抗静电、导电工程塑料的配方及应用

5.1抗静电/导电材料概述

导电高分子材料的与应用是一个十分活跃的的研究领域。人们正积极寻找防止静电吸尘、静电释放（ESD）、无线电干扰（RFI）、电磁波干扰（EMI）的热塑性材料。塑料是一种非常好的绝缘体，表面电阻率在10¹¹-10¹⁶Ω之间。塑料固有的电绝缘性会导致材料保持静电积累并允许电磁波通过，会在生活中造成粉尘污染、把手静电、通信干扰等现象。因此，将固有绝缘的热塑性材料转化为抗静电、EMI/RFI屏蔽的产品是个非常重要的开发方向。

按照表面电阻率的不同，材料可以分为：绝缘材料、抗静电材料、静电耗散材料、导电材料、电磁屏蔽材料，具体电阻率及应用见表5.1。

表5.1 导电塑料的分类及应用

组成	表面电阻率/Ω	使用目的	应用
绝缘材料	≥1013	绝缘	绝缘材料
抗静电材料	1010-1012	防止静电损伤	防尘
静电耗散材料	106-109	更快消除静电	膜、纤维
导电材料	≤105	赋予导电性	半导体
电磁屏蔽材料	101-103	吸收或反射电磁波	集成电路、高压电缆

按照材料制成方法可导电塑料可分为两类，用化学方法制成的导电塑料称为结构型导电塑料，用物理方法制成的导电塑料称为为复合型导电塑料。结构型导电塑料又称本征型导电塑料，是指利用高分子本身所“固有”的导电性或经过化学掺杂后具有导电性的塑料。这是一类新型高聚物，它们利用自身化学结构上的功能，使其能够导电，再通过化学方法进行掺杂以增强其导电性（常用的掺杂物为碘、五氟化砷、五氟化硼等）。复合型导电塑料是指经物理改性后具有导电性的塑料。聚合物材料电阻率较高，需将导电性物质如炭黑、碳纤维、石墨、金属粉末、金属丝等掺混于树脂中才能制成导电材料。

具体材料初始体积电阻率如表5.2所示。

表5.2部分高聚物的体积电阻率

高聚合物	体积电阻率/Ω·m	高聚合物	体积电阻率/Ω·m
ABS	1015-1016	PE	1016-1020
环氧树脂EP	108-1014	PF	109-1012
PA	1013-1014	PC	1015-1016
PBT、PET	1012-1014	PVC	1014-1016
PTFE	1013-1019	PMMA	1014-1015
PS	1017-1019	PU	1013-1015
PP	1016-1020	PVA	107-109

导电塑料在电子、汽车、医疗器械等领域具有广泛应用，并取得了显著的经济和社会效益。在电子行业领域：导电塑料广泛应用于电子零部件、电缆、电磁屏蔽、光纤等领域，可以提高电器元器件的性能和制造工艺的精度。在汽车领域：导电塑料在电子控制系统、仪表盘、车灯、雨刷等部位得到了广泛应用，可以提高汽车的安全性能和智能化水平，降低车辆的重量和成本。在医疗设备领域：导电塑料在医疗器械的体征监测、治疗设备、手术器械等领域中得到了广泛应用，可以提高医疗器械的可靠性、精度和使用寿命。导电塑料作为一种新型复合材料具有很高的经济和社会价值，未来发展趋势会从以下三个方面发展。1.多功能化。导电塑料不仅要具有导电性能，还需要满足更多的功能需求，如阻燃、抗静电、可降解、自修复等性能。2.高性能化。导电塑料的耐温性、机械强度、尺寸稳定性等性能需要不断提高，以满足各种复杂环境和条件下的应用需求。3.环境友好化。导电塑料的环境影响和废弃物处理也是未来发展的重要方向，需要不断提高材料的可回收性、可再利用性和生态友好性。

目前抗静电剂高分子塑料复合材料加工方法主要有添加型导电填料法、添加抗静电剂法和与结构型导电高分子材料共混等。

5.2.1添加填充型导电填料

在制备抗静电复合高分子材料的过程中，一种常见的方法是将无机导电填料与高分子塑料材料共混。炭黑（CB）以其原料易得、价格低廉、导电性能持久稳定等优点，已被广泛用。炭黑其体积电阻率在0.1至10²Ω·m之间，具有天然的半导体特性。除此之外，金属类填料也是可选方案，主要包括金属粉末（如银、铜、铝、镍等）、金属纤维（如铜纤维、铝纤维、不锈钢纤维、合金纤维等）以及金属氧化物。这些材料均能提供良好的导电性能和稳定的抗静电效果，为相关领域的发展提供了有力支持。

导电填料型抗静电剂大致可划分为碳系、金属系及复合导电材料三个大类。在导电填料与高聚物材料共混的过程中，导电填料未必能够在基体中稳定地构建出有利于导电的结构，导电填料颗粒的堆积密度、粗糙度、尺寸规格、几何形状及其比表面积大小、吸附能力以及混料后填料所呈现的形态等等，它们均可能成为影响材料抗静电性的重要因素。另外，配料中导电填料的种类选择、分散效果以及表面状态等方面也同样会对材料的导电性能产生重大影响。其中，碳系导电填料以其来源丰富、价格相对较低以及电阻调控便捷等显著优势而成为了当前应用最为广泛的一类。金属系导电填料则由于其与高分子基体具有优异的相容性，为了达到理想的导电效果，制造商常常会选用纤维状的填料来制作导电塑料，同时大量加入金属粉末，但对材料的力学性能产生了巨大的负面影响。

表5.3 主要导电填料

体系	分类	名称	性能特点
碳系	炭黑	乙炔炭黑	分散好、导电性能好
		炉法炭黑	导电性好
		热裂解炭黑	成本低、导电性一般
		槽法炭黑	着色性、导电性一般
		导电炭黑	分散好、导电性能好
	石墨粉	天然石墨	产地不同性能差异大
		人工石墨	导电性能好
	碳纳米管	/	添加量低，导电性好
	碳纤维	PAN系碳纤维	导电性好、成本高
		沥青系碳纤维	导电性差、成本低
	石墨烯	/	导电性好
金属系	金属粉	铜、银、镍、合金等	导电性好、易氧化
	金属氧化物	氧化锌、氧化铝、二氧化钛等	导电性差
	金属纤维	铝、镍、不锈钢	导电性好、成本高
	金属片材	铝	导电性好、加工困难
复合导电材料	镀金属玻璃纤维	/	成本高、易氧化
	镀ATO云母	/	成本高、颜色浅
	镀金属碳	/	成本高

5.2.2添加小分子或永久性抗静电剂

小分子或永久性抗静电剂是一类添加在树脂或涂布于高分子材料表面以防止或消散静电荷产生的化学添加剂。这类抗静电剂剂大多是表面活性剂，具有表面活性剂的特征结构的有机物质。根据亲水基能否电离和离子化特征可分为阳离子型、阴离子型、两性型、非离子型和高分子型。

抗静电剂的作用机理是能够在材料表面析出形成导电保护膜，避免电荷堆积，从而大幅降低其表面阻率，同时还能赋予材料表面优秀的润滑性能减小摩擦力。研究表明，在所有表面抗静电剂类型中，非离子型抗静电剂效果最明显，其次为阳离子型和两性离子型，而阴离子型相对较差。无论是何种类型的抗静电剂，其抗静电效能都强烈依赖于它们吸附空气中水分的能力，试样表面电阻值的下降幅度与抗静电剂所能吸收的水气含量呈现出显著的正比例关系。对于不同的极性基础物质，选择相应类型的抗静电剂将有助于获得最佳效果。例如，像非离子型抗静电剂就特别适合用于弱极性或非极性的聚合物领域。

表5.4抗静电剂的主要种类

种类	结构	主要成分	适用树脂
阳离子型	季铵盐	亲油基甲烷基、二烷基(对离子)卤素、硝酸、有机酸	PVC
阴离子型	磷酸盐	(亲油性)脂肪酸、聚氧化乙烯附加物	PS、PE、PP、PVC
非离子型	脂肪酸	(亲油基)烷基、(亲油基)甲烷基、二烷基	PS、PE、PP、PVC
两离子型	多元醇酯、 聚氧化乙烯附加物 、内铵盐	(多元醇)丙三醇、聚甘油、山梨糖醇、多元醇	PS、ABS
		(亲油基)烷基胺、烷基酰胺、聚氧化乙烯
		(阳离子基)胺、烷基酰胺；碳酸磺酸
高分子型	聚丙烯酸衍生物	(亲油基)聚氧化乙烯、碳酸、磺酸、季铵	PE、PP

目前国内抗静电剂主要生产厂商如表5.5所示。

表5.5国内抗静电剂主要厂商

类别	商品名称	生产厂家	用途
阴离子型	抗静电剂P	上海华溢塑料助剂合作公司	塑料工业抗静电剂
	醇醚磷酸单酯	丹东市化工厂	化纤、塑料工业
	抗静电剂NP	江西威科油脂化学有限公司	PE、PP、PVC、PC、PET
	抗静电剂ABPS	大连轻化工研究所	PE、PP、ABS
	抗静电剂DPE	大连轻工设计研究院	PS、PVC、PE、PC
阳离子型	抗静电剂SN	上海华溢塑料助剂合作公司、天津助剂厂	PP、PE、PVC-U、ABS、PS
	抗静电剂TM	上海华溢塑料助剂合作公司	聚丙烯腈、PVC、聚酯、聚酰胺
	ASA -156	北京市化工研究所	PE、PP、PS
	SH-103、SH-104、SH-105	上海金山经纬化工有限公司	PVC、PP、PE
	ECH新抗静电剂	杭州市化工研究所	硬质、半硬质PVC 塑料
	SGK-03A	山东寿光助剂厂	PVC、PP、PE
非离子型	ASA-10	北京市化工研究所	PE等高分子塑料类 树脂
	ASA-40	北京市化工研究所	PE等高分子塑料类 树脂
	ASA-90	北京市化工研究所	PE与ABS塑料制品
	JH非离子型抗静电剂	济南市化工研究所	PE、PP、ABS
	KJ210抗静电剂	山西化工研究所	PE、PP、ABS、PS、 软质PVC
高分子型	Enulsifier OPE	江苏徐州有机合成化工厂	PE、PP
	10EO	北京市华源细化工厂	PP、PE
复合型	ASA-150	北京市化工研究所	PVC、合成橡胶、各种高分子塑料包装制品
	ASA-151	北京市化工研究所	各种塑料
	HZ-1	杭州市化工研究所	PE、PP、PVC

国外进口的抗静电剂主要牌号见表5.6。

表5.6 国外抗静电主要厂家

生产厂家	牌号	主要组成物	适用树脂
ICI A m	Atmer163	乙氧基化脂肪胺	PU
	Atmer191	烷基磺酸盐	PE、PP、PS、ABS
	Atmer1002	季铵盐阳离子	PVC、HIPS
	Cyastat609	季铵盐阳离子	PVC
Cytec	Cyastat LS	(3-月桂酰胺丙基)三甲基硫酸铵	PVC、ABS、PS
花王化成	Elec RC	阳离子表面活性剂	PVC
	Elec-2	非离子型乙氧基化脂肪胺	PE、PP
Wicto	Markstat AL-12	季铵盐类	POM、PU
	Kemester GMS	多元醇脂肪酸酯	PE、PP、ABS
Henkel	Lutostat MSW30	改性烷基胺	PS
日本油脂株式会社	Nissan New Elegan A	专用阳离子化合物	软质PVC
	Nissan New Elegan Ask	专用阳离子化合物	硬质PVC
Lonza	Glycolube 100	多元醇脂肪酸酯	PE、PP
	Glycolube 110	多元醇脂肪酸酯	软质PVC
	Glycolube 130	多元醇脂肪酸酯	PE、PP、PS
Du Pont	Zelec TY	醇的磷酸酯化合物	高分子塑料
	Zelec NK	磷酸脂肪醇酯	塑料与薄膜
Pfizer	Antistat 68	阳离子型化合物	PE、PP、PS、PA
Drew	Drewplast 017	非离子型化合物	PP、PE、软质PVC
	Drewplast 032	非离子型化合物	PP、PE、软质PVC
Ciba-Geigy	Iragastat P	高分子型	PE、PP、PS、ABS
Atlas	Atmos 150	高分子型	PE、PP、软或硬质PVC

5.2.3 与结构型导电高分子共混

结构型导电高分子包括聚苯胺、聚乙炔、聚吡啶、聚噻吩以及聚喹啉等共同构成的共轭性高分子。这类材料含有共轭双键的分子结构，π电子可以在分子链上自由活动，从而获得极高的载流子迁移率，表现出优良的导电性能。但其分子刚性较大、难以溶解或熔融、成型较为复杂且易受氧化和不稳定影响，导致无法勉强单独使用。为了充分发挥它们的优良性能，我们通常将其作为导电填料，加入到其它高分子基体中，转换成抗静电的复合材料。