抗靜電、導(dǎo)電工程塑料的配方及應(yīng)用

5.1抗靜電/導(dǎo)電材料概述

導(dǎo)電高分子材料的與應(yīng)用是一個(gè)十分活躍的的研究領(lǐng)域。人們正積極尋找防止靜電吸塵、靜電釋放（ESD）、無(wú)線電干擾（RFI）、電磁波干擾（EMI）的熱塑性材料。塑料是一種非常好的絕緣體，表面電阻率在1011-1016Ω之間。塑料固有的電絕緣性會(huì)導(dǎo)致材料保持靜電積累并允許電磁波通過(guò)，會(huì)在生活中造成粉塵污染、把手靜電、通信干擾等現(xiàn)象。因此，將固有絕緣的熱塑性材料轉(zhuǎn)化為抗靜電、EMI/RFI屏蔽的產(chǎn)品是個(gè)非常重要的開(kāi)發(fā)方向。

按照表面電阻率的不同，材料可以分為：絕緣材料、抗靜電材料、靜電耗散材料、導(dǎo)電材料、電磁屏蔽材料，具體電阻率及應(yīng)用見(jiàn)表5.1。

表5.1 導(dǎo)電塑料的分類(lèi)及應(yīng)用

按照材料制成方法可導(dǎo)電塑料可分為兩類(lèi)，用化學(xué)方法制成的導(dǎo)電塑料稱為結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電塑料，用物理方法制成的導(dǎo)電塑料稱為為復(fù)合型導(dǎo)電塑料。結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電塑料又稱本征型導(dǎo)電塑料，是指利用高分子本身所“固有”的導(dǎo)電性或經(jīng)過(guò)化學(xué)摻雜后具有導(dǎo)電性的塑料。這是一類(lèi)新型高聚物，它們利用自身化學(xué)結(jié)構(gòu)上的功能，使其能夠?qū)щ姡偻ㄟ^(guò)化學(xué)方法進(jìn)行摻雜以增強(qiáng)其導(dǎo)電性（常用的摻雜物為碘、五氟化砷、五氟化硼等）。復(fù)合型導(dǎo)電塑料是指經(jīng)物理改性后具有導(dǎo)電性的塑料。聚合物材料電阻率較高，需將導(dǎo)電性物質(zhì)如炭黑、碳纖維、石墨、金屬粉末、金屬絲等摻混于樹(shù)脂中才能制成導(dǎo)電材料。

具體材料初始體積電阻率如表5.2所示。

表5.2部分高聚物的體積電阻率

導(dǎo)電塑料在電子、汽車(chē)、醫(yī)療器械等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。在電子行業(yè)領(lǐng)域：導(dǎo)電塑料廣泛應(yīng)用于電子零部件、電纜、電磁屏蔽、光纖等領(lǐng)域，可以提高電器元器件的性能和制造工藝的精度。在汽車(chē)領(lǐng)域：導(dǎo)電塑料在電子控制系統(tǒng)、儀表盤(pán)、車(chē)燈、雨刷等部位得到了廣泛應(yīng)用，可以提高汽車(chē)的安全性能和智能化水平，降低車(chē)輛的重量和成本。在醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域：導(dǎo)電塑料在醫(yī)療器械的體征監(jiān)測(cè)、治療設(shè)備、手術(shù)器械等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，可以提高醫(yī)療器械的可靠性、精度和使用壽命。導(dǎo)電塑料作為一種新型復(fù)合材料具有很高的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值，未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)會(huì)從以下三個(gè)方面發(fā)展。1.多功能化。導(dǎo)電塑料不僅要具有導(dǎo)電性能，還需要滿足更多的功能需求，如阻燃、抗靜電、可降解、自修復(fù)等性能。2.高性能化。導(dǎo)電塑料的耐溫性、機(jī)械強(qiáng)度、尺寸穩(wěn)定性等性能需要不斷提高，以滿足各種復(fù)雜環(huán)境和條件下的應(yīng)用需求。3.環(huán)境友好化。導(dǎo)電塑料的環(huán)境影響和廢棄物處理也是未來(lái)發(fā)展的重要方向，需要不斷提高材料的可回收性、可再利用性和生態(tài)友好性。

目前抗靜電劑高分子塑料復(fù)合材料加工方法主要有添加型導(dǎo)電填料法、添加抗靜電劑法和與結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料共混等。

5.2.1添加填充型導(dǎo)電填料

在制備抗靜電復(fù)合高分子材料的過(guò)程中，一種常見(jiàn)的方法是將無(wú)機(jī)導(dǎo)電填料與高分子塑料材料共混。炭黑（CB）以其原料易得、價(jià)格低廉、導(dǎo)電性能持久穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛用。炭黑其體積電阻率在0.1至102Ω·m之間，具有天然的半導(dǎo)體特性。除此之外，金屬類(lèi)填料也是可選方案，主要包括金屬粉末（如銀、銅、鋁、鎳等）、金屬纖維（如銅纖維、鋁纖維、不銹鋼纖維、合金纖維等）以及金屬氧化物。這些材料均能提供良好的導(dǎo)電性能和穩(wěn)定的抗靜電效果，為相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展提供了有力支持。

導(dǎo)電填料型抗靜電劑大致可劃分為碳系、金屬系及復(fù)合導(dǎo)電材料三個(gè)大類(lèi)。在導(dǎo)電填料與高聚物材料共混的過(guò)程中，導(dǎo)電填料未必能夠在基體中穩(wěn)定地構(gòu)建出有利于導(dǎo)電的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電填料顆粒的堆積密度、粗糙度、尺寸規(guī)格、幾何形狀及其比表面積大小、吸附能力以及混料后填料所呈現(xiàn)的形態(tài)等等，它們均可能成為影響材料抗靜電性的重要因素。另外，配料中導(dǎo)電填料的種類(lèi)選擇、分散效果以及表面狀態(tài)等方面也同樣會(huì)對(duì)材料的導(dǎo)電性能產(chǎn)生重大影響。其中，碳系導(dǎo)電填料以其來(lái)源豐富、價(jià)格相對(duì)較低以及電阻調(diào)控便捷等顯著優(yōu)勢(shì)而成為了當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的一類(lèi)。金屬系導(dǎo)電填料則由于其與高分子基體具有優(yōu)異的相容性，為了達(dá)到理想的導(dǎo)電效果，制造商常常會(huì)選用纖維狀的填料來(lái)制作導(dǎo)電塑料，同時(shí)大量加入金屬粉末，但對(duì)材料的力學(xué)性能產(chǎn)生了巨大的負(fù)面影響。

表5.3 主要導(dǎo)電填料

5.2.2添加小分子或**性抗靜電劑

小分子或**性抗靜電劑是一類(lèi)添加在樹(shù)脂或涂布于高分子材料表面以防止或消散靜電荷產(chǎn)生的化學(xué)添加劑。這類(lèi)抗靜電劑劑大多是表面活性劑，具有表面活性劑的特征結(jié)構(gòu)的有機(jī)物質(zhì)。根據(jù)親水基能否電離和離子化特征可分為陽(yáng)離子型、陰離子型、兩性型、非離子型和高分子型。

抗靜電劑的作用機(jī)理是能夠在材料表面析出形成導(dǎo)電保護(hù)膜，避免電荷堆積，從而大幅降低其表面阻率，同時(shí)還能賦予材料表面優(yōu)秀的潤(rùn)滑性能減小摩擦力。研究表明，在所有表面抗靜電劑類(lèi)型中，非離子型抗靜電劑效果最明顯，其次為陽(yáng)離子型和兩性離子型，而陰離子型相對(duì)較差。無(wú)論是何種類(lèi)型的抗靜電劑，其抗靜電效能都強(qiáng)烈依賴于它們吸附空氣中水分的能力，試樣表面電阻值的下降幅度與抗靜電劑所能吸收的水氣含量呈現(xiàn)出顯著的正比例關(guān)系。對(duì)于不同的極性基礎(chǔ)物質(zhì)，選擇相應(yīng)類(lèi)型的抗靜電劑將有助于獲得**效果。例如，像非離子型抗靜電劑就特別適合用于弱極性或非極性的聚合物領(lǐng)域。

表5.4抗靜電劑的主要種類(lèi)

目前國(guó)內(nèi)抗靜電劑主要生產(chǎn)廠商如表5.5所示。

表5.5國(guó)內(nèi)抗靜電劑主要廠商

國(guó)外進(jìn)口的抗靜電劑主要牌號(hào)見(jiàn)表5.6。

表5.6 國(guó)外抗靜電主要廠家

5.2.3 與結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子共混

結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子包括聚苯胺、聚乙炔、聚吡啶、聚噻吩以及聚喹啉等共同構(gòu)成的共軛性高分子。這類(lèi)材料含有共軛雙鍵的分子結(jié)構(gòu)，π電子可以在分子鏈上自由活動(dòng)，從而獲得極高的載流子遷移率，表現(xiàn)出優(yōu)良的導(dǎo)電性能。但其分子剛性較大、難以溶解或熔融、成型較為復(fù)雜且易受氧化和不穩(wěn)定影響，導(dǎo)致無(wú)法勉強(qiáng)單獨(dú)使用。為了充分發(fā)揮它們的優(yōu)良性能，我們通常將其作為導(dǎo)電填料，加入到其它高分子基體中，轉(zhuǎn)換成抗靜電的復(fù)合材料。