导电材料在防静电制品中的应用

摘要：本文对抗静电材料、抗静电技术及应用进行简单介绍，重点介绍了无机抗静电材料的应用，并对抗静电产品与技术今后的发展进行展望。

一、前言
随着高科技的发展，静电的危害已远远超过对人身健康的损害。静电放电造成的频谱干扰危害，是导致计算机、通信、航空、航天所有现代电子设备、仪器出现运转故障、信号丢失、产生误码的直接原因之一。此外，静电造成敏感电子元器件的潜在失效，是降低电子产品工作可靠性的重要因素。据统计，美国每年由于静电而造成电子元器件失效的损失约为100~200亿美元。如何降低和消除抗静电危害已成为电子及相关行业的重要工作内容，抗静电技术也发展成为一个重要产业。
高分子材料自20世纪50年代以来已被广泛应用于建筑、交通运输、电子电气、化工、航天等各个领域，使目前应用范围济广的材料。绝大多数高分子材料都是电的不、良导体，是形成静电积累、造成静电损害的根源。因此，防静电技术几乎全部是针对高分子材料。本文对抗静电材料、抗静电技术及应用进行简单介绍，并对抗静电产品与技术今后的发展进行展望。

二、抗静电材料分类
用于高分子材料的抗静电材料有抗静电剂、抗静电无机材料和结构型导电高分子材料三大类。
1、抗静电剂
抗静电剂的作用机理是通过吸附作用在制品表面形成水膜，以阻止静电的形成和积累。因而抗静电剂的抗静电性能取决于抗静电剂吸收水分的能力和制品使用环境的湿度。根据抗静电剂分子的差异，可分为有机小分子抗静电剂和长效性抗静电剂两大类。
有机小分子抗静电剂是一类具有表面活性剂特征结构的有机物质，可分为阳离子型、阴离子型、非离子型和两性离子型四大类。而长效性抗静电剂是一类分子量大的亲水性高聚物。两类抗静电剂在使用时可涂覆在制品表面，也可与基础树脂混炼。直接涂覆在制品表面的抗静电剂因水洗或摩擦将不断损失，因此需要定期补充抗静电剂，以维持稳定的抗静电性能；而混炼在内部的抗静电剂能通过迁移弥补表面抗静电剂的损失，因而抗静电效果更持久。混炼在基体内部的高分子抗静电剂迁移速率较慢，能够保持制品材料持久的抗静电性能。在使用高分子抗静电剂时，调接和控制其与基体树脂的相容性是技术的关键。如相容性太强，基体内部抗静电剂不能及时补充基体表面的损失，起不到抗静电作用；而如果相容性太弱，抗静电剂容易积累在基体表面加速损失，起不到持久的抗静电效果。
2、抗静电无机材料
即将导体或半导体无机材料分散到高分子材料基体中，通过这些材料形成的筋或网状通路导电而使制品具有抗静电作用。
无机抗静电材料按物质的种类可分为碳、金属、半导体氧化物及它们的复合物，按空间结构分可以是纤维状、片状、粒状和具有特殊三维结构的形状，而按颜色又可分为深色和浅色抗静电材料。目前，常用的无机抗静电材料有以下几种：
（1）碳黑或石墨。碳黑或石墨是目前应用范围济广的炭系导电材料，具有稳定和长效的导电性能，而且来源广泛，成本低，使用简单，是目前制备防静电产品的必选材料。其缺点是制品的颜色较深，不能满足一些场合（人的生活与工作空间）对美感的要求。
（2）短切导电纤维。包括碳纤维与金属纤维（主要是不锈钢纤维）具有很低的本体电阻，而且在基体材料中易于形成导电网络的线状结构，因此需要的加入量很少。制品导电性能稳定、颜色浅。但导电纤维为丝束状，必须充分分散到高分子材料中才能取得很好效果。由于分散较困难，制品的导电性能也难以控制。
（3）导电云母粉。云母粉是高分子材料常用的填充材料，云母粉的片状结构有利于在高分子材料中形成导电网络。但云母粉本身不导电，必须在云母粉表面沉积或包覆一层抗静电材料（如ATO）才能起抗静电作用。导电云母粉比重轻，颜色浅，可用于加工有装饰性的制品，在抗静电领域中的应用逐年增长。
3、结构型导电高分子材料
结构型导电高分子是指本身能够导电的高分子。但迄今为止纯粹的结构型导电高分子聚合物只有聚氮化硫类。其他一些高分子如聚乙炔、聚对苯撑、聚吡咯、聚噻吩、聚吡啶、聚苯硫醚等通过氧化还原、离子化或电化学等手段进行掺杂之后也具备导电性能，另一类高分子如聚酰亚胺、聚丙烯腈等在高温下热处理后碳化，具有类似石墨的微观结构而具有导电性能。原理上，这些高分子材料本身就能用于加工成抗静电制品。但由于这类高分子难溶难熔，成型困难，无法直接单独应用，通常只是作为导电填料，与其它高分子基体进行共混或合金化，制成抗静电复合材料。某些结构型导电高分子单体可在氧化剂作用下进行氧化聚合，因此可将导电高分子单体与本体树脂进行混合之后再聚合，使材料具备抗静电性能。

三、无机抗静电材料应用现状
碳黑、石墨主要用于防静电涂料、地板、周转箱、台垫、运输带、和封存封套上。典型产品有环氧涂料，PVC地板，PE、PP、ABS塑料周转箱，橡胶台垫，运输带，电子产品包装袋等。由于这些高分子材料在制作过程中本身需添加填料，因此，碳黑和石墨的加入并没有改变传统生产工艺。加上材料成本低，工艺成熟，使炭系防静电产品得以迅速发展，形成较大的应用市场。即使在将来，碳黑和石墨还将占据导电材料中主导地位。目前出现的多种其他导电材料只是对其缺点（颜色深而单调、炭易析出造成器件污染和失效）的弥补。
短切导电金属纤维产品的应用目前主要集中在防静电厚型涂料、地板、周转箱、鞋等。
短切导电纤维因其添加量少，制品颜色可调、抗静电性能稳定等特点而在济近几年得到人们的高度重视。一些应用已非常成熟，如环氧自流平涂料，目前的商业应用已达几百万平米/年。其应用瓶颈主要集中在以下两方面：
1、 纤维的分散性问题：纤维越长，所需的添加量越少。目前，能够实现均匀分散的碳纤维在0.2-0.6mm,不锈钢纤维长度为0.5-1.2mm，对应的添加量为1-3%。若能将纤维的可分散长度提高到3mm，则添加量可控制在0.1-0.5%以下，这对制品颜色和成本可以说是一个质的飞跃。
2、导电性能控制问题：如仅仅添加导电纤维，在添加量高于拐点时，制品的电阻值几乎都小于1*105Ωcm；而在低于拐点时，电阻值将在1*103Ωcm-1*1010Ωcm游移，很能控制在1*106Ωcm-1*109Ωcm之间。
导电云母粉主要应用在涂料上。由导电云母粉制成的防静电涂料具有颜色浅、导电性能长效、抗化学侵蚀作用强等特点，是浅色防静电涂料的必选材料。导电云母粉从济初的几吨市场规模到目前的几千吨规模，前后时间只有十年左右，发展十分迅速。目前导电云母的价格已经很低，定售价标准接近普通化工品。但制成的涂料价格成本仍高于采用碳、短切导电纤维制品，这是制约导电云母粉市场发展的一个重要原因。

四、展望
今后，抗静电技术的发展可能有以下方面：
（1） 新型抗静电材料（有机、无机材料，或结构型导电高分子）的开发，主要目标是环保、高效、低成本。
（2） 抗静电应用技术开发，主要目标是保持制品性能稳定，同时降低成本。其中，各种抗静电材料的复合和协同技术将是发展重点。
值得一提的是目前在抗静电领域出现了多种抗静电材料，代表性的有纳米粉体（如金属或氧化物）和纤维（金属纤维和纳米炭管等），ZnO晶须等。纳米材料用于抗静电是否具有优势这本身就是一个需要研究的问题，在实践中又面临分散问题。尤其是纳米碳纤维，因大多生来就缠绕在一起，分散非常困难。对ZnO晶须，降低生产成本是面临的主要问题之一，此外，还需要解决掺杂问题以进一步降低电阻率。在应用中，ZnO晶须的均匀分散也是一个难题。ZnO有针状三维结构，这是其作为抗静电材料济吸引人之处，但正因为如此，与高分子的混合变得十分困难：因为针脚非常容易断裂。因此，今后针对ZnO晶须在抗静电领域中的开发与应用，分散技术将是研究重点。