聚合物及電性能表現(xiàn) – ESD聚合物的防靜電方案

1、2004年6月22日 聚合物及電性能表現(xiàn) ESD聚合物的防靜電方案Michel Biron 簡介 問題何在？ 弊端何在？ 抗靜電戰(zhàn)略 簡易解決方案：特種塑料 抗靜電添加劑 母料新突破 導電性填充料和添加劑 總結 簡介靜電現(xiàn)象衆(zhòng)所周知，例如： 頭髮在塑料梳子梳理後豎立。 脫下合成纖維材料製成的衣服時出現(xiàn)火花。 轎車長時間運行後接觸手柄時出現(xiàn)放電現(xiàn)象。 吸塵機外管壁積聚灰塵。 電視屏幕積聚灰塵。 電視和無線電干擾 此外，還有一些現(xiàn)象鮮爲人知，而這些現(xiàn)象往往由於靜電放電導致火花而引起火災或爆炸等十分嚴重的後果。 問題何在？ 從單一原因看，會出現(xiàn)數(shù)種明顯結果： 導電性或絕緣性。 靜電積聚。 靜電放電。

2、 電磁干擾 (EMI) 無線電頻率干擾 (RFI) 單一原因：物質由帶電荷的粒子組成。電子帶一個負電荷，質子帶一個正電荷。每一個原子的負電荷和正電荷都是平衡的。但是，由於材料不同，某些電子之間的靠近度和可移動度不盡相同，導致材料的導電性能或絕緣性能也不盡相同。如果一種高絕緣材料與一種低絕緣材料相互接觸，低絕緣材料中所含的可移動性電子會遊歷並在絕絕體上形成一個負電荷。這一現(xiàn)象就是靜電積聚現(xiàn)象。如果一種帶負電荷的材料與一種低絕緣材料（或高導電材料）接觸，會導致附加電子轉移，再次恢復中性。這一現(xiàn)象成爲靜電放電（ ESD ）現(xiàn)象。 圖一: 靜電積聚及靜電放電的原理抗靜電特性可通過以下方式評定： 目測法

3、（按 ASTM D2741 規(guī)定）：將塑料樣品暴露於碳氫化合物和濕潤紙一起燃燒時産生的煙霧之中。 表面電阻係數(shù)測試（如 ASTM D257 ）。 樣品在特定條件下接受電暈處理後，進行靜電放電衰減。 靜電積聚和放電由部件的表面電阻係數(shù)決定。一般來說，耗散性聚合物或 ESD 聚合物具有以下特點： 表面電阻係數(shù)處於105 或 106 或 1012 歐姆的範圍。 靜電放電半衰期一般不足 60 秒。圖二: 靜電放電半衰期與其他材料在電阻係數(shù)的比較EMI 和RFI 因與 ESD 相同。隨著電腦、電話、電視和其它模塑電子器材的快速發(fā)展，這一問題更加突出。弊端何在？上述問題嚴重程度不盡相同： 積聚灰塵和其它污

4、染物，導致銷售、應用和加工問題。 接觸合成地毯、旋鈕、車把等塑料部件時，出現(xiàn)靜電積聚或靜電放電現(xiàn)象 導致塗料缺陷。 有機粉料在易燃易爆環(huán)境中容易導致火災或爆炸 造成電視、無線電、電子干擾。靜電積聚和靜電放電在以下情形中十分常見： 連續(xù)加工塑料薄膜等塑料製品 電子産品生産、輸送和維修。 電子産品應用。 粉塵性有機材料包裝。 航空領域：雷電和干擾。 汽車領域：燃油管路出現(xiàn)靜電放電，導致火災。 易燃易爆環(huán)境：保健、手術室和油漆車間 潔淨室應用 爲保護電子元件免受干擾，通常採用由導電性較高的材料製成 EMI 和 RFI 屏蔽層?？轨o電戰(zhàn)略上述問題難於解決，不存在統(tǒng)一的解決方案。但是，可通過多種途徑予以

5、解決。通過以下方式可儘量避免靜電積聚： 選用抗靜電級材料。 在傳統(tǒng)塑料品級中添加抗靜電劑： o 有機非黑色添加劑。 o 導電性填充料：碳黑、纖維、石墨和納米碳管。 塗布永久導電表層。 採用臨時外部抗靜電劑。簡易解決方案：特種塑料塑料廠商和配混商銷售多類特種抗靜電塑料，如： 通用塑料，例如： PS 和 PP 工程塑料，例如： ABS 、PA 6/6 、PA 6 、PC 、POM 、PBT 、PPO、PPS 特種塑料，例如： PEI 和 PEEK 合金塑料，例如： PC/PMMA 和 PC/ABS 品級來說，其特性和流變性可能與標準品級略有不同（如表 1所示）。 這是最簡易的解決方案。 靜電放電級

6、（ESD)標準級電阻係數(shù)（歐姆） 6*10114*1014熔體指數(shù)（ 220C, 10公斤），克/10分2516HDT A (1.8 MPa), C8483缺口伊佐德， 23，千焦 / 平方米2123缺口伊佐德，-40，千焦 / 平方米57彎曲應力， MPa4146熱塑性彈體（ TPE ）體積電阻係數(shù)，歐姆 - 釐米103 - 109表面電阻係數(shù)，歐姆/平方106- 1011比重1.02拉伸強度， MPa2斷裂拉長率， %300硬度，肖氏硬度65表 1: ESD級和標準級 ABS 特性舉例抗靜電添加劑非黑色抗靜電劑使用的時間已相當長，但是，其作用取決於濕度。 H2Stat （由 Teknor

7、Apex 公司生産）等新一代産品已投放市場。該類産品可克服上述弊端，濕度低至 15% 時，效率極高。 有機非黑色添加劑兩親型抗靜電添加劑包括脂肪酸酯，其作用原理如圖 3 所示。其中： 親脂段是一段親聚合物的-CH2-長鏈。 親水端鏈具有酯的作用，會吸引環(huán)境中存在的水或水氣。 如果環(huán)境中水分充沛，分子中親水端吸入的水氣會在塑料表面形成一薄層導電薄膜。如果環(huán)境中水分含量過低，則不會形成足夠的抗靜電能力?？轨o電劑按受控速率緩慢移動到表面，以維持持久的導電性能。圖三: 兩襯性防靜電添加劑的原理聚合物中的添加劑用量一般在低於 1% 至數(shù)個百分比之間?？轨o電添加劑通常包括： 烷基磺酸鹽 酰胺 胺 酯 酯

8、- 胺 季胺鹽 脂肪酸皂同一分子中可結合多種化學功能。市場上有不少專利型的防靜電添加劑，表二顯示了一些例子 Akzo Nobel Arquad 12-50Akzo Nobel-Akcros Chemicals Lankrostat 0-600 ALA Chemicals ALA Ethylan L-3 Baerlocher Baerostat 318 S BASFLarostat 264 A anhydrous BayerStatexan K1Chemax Group Chemstat 106G-60DC Ciba Specialty Chemicals Irgastat P 18, P22

9、Clariant Activex 350 Cognis Dehydat 10 PE 40 Colortech 10129 -12 Crompton Niax Antistat AT-21 Crompton-Witco Kenamide W-40 Degussa-Goldschmidt Tegomer 994 S Nissan Chemical Aluminasol 100 Rhodia Alkamuls GMR-55-LGRohm & HaasADVALUBEStepan Zelec NE Release Agent Struktol Struktol TR 151Teknor ApexH2S

10、tatUniqema Atmer 122, 125, 129, 154, 163, 169, 190,191, 261, 263, AS 290G, 990, 1012, 1013, 1018, 7001, 7002, 7003, 7023, 7103, 7202, 7300, 7306, 7325 表二: 防靜電劑例子可能的相容性AbsAcrylicCAPAPCPSPVCPET, PBT+ +胺胺胺胺胺酯 - 胺胺酯 - 胺+烷基磺酸鹽烷基磺酸鹽烷基磺酸鹽烷基磺酸鹽烷基磺酸鹽烷基磺酸鹽烷基磺酸鹽+酯酯酯酯表三: 防靜電家族與塑料家族可能的相容性 母料新突破由於技術優(yōu)勢和便於使用等特點，抗靜電

11、母料正經歷著快速發(fā)展?？轨o電母料基於聚烯烴、聚苯乙烯、聚酯、丙烯酸、ABS、聚碳酸酯、尼龍、聚甲醛等。表面電阻係數(shù)一般介於107-108歐姆之間。Ampacet Ampacet 100323 ANSTAT ASCORE AS PE MB HOSTAT 2, 10, 87SKISTAT 10 Cabot Plasadd PE8746, 8747, 8811Cabelec 4701, 4731 Chrostiki Masterad Antistatic AD-100L ClariantCesa-Stat. RTPPermastat E, MSchulmanAntistat masterbatche

12、sViba01161, 01792, 01801, 02593 表四: 防靜電母粒例子導電性填充料和添加劑採用上述解決方案，可生産出大量導電性塑料。這些塑料可作爲導體接收來自其它靜電材料的電子，但是，也具有衆(zhòng)所周知的靜電放電風險。採用合適填充料生産的所有塑料均可用於 ESD 、 EMI 或 RFI屏蔽層： 通用塑料，例如： PS 和 PP 工程塑料，例如： ABS、PA 6/6、PA 6、PC、POM、 PBT、PPO、PPS 特種塑料，例如： PEI 和 PEEK 合金塑料，例如： PC/PMMA 和 PC/ABS. 聚合物來說，難於在填充料突增界限內控制電阻係數(shù)：電阻係數(shù)可能過低，聚合物變

13、得具備導電性。臨時 ESD 塗層 臨時塗層在應用過程中易於磨損和沖毀，往往需要再次塗層，從而對其用途造成了限制。爲此，針對某些用途，可將抗靜電劑添加在洗淨劑中。防靜電劑表面電阻系數(shù)ELEC QN109ELEC AC1010-1011LOVING BS-21011表五: PP, ABS, PVC 塗有防靜電劑的電阻系數(shù)例子總結可通過多種有效途徑，防止聚合物出現(xiàn)靜電積聚、靜電放電、 EMI 、 RFI 導致輕度、嚴重、致命的問題。最常用的方法如下： 採用特級聚合物。 採用如下添加劑： o 抗靜電劑 o 導電填充料。此時，電阻係數(shù)控制較爲困難，會降至過低。 採用臨時塗層或永久塗層。對於成品來說，這是

14、最簡單的解決方案，但是，必須在使用過程中再次塗層。 References:Technical books and guides, papers, websites: ALA Chemicals, Akcros Chemicals, Ampacet, Baerlocher, BASF, Bayer, Cabot, Chemax Group, Chrostiki, Ciba Specialty Chemicals, Clariant, Cognis, Colortech, Crompton, Crompton-Witco, Degussa-Goldschmidt, DuPont, Graphit Kropfmuehl GmbH, MG Chemicals, Nissan Chemical, Orion, Precision Painting, Rhodia, Ro