位)하고, 표면에 친수성의 연속 피막층을 형성하는 흡습작용으로 대전방지에 직접 작용한다.

(3) 이온성

대전방지제가 음이온, 양이온 또는 두개의 이온성인 경우 흡습작용과 함께 도전성은 더욱 크다.

 

 

2. 대전방지제의 종류

대전방지제는 지속성에 따라 일시성 대전방지제와 내구성 대전방지제로 분류하며, 표면에 부착 또는 물질내부의 혼입처리방법에 따라 외부용과 내부용으로 분류한다.

(1) 외부용 일시성 대전방지제

외부용 일시성 대전방지제로는 양성 이온계, 비이온계, 음이온계, 양이온계 활성제로 세분한다.

- 음이온계 활성제는 값이 싸고 독성이 없으므로 섬유의 원사 등에 사용하며, 특히 인산에스테르계는 폴리에스터, 나이론, 아크릴 등의 섬유에 효과가 있고, 황산 에스테르계는 비스코스(Viscose), 비닐론(Vinylone) 등에 효과가 있다. 또한 섬유에의 균일 부착성과 열안정성도 양호한 편이다.

- 양이온계 활성제는 대전방지성능은 뛰어난 반면 비교적 고가이고, 피부에 여러 가지 장해를 주며, 섬유에 사용할 때 염색이 곤란한 경우가 발생하기 때문에 주의가 필요하다. 내열성능은 음이온계 활성제가 양이온계보다 떨어지나 유연성이 뛰어나기 때문에 아크릴 섬유용으로 널리 사용하고 있다. 양이온계와 음이온계의 활성제는 극성이 반대인 관계로 병용이나 혼용할 수 없다.

- 비이온계 활성제는 단독사용 효과는 적지만 열안정성이 우수하며 음이온계, 양이온계 또는 무기염과 병용할 때는 그 대전방지 효과가 뛰어나다.

- 양성 이온계 활성제의 대전방지 성능은 양이온계와 비슷한 것으로 매우 우수한 성능이 있으며, 특히 베타인계는 그 효과가 대단히 높으며 다른 이온계 활성제와 병용할 수 있다.

(2) 외부용 내구성 대전방지제

일시성 대전방지제는 세탁이나 드라이크리닝 등에 의해 그 효력을 상실하나 내구성 대전방지제는 이러한 단점을 보완한 것으로 아크릴산 유도체, 폴리 알킬렌, 폴리아민 유도체, 폴리에틸렌 글리콜 등이 있다.

 

Reference : KFS 440 정전기 기준