九年級化學(xué)下冊 9.2 導(dǎo)電塑料素材 （新版）粵教版

1、導(dǎo)電塑料相關(guān)專題： 導(dǎo)電塑料 導(dǎo)電性高分子材料一般分為結(jié)構(gòu)型和復(fù)合型兩大類。結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子聚合物是1977年才發(fā)現(xiàn)的，它是有機(jī)聚合摻雜后的聚乙炔，具有類似金屬的電導(dǎo)率。而純粹的結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子聚合物至今只有聚氮化硫類，其它許多導(dǎo)電聚合物幾平均需采用氧化還原、離子化或電化學(xué)等手段進(jìn)行摻雜之后才能有較高的導(dǎo)電性。其代表性的產(chǎn)物有聚乙炔、聚對苯撐、聚吡咯、聚噻吩、聚吡啶、聚苯硫醚等。還有一種叫作熱分解導(dǎo)電高分子，這是把聚酰亞胺、聚丙烯腈等在高溫下熱處理，使之生成與石墨結(jié)構(gòu)相近的物質(zhì)，從而獲得導(dǎo)電性。這些熱分解導(dǎo)電高分子的特征是無須摻雜處理，故具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料的主要用途是導(dǎo)電材

2、料、蓄電池電極材料、光功能元件、半導(dǎo)體材料，其研究開發(fā)主要集中在以t4個方面：具有與金屬相同的電導(dǎo)率；在空氣中是穩(wěn)定的；具有高功能；具有良好的加工成型性。 另一類被稱之為復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料，它是由導(dǎo)電性物質(zhì)與高分子材料復(fù)合而成。這是一類已被廣泛應(yīng)用的功能性高分子材料。本文主要介紹復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料。 一、復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料的分類及用途 復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料的分類有很多種，根據(jù)電阻值的不同可分為：半導(dǎo)電體、除靜電體、導(dǎo)電體、高導(dǎo)電體；根據(jù)導(dǎo)電填料的不同可分為：抗靜電劑系、碳系(炭黑、石墨等)、金屬系(各種金屬粉末、纖維、片等)；根據(jù)樹脂的形態(tài)不同可分為：導(dǎo)電塑料、導(dǎo)電橡膠、導(dǎo)電涂料、導(dǎo)電膠

3、粘劑、導(dǎo)電薄膜等；還可根據(jù)其功能不同分為：防靜電材料、除靜電材料、電極材料、發(fā)熱體材料、電磁波屏蔽材料。本文主要介紹復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料中導(dǎo)電塑料的用途。 (1)在電子、電器領(lǐng)域中作集成電路、晶片、傳感器護(hù)套等精密電子元件生產(chǎn)過程中使用的防靜電周轉(zhuǎn)箱、ic及l(fā)cd托盤、ic封裝、晶片載體、薄膜袋等。 (2)防爆產(chǎn)品的外殼及結(jié)構(gòu)件，如：煤礦、油船、油田、粉塵及可燃?xì)怏w等場合中使用的電器產(chǎn)品外殼及結(jié)構(gòu)件。 (3)中、高壓電纜中使用的半導(dǎo)電屏蔽料。 (4)電訊、電腦，自動化系統(tǒng)、工業(yè)用電子產(chǎn)品、消費(fèi)用電子產(chǎn)品、汽車用電子產(chǎn)品等領(lǐng)域中的電器產(chǎn)品emi屏蔽外殼。 二、復(fù)合型導(dǎo)電塑料的國內(nèi)外發(fā)展概況 1、

4、抗靜電劑填充型 抗靜電劑填充型產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)是制品著色不受限制，其中低分子型抗靜電劑對產(chǎn)品性能影響不大，其表面電阻率為1010-1013。但低分子抗靜電劑填充型產(chǎn)品的電性能會隨著時間的推移而逐漸喪失。 國外目前的主要開發(fā)動向是研制生產(chǎn)高分子型抗靜電劑，高分子型抗靜電劑亦可稱為永久性抗靜電劑，它不會像低分子型抗靜電劑那樣水洗后或長時間使用后便喪失其導(dǎo)電性。高分子型抗靜電劑的主要品種有：聚醚型、季氨鹽型、磺酸型、酸的接枝共聚物、離子型。主要生產(chǎn)廠家有日本的三洋化成、住友精化、住友科學(xué)工業(yè)、第一工業(yè)制藥，瑞士的汽巴精化、科萊恩，美國的威科、大湖等。高分子型抗靜電劑的添加量是低分子型抗靜電劑的5-15倍，

5、同時還要考慮其與樹脂的相容性從而選擇適用的相容劑，因受到成本的制約使其應(yīng)用受到一定限制。國內(nèi)目前主要是低分子型抗靜電劑，代表性的廠家有杭州塑料研究所、北京市化工研究院等。 2、碳系填充型 這一系列的填充物主要是導(dǎo)電炭黑、石墨和碳纖維，制成品的體積電阻率為102-109?cm。其中炭黑填充是主流，炭黑填充型導(dǎo)電聚合物之所以被廣泛采用，其一是因?yàn)閷?dǎo)電炭黑價格較為低廉；其二是因?yàn)樘亢谀芨鶕?jù)不同的導(dǎo)電性需求有較大的選擇余地，它的制成品的電阻值可在102-109之間的寬廣范圍內(nèi)變化；其三是導(dǎo)電性持久、穩(wěn)定；因此是理想的抗靜電材料。但是它的制成品僅限于黑色，并對材料性能影響較大，需要配套改性技術(shù)。炭黑填充

6、型導(dǎo)電塑料的主要用途是： (1)與集成電路相關(guān)的領(lǐng)域 集成電路塊、場效應(yīng)管、晶體管等電子元器件在加工、裝配、包裝、運(yùn)輸?shù)壬a(chǎn)過程中，常常會因震動、摩擦產(chǎn)生的靜電而損壞，甚至造成整臺機(jī)器的報廢。這些電子元器件對靜電的敏感程度小至100伏，大至上萬伏不等。幾百伏以至上千伏的靜電是非常容易產(chǎn)生的，有實(shí)驗(yàn)表明：人在低溫度環(huán)境中的干燥地毯上行走時，可產(chǎn)生5000伏的靜電，戴著橡膠手套與塑料容器接觸時，可產(chǎn)生6000伏的靜電，即使是不戴手套用手直接與塑料容器接觸，也會產(chǎn)生200伏的靜電。由此可見，在這一領(lǐng)域中防靜電、除靜電措施的重要。炭黑填充型導(dǎo)電塑料的電阻值可在102-109間調(diào)節(jié)，完全可以滿足這類材料

7、的防靜電、除靜電需求。其主要產(chǎn)品有：電子元器件在周轉(zhuǎn)、保管、搬運(yùn)過程中使用的周轉(zhuǎn)箱、托盤、支架、封裝等。 (2)醫(yī)療、煤礦、紡織等潔凈、易爆環(huán)境 導(dǎo)電塑料在這些場合用作電器設(shè)備的外殼或結(jié)構(gòu)件。 (3)高壓電纜、通訊電纜領(lǐng)域 近年來，隨著用電量的增加，使電纜朝著高壓化的方向發(fā)展。為使制造工程簡化，需要新的被覆構(gòu)造，即用導(dǎo)電塑料作半導(dǎo)電層。這是為了緩和導(dǎo)體表面電位梯度，防止導(dǎo)體與半導(dǎo)體問的部分放電。這類材料的體積電阻為100-104?cm。 (4)面狀發(fā)熱體 導(dǎo)電塑料還可以作為熱源被利用。這是利用在導(dǎo)電塑料上施加電壓，電流通過后電阻產(chǎn)生焦?fàn)枱崃康脑恚@類材料的體積電阻為100-104?cm。 在

8、國外，碳系填充型導(dǎo)電塑料已經(jīng)形成為一個十分成熟的市場，較大的生產(chǎn)廠商有美國的卡伯特公司、原聯(lián)碳公司、ge公司、3m公司等，日本的東芝化學(xué)、住友酚醛塑料是主要廠商，還有東麗、東洋油墨制造、東京油墨、日本合成橡膠、神戶制鋼所等，芬蘭的premix，韓國的lg公司。 與工程塑料相比，導(dǎo)電塑料是一個很小的品種。關(guān)于電子設(shè)備用導(dǎo)電塑料的市場用量，據(jù)一份日文資料顯示，日本1996年用于便攜電子機(jī)器(筆記本電腦、手機(jī)等)的工程塑料為3500t，約為20億日元。目前對于上述產(chǎn)品的emi屏蔽對策一般是采用無電解鍍、高頻離子電鍍、導(dǎo)電涂料、導(dǎo)電塑料，其表面加工費(fèi)用的水平分別為：40億日元、26億日元、3億日元、2

9、億日元。芬蘭的premix公司導(dǎo)電塑料生產(chǎn)量約為200ta，據(jù)稱在歐洲占有很大的市場份額。在碳系填充的品種中用量較大的是用于中、高壓電纜的半導(dǎo)電層屏蔽料，國內(nèi)的市場需求約為數(shù)千噸，其中高壓電纜料基本依靠進(jìn)口。國內(nèi)碳系填充導(dǎo)電塑料業(yè)已形成工業(yè)化生產(chǎn)，但在品種、質(zhì)量穩(wěn)定性等方面與國外有較大差距。特別是與集成電路相關(guān)的導(dǎo)電塑料的工業(yè)化生產(chǎn)基本空白。目前使用的材料大部分為進(jìn)口。 3、金屬填充型 這類導(dǎo)電塑料主要用于電磁波屏蔽場合。近年來由于集成電路和大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化電子機(jī)器已從工業(yè)用向民用品發(fā)展。為了提高處理能力，使用的電子線路和元件越來越集成微型化、高速化，其信號水平減小，這使從外部

10、侵入的電磁波與控制信號相接近。此外，電子設(shè)備也向外放射電磁波，因此很容易造成電子機(jī)器的誤動作、圖象和聲音干擾。進(jìn)入80年代，電子機(jī)器的殼體大多采用塑料材料代替金屬。這是由于塑料作為殼體具有質(zhì)輕且強(qiáng)度高、耐腐蝕、易加工、生產(chǎn)效率高、總成本低等優(yōu)點(diǎn)。但是，塑料是絕緣體，對于電磁波來說，完全可以透過。因此，賦予塑料殼體電磁波屏蔽能力就成為一個有待研究的十分迫切的課題。目前，具體實(shí)施的屏蔽方法很多，大致分為在塑料表面形成導(dǎo)電層的方法和將導(dǎo)電性填料混入到塑料中制成導(dǎo)電塑料的方法兩種。不同的屏蔽方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，以往應(yīng)用較多的是鋅噴鍍和導(dǎo)電涂料法。近年來，導(dǎo)電塑料法引起了人們的興趣，這方面的研究

11、報道很多，這是由于導(dǎo)電塑料法具有3個顯著的優(yōu)點(diǎn)：無需二次加工；屏蔽性與成型制品一次完成(省力、經(jīng)濟(jì))；在長期使用過程中(如震動、濕熱環(huán)境因素下)安全、可靠，不會像表面法那樣產(chǎn)生剝離和脫落現(xiàn)象。 emi屏蔽塑料多以各種工程塑料為基材，使用的金屬填料主要是不銹鋼纖維，也有的使用黃銅短纖維、鋁片、鎳?yán)w維等。制成品的體積電阻為10-1-10-3?cm，電磁波屏蔽效果為30-60分貝。碳纖維、特種導(dǎo)電炭黑雖然不是金屬填料，但其制成品也可在電磁波屏蔽場合應(yīng)用。當(dāng)一些制品在比較苛刻的使用環(huán)境中要求具有強(qiáng)度高、體積輕、壁薄、注射成型易流動等特點(diǎn)時，就要采用碳纖維填充的材料，目前市售的高檔筆記本電腦、手機(jī)殼體材

12、料即是采用碳纖維填充的pcabs合金。 黃銅短纖維填充的復(fù)合體系具有優(yōu)異的電磁波屏蔽效果，卻難以滿足實(shí)用化提出的阻燃、低比重、良好的制品外觀等要求；鎳及鍍鎳石墨纖維雖也具有優(yōu)異的電性能，但由于價格昂貴而限制了其使用性；碳纖維、特種導(dǎo)電炭黑填充的復(fù)合體系屏蔽效果較差，適用性受到限制；不銹鋼纖維的直徑一般為610m，填加10左右即可滿足實(shí)際應(yīng)用中要求的電性能，由于填加量少，因此對復(fù)合體系的物理機(jī)械性能影響較小，是理想的emi屏蔽塑料填充材料。 國外金屬填充型導(dǎo)電塑料已形成工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模，這類材料的價格較為昂貴。國內(nèi)只有北京市化工研究院、中山大學(xué)、中科院、成都科技大等少數(shù)幾個單位對此開展了研究，但均沒有工業(yè)化生產(chǎn)。三、發(fā)展展望 高分子材料代替金屬材料是今后材料學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。由此帶來導(dǎo)電性聚合物的市場需求日益增長，其應(yīng)用領(lǐng)域逐步擴(kuò)大，這就必然對導(dǎo)電性聚合物提出更高的要求。對于結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電性聚合物來說，要想進(jìn)一步實(shí)用化，必須解決目前存在的下述主要問題： (1)穩(wěn)定性欠缺 導(dǎo)電性高分子中的氧原子對水是極不穩(wěn)定的，這是防礙其實(shí)用化的最大問題。 (2)摻雜劑多是有毒的 如asf5、i2、br2等。 (3)成型困難 導(dǎo)電聚合物主鏈中的共軛結(jié)構(gòu)