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加碳纤导电塑料知多少?

责任编辑:文和林发表时间:2017-06-27
塑料能导电,不要说普通人不相信,就是科学家中也没有几个人相信。可是一次偶然事件让它成为现实,参与这项工作的三位科学家也有幸成为2000年度谱贝尔化学奖得主。这三位科学家是美国的艾伦·黑格教授和艾伦·马克迪尔米德教授以及日本的白川英树教授,他们是因1977年发现导电聚合物——聚乙炔而获奖的。

加碳纤导电塑料是将树脂和导电物质混合,用塑料的加工方式进行加工的功能型高分子材料,主要应用于电子、集成电路包装、电磁波屏蔽等领域。
导电塑料分类
1.按电性能分类,可分为:绝缘体、防静电体、导电体、高导体。通常电阻值在1010Ω·cm以上的称为绝缘体;电阻值在104~109Ω·cm 范围内的称作半导体或防静电体;电阻值在104Ω·cm以下的称为导电体;电阻值在100Ω·cm以下甚至更低的称为高导体。
2.按导电塑料的制作方法分类,可分为结构型导电塑料和复合型导电塑料。
3.按用途分类,可分为:抗静电材料、导电材料和电磁波屏蔽材料。
结构型导电塑料
指高聚物本身具有导电性或经过化学改性后具有导电性的塑料。它们能发挥自身化学结构的作用,使其本质上能够导电;再通过化学方法进行掺杂以增长其导电性。(常用的掺杂物为碘、五氟化砷、五氟化硼等)通常这类化学物都是带有共轭双键结构的结晶性高聚物。现已研制的有:聚乙炔(PAC)、聚对苯捧(PPP)、聚吡咯(PPY)、聚苯硫醚(PPS)、聚噻吩、聚苯胺、聚喹啉等。
复合型导电塑料
指经物理改性后具有导电性的塑料,不少产品已商业化生产。制作复台型导电塑料必须选择合适的基本树脂和复合方式:
(1) 基本树脂 几乎所有正在使用的树脂均可采用。如PE、PP、WC、PS、ABS以及TPO等热塑性塑料和酚醛树脂、氨基树脂、环氧树脂等热固性塑料。
(2) 复合方式 可分为下列三类:
a. 分散复合法(填充导电填料)—— 在基本树脂中添加导电填料并使之均匀分散;
b.积复合法(金属纤维系导电塑料)—— 在基本树脂中添加或层积金属纤维并使之呈层状散;
c.表面橡覆法(表面滁覆导电塑料)—— 在塑料表面涂覆金属层。
加碳纤导电塑料的成型
1、结构型导电塑料的成型
结构型导电塑料的稳定性和加工性目前仍是工业化生产和实际应用的主要问题。工业已研制的太多数结构型导电高聚物很不稳定,加热时容易分解。有些对氧十分敏感,有些在储存时会失去原有性能。而且它们不熔不溶,至今还不能很好地将它们分散在有机溶剂或粘性树脂之中,因此无固定的成型方法。为了解决这个问题,国外已研制了聚合物共混物以改善其稳定性和加工性。或先制备成能溶解的璜聚体,使之可在溶液中加工成胰。或采用共聚和接技的方法,引入可加工成分。近年来已研究出可用热塑性加工方法成型的导电高聚物,从而在加工和应用出现突破。预料将会更多地开发出掺杂前能加工,掺杂后能稳定的新品种。
2、复合型导电塑料的成型
对复合型导电塑料来说,现有的塑料加工成型方法均可采用。挤出、注射、层压等方法加工成型的导电塑料制品,其导电性已完全可以达到使用要求。
3、填充导电塑料的成型
这类导电塑料是采用分散复合法成型的。将导电填料与基本树脂在捏和机中混合均匀,然后挤出造粒,再将粒料用合适的方法成型。
4、金属纤维系导电塑料的成型
a.直接法 在基本树脂中直接加入金属短纤维,其工艺流程与填充导电塑料相同。也可以在添加金属纤维同时添加导电填料。使用金属短纤维没有什么限定,拉丝法或熔纺法制成的金属纤维和舍金纤维均可使用。
b.母粒法 将金屑长纤维用集束剂进行集束,然后将其切成长度为5-15ram的切片(母粒),再将切片与基本树脂一起混练或捏和,使其均匀分散;各种材质的金属长纤维均可使用.理想的纤长度>100ram,直径<5 m(最佳为7岬),添加量4-8,与集束剂混合时所占比例以20-70%为宜。
通常使用的集束剂是热塑性树脂溶液或裂液。集束切片与基本树脂混合时应选用低速和剪切应力小的设备。
c.BMC法 (预制整体模塑料将金属长纤维先织成网张织物(体积腭或丝毯),然后将其置于两层塑料基材之阉压制成型。也可将织同浸渍树脂溶液烘塑成型又可将织网作为嵌件预置模具中注射成型(包括双层注射)。BMC法的优点是金属鲢纤维在加工过程中不受损伤,因而导电性极好,使用中能保持导电性。
d.SMC法 (片状摸塑料)将多股金属长纤维与基本树脂混合,经过反复滚压和牵伸,制成片状摸塑料,然后用干法”模压成型。SMC法特别适用于热固性塑料。
添加金属纤维比添加导电填料对基本树脂的性能影响较小,对加工成型性、对设备摸具的损伤及污染都较小,且不影响制品着色。目前金属纤维系导电塑料电阻率可达到10Q·cm。电磁珲蔽效高,综合性能好,但是,多数金属纤维价格较高,囤而可采用混杂,金属纤维或混合导电填料以降低成本,其效果往往超过单一体系。
常用导电填料
1、碳黑
碳黑是使用最早最常用的导电填料。添加碳黑的最终产品的电阻率可通过选择合适的填加量及加工条件予以调节。加入少量碳黑电阻率不会有明显变化,填加量提高到一定比例之后,电阻率可下降几个数量级,但下降到低限之后,再增加填加量,电阻率变化就很不明显。

2、铝箔片
铝箔片因其成本低目前用于多种热塑性塑料,其效果优于碳黑。常用的铝箔片宽度约0.01ram。厚度约0.001ram,长度3— 12ram,填加量18—22 。铝箔片的加入将降低制品的冲击强度并容易引起表面斑点。当要求外观质量高的制品时,需再作表面涂饰。

图:铝箔片
总之,导电填料的填加量,填料的品种和形状,填料的分散性以及制品的厚度对导电性均有直接的影响。
导电塑料的主要用途
1)在电子、电器领域中作集成电路、晶片、传感器护套等精密电子元件生产过程中使用的防静电周转箱、IC及LCD托盘、IC封装、晶片载体、薄膜袋等。
2)防爆产品的外壳及结构件,如:煤矿、油船、油田、粉尘及可燃气体等场合中使用的电器产品外壳及结构件。
3)中、高压电缆中使用的半导电屏蔽料。
4)电讯、电脑,自动化系统、工业用电子产品、消费用电子产品、汽车用电子产品等领域中的电器产品EMI屏蔽外壳。

图:导电塑料应用于太阳能电池板
导电塑料在其他方面还有更多的应用,比如,利用它对电信号的敏感性,可以用来制作传感器;由于它能够吸取微波,调制成飞机涂料还可以起到逃避雷达的隐型效果;在火箭、船舶、石油管道以及污水管道中,还可以发挥它的防腐功能。

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