第1章　抗靜電、導電塑料的配方與應用

1.1　概述

1.1.1　抗靜電、導電高分子材料的功能

聚合物材料因具有優良的電絕緣性能而廣泛應用于國民經濟和日常生活的各個領域。通常情況下絕大多數的高分子材料體積電阻率一般在 1012～1017Ω·cm。然而，聚合物材料的高電阻率往往使其在加工和使用過程中容易產生靜電積累，從而造成靜電吸塵乃至靜電放電等不良現象。塑料電絕緣性在應用中可能產生靜電積累，進而發生靜電泄漏（ESD）、電磁波干擾（EMI）和射頻干擾（RFI）。塑料制品靜電積累在日常生活中造成灰塵及其他污物吸附；接觸纖維毯和塑料手柄時，產生電擊不適感，引起易燃品發生靜電火災或爆炸；電視及計算機、通信等信號干擾。由于靜電產生的電磁波和射頻干擾甚至會影響航空領域的導航系統、醫療監控儀器信號失真等，因此，對于具有抗靜電功能的聚合物材料的研究已引起人們的高度重視。聚合物基導電復合材料的種類及用途見表1-1。

按聚合物本身能否提供載流子，導電高分子材料可分為兩大類。一類是高分子本身具有導電性，或經摻雜后具有導電功能的材料，稱為結構型導電高分子材料，例如聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩。一些結構型導電高分子摻雜后的導電性能可以接近于導電金屬。導電聚合物可制成發光二極管、場效應管等電子器件、電磁屏蔽材料、電池及導電材料、高靈敏度化學傳感器、超大型電視屏幕、隱身涂料、防腐性材料、抗靜電的攝影膠片等。然而，導電高分子本身剛性大、難熔、成型困難、穩定性差、重復性差、成本較高，且摻雜劑多數是毒性大、腐蝕性強的物質，因此其使用價值還很有限。

另一類是以高分子材料為基體，在加工成型階段添加抗靜電劑、炭黑、金屬粉、金屬氧化物等導電填料，形成具有導電性的多相復合體系，稱為復合型導電高分子材料。填料的用量、填料的幾何特征（形狀、長徑比、尺寸分布等）以及填料的本征電導率都對復合材料的電學性能有至關重要的作用。復合型導電高分子材料可在較大范圍內調節電學性能和力學性能，成本較低，易于成型和大規模生產，已經廣泛應用于防靜電、微波吸收、電磁屏蔽及電化學等領域。

根據 GB 12158—2006《防止靜電事故通用導則》和GJB 3007—1997《防靜電工作區技術要求》，抗靜電材料是指表面電阻率在109～1012Ω的材料。目前抗靜電聚合物制備技術主要有3種：①表面涂覆，在聚合物表面噴涂抗靜電劑制備抗靜電聚合物；②采用抗靜電劑、無機導電填料與聚合物共混制備抗靜電聚合物；③通過共聚合的方式，對聚合物的大分子結構進行修飾，在分子結構中引入抗靜電基團制備抗靜電聚合物。

高性能導電復合材料的主要目標是在提高導電性能的前提下，盡量降低導電填料用量，提高力學性能、成型加工性能和其他性能，實現復合材料的多功能化。在新品種開發方面，一方面是開發新型導電填料，其中低維導電填料如針狀單晶、晶須等是今后發展的重點方向之一；另一方面是開發復合材料新品種，多組分聚合物共混體系、新型導電填料復合體系是今后重點發展的方向。應用探索包括成型工藝、新的成型方法和材料的器件化。成型工藝主要研究填料的表面處理、混合分散和成型工藝條件，探索新的成型方法。

1.1.2　抗靜電、導電填料的分類

（1）普通型抗靜電材料　普通型抗靜電材料是添加抗靜電劑到高分子材料當中，形成抗靜電效果。這些抗靜電劑大多是表面活性劑類，具有表面活性劑特征結構的有機物質，或（親水性好）水溶性高分子物質。抗靜電劑按分子中的親水基能否電離可分為非離子型、陽離子型、陰離子型和兩性型。其中陽離子型抗靜電劑的抗靜電性能優異，但耐熱性能較差，而且對皮膚有害，因此一般作為外部涂敷；陰離子型抗靜電劑的耐熱性和抗靜電效果都比較好，但與樹脂的相容性較差，并且對產品的透明性有影響；非離子型抗靜電劑的相容性和耐熱性能良好，對制品的物理性能無不良影響，但用量較大；兩性型的最大特點是既能與陽離子型抗靜電劑又能與陰離子型抗靜電劑配合使用，抗靜電效果類似于陽離子型抗靜電劑，但耐熱性能不如非離子型抗靜電劑。普通表面活性劑類抗靜電劑種類見表1-2。

（2）永久性抗靜電材料　永久性抗靜電材料是添加或涂覆永久抗靜電劑的材料，永久抗靜電劑為含—COONa、—SO3Na、—OCH2CH3、—PO［N（OH3）2］2、—CONH2、—SO3H、—COOH、—N（OH3）2等官能團的乙烯基聚合物。用各種親水性聚合物與高分子基體共混，使其具有永久抗靜電性能。其主要特征是不影響包裝材料本身的耐熱性和力學性能，適用面廣，且在高分子材料中具有較好的分散效果。目前常用的永久性抗靜電劑大多為聚氧化乙烯（PEO）的共聚物、聚乙二醇體系聚酰胺或聚醚酰胺、環氧乙烷環氧丙烷共聚物以及含有季銨鹽基團的甲基丙烯酸酯類共聚物等，主要品種見表1-3。

法國阿科瑪公司生產的Pebax MH2030和Pebax MV2080 是兩種用途廣泛的高分子型抗靜電劑，可使制品的電阻降低至107Ω。它們均是由一種具有特殊結構的聚醚鏈段基于聚酰胺基礎上合成的永久性抗靜電劑，在制品里不會遷移，低濕度環境仍可保持抗靜電效果，可立即發揮作用、熱穩定性好、耐化學性好，可用于PA、ABS、PVC、PE、PP、聚碳酸酯（PC）、高抗沖擊性聚苯乙烯（HIPS）、聚對苯二甲酸丁二醇酯（PBT）、聚甲醛（POM）和聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）等制品中。

德國拜爾（Bayer）公司研制開發出的聚噻吩衍生物——聚二氧乙基噻吩即 PEDOT 是新一代導電高分子的代表產品，體積電導率>102S/cm。該產品用于塑料材料后，可獲得高效持久的抗靜電性能，且涂層不受外界條件的影響，耐水洗和有機溶劑。

德國巴斯夫公司生產的 Irgastat P18和P22是以聚酰胺和聚醚受阻胺為基礎合成的可熔性永久抗靜電劑，適用于加工溫度低于220℃的塑料制品。這兩種產品均可用于食品包裝，并且都獲得了美國食品藥品管理局（FDA）認證，可應用于 PP、PVC、PS、PE、ABS、PS/ABS 和熱塑性聚氨酯彈性體橡膠（TPU）等多種樹脂品，添加量（以質量分數計）5%～15%。　

日本COLCOAT 株式會社的COLCOAT N-103X系列產品為硅氧烷系列防帶電劑，該抗靜電劑表面抗傷性、耐磨耗性、耐氣候性、黏合性都較好，水洗仍能保持抗靜電效果，涂布在亞克力樹脂、聚苯乙烯樹脂、多元碳酸酯樹脂等制品表面時可增加2%～3%的光線透過率，環保，不含任何有害物質。

芬蘭Panipol 公司生產研制的聚苯胺高分子導電液可用于PET、PVC等塑料基材表面的涂覆，表面電阻率可低至106～109Ω，該高分子導電液也可用于導電油墨、漆料及黏結劑等。

（3）無機填充抗靜電材料　無機填充抗靜電材料種類繁多，主要有碳系、金屬系、金屬氧化物系等。不同的導電填料可以和塑料等絕緣體混合后獲得不同的導電性能，各類導電填料的性能特點見表1-4。炭黑填充制成的復合型導電高分子是目前用途最廣、用量最大的導電材料，尤其是作為抗靜電材料及電磁波屏蔽材料。影響炭黑導電性能的因素較多，主要有炭黑的粒徑、結構、表面狀態等因素。炭黑類包括工業爐黑、槽黑、熱裂黑及石墨化炭黑、乙炔黑等特殊導電性炭黑，其中用得最多的是工業炭黑，分別是乙炔炭黑和高溫石墨化炭黑等。碳纖維（CF）是一種高強度、高模量的高分子材料，不僅具有導電性，而且綜合性能良好，與其他導電填料相比，具有密度小（1.5～2.0g/cm3）、力學性能好、材料導電性能持久等優點。現在在CF表面電鍍金屬已獲成功，金屬主要指純鋼和純鎳，其特點是鍍層均勻而牢固，與樹脂粘接好。鍍金屬的CF比一般碳纖維導電性能可提高50～100倍，可大大減少CF的添加量。雖然CF價格昂貴，限制了其優異性能的推廣，但仍有廣泛用途。日本小西六公司生產的CE220是20%導電CF填充的共聚甲醛，其導電性能良好，機械強度高，耐磨性能好，在對抗靜電、導電性及強度要求高的場合得到了應用，如靜電復印機的低強導輥、音響器材、盒式磁帶導輥等方面。

另外，目前碳納米管、石墨烯以其優異的力學、電學和光學性能，巨大的潛在應用價值得到全球科學家的廣泛關注。