1.3 导电塑料的类型

导电塑料可分为结构型和复合型两大类。结构型导电塑料在1977年才被发现，它是有机聚合掺杂后的聚乙炔，具有类似金属的电导率。虽然从理论分析可得大量结构性导电塑料，但由于其实际工艺要求十分复杂，制造成本很高，故纯粹的结构型导电塑料至今只有聚氮化硫类，其他许多导电塑料均需采用氧化还原、离子化或电化学等手段进行掺杂之后才能有较高的导电性。较具代表性的结构型导电塑料有聚乙炔、聚对苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚吡啶和聚苯硫醚等多种。还有一种热分解导电塑料，它是把聚酰亚胺或聚丙烯腈在高温下热处理，使之生成与石墨结构相近的物质，从而获得导电性。这些热分解导电塑料的特征无需掺杂处理，故具有优异的稳定性。结构型导电塑料的主要用途是导电材料、蓄电池电极材料、光功能元件及半导体材料，其研究开发主要集中在以下四个方面：（1）具有与金属相同的电导率；（2）在空气中具有稳定的性能；（3）具有多种功能特性；（4）具有良好的加工成型性。

复合型导电塑料由于其制造工艺简单、成本低廉等诸多优点而得到广泛应用，它是由导电性物质与高分子材料复合而成的，故称为复合型导电塑料。

1.3.1 复合型导电塑料的用途

复合型导电塑料的用途主要有四个方面：一是用做电子、电器领域中的防静电材料，可作为集成电路芯片、传感器敏感材料、静电防护外壳、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封装材料、芯片载体材料等；二是用于制作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其结构件；三是用于中高压电缆中使用的半导电屏蔽材料；四是作为电信及电子产品、计算机及自动化控制系统中电气产品的电磁屏蔽外壳的制造材料。

1.3.2 复合型导电塑料的类型

复合型导电塑料的分类有很多种，根据电阻值的不同可分为：半导电体、除静电体、导电体、高导电体；根据导电填料的不同可分为：抗静电剂系、碳系（炭黑、石墨等）、金属系 （各种金属粉末、纤维、片等）；根据其功能不同分为：防静电材料、除静电材料、电极材料、发热体材料、电磁波屏蔽材料。下面主要介绍各种不同填充类型的导电塑料的性能及用途。

1.抗静电型导电塑料

抗静电型导电塑料的优点是制品着色不受限制，目前的主要品种有：聚醚型、季氨盐型、磺酸型和离子型。主要生产厂家有日本的三洋化成、住友精化、住友科学工业、第一工业制药，瑞士的科莱恩，美国的威科和大湖等。国内目前主要有低分子型抗静电剂，代表性的厂家有杭州塑料研究所、北京市化工研究院等。

2.碳系填充型

这一系列的填充物主要是导电炭黑、石墨和碳纤维，制成品的体积电阻率为102～109Ωcm。其中炭黑填充是主流，炭黑填充型导电聚合物之所以被广泛采用，主要是因为导电炭黑的价格最为低廉，且所得产品的导电性持久而稳定。另外，炭黑填充型导电塑料能根据不同的导电性能需求有较大的选择余地，这种导电塑料的电阻值可在102～109Ω之间灵活地根据需要进行调节，因此是理想的抗静电材料和电阻材料。不足之处是它的制成品仅限于黑色，并对材料物理机械性能影响较大，需要相应的配套改性技术。

炭黑填充型导电塑料的主要用途有以下几方面：

（1）应用在与集成电路相关的领域。如集成电路块、场效应管、晶体管等电子元器件，在加工、装配、包装、运输等生产过程中，常常会因震动、摩擦产生的静电而损坏，甚至造成整台机器的报废。这些电子元器件对静电的敏感程度小至100V，大至上万伏不等。几百伏以致上千伏的静电是非常容易产生的，有实验表明：人在低温度环境中的干燥地毯上行走时，可产生5000V的静电，戴着橡胶手套与塑料容器接触时，可产生6000V的静电，即使是不戴手套用手直接与塑料容器接触，也会产生200V的静电。由此可见，在这一领域中防静电、除静电措施非常重要。炭黑填充型导电塑料的电阻值可在102～109Ω间调节，完全可以满足这类材料的防静电、除静电需求。其主要产品有：电子元器件在周转、保管、搬运过程中使用的周转箱、托盘、支架、封装等。

（2）在医疗、煤矿、纺织等洁净、易爆环境。导电塑料在这些场合用做电器设备的外壳或结构件，可有效防止静电的破坏。

（3）在高压电缆和通信电缆领域。近年来，随着用电量的增加，使电缆朝着高压化的方向不断发展。为使制造工程简化，需要新的被覆构造，即用导电塑料做半导电层。这是为了缓和导体表面电位梯度，防止导体与半导体间的部分放电。这类材料的体积电阻率为102～104Ωcm，炭黑填充型导电塑料完全能够满足使用要求。

（4）用于某些特殊发热元件的制作。如面状发热体导电塑料可作为特殊热源使用。这是利用在导电塑料上施加电压，电流通过后电阻产生热量的原理，这类材料的体积电阻率为102～104Ωcm。

在国外，碳系填充型导电塑料已经形成一个十分成熟的市场，较大的生产厂商有美国的卡伯特公司、原联碳公司、GE公司、3M公司等；日本的东芝化学、住友酚醛塑料等。还有东丽、东洋油墨制造、东京油墨、日本合成橡胶、神户制钢所，以及芬兰的PREMIX和韩国的LG公司等较小的生产商。

3.金属填充型导电塑料

金属填充型导电塑料主要用于电磁波屏蔽场合。近年来由于集成电路和大规模集成电路技术的发展，数字化电子机器已从工业用向民用品发展。为了提高处理能力，使用的电子线路和元器件越来越集成微型化、高速化，其信号水平减小，这使得从外部侵入的电磁波与控制信号相接近。此外，电子设备也向外放射电磁波，因此很容易造成电子机器的误动作，以及图像和声音干扰。进入20世纪80年代，电子机器的壳体大多采用塑料材料代替金属。这是由于塑料作为壳体，具有质量轻且强度高、色彩鲜艳、耐腐蚀、易加工、生产效率高及成本低等诸多优点。但是，塑料是绝缘体，对于电磁波来说，完全可以透过。因此，赋予塑料壳体电磁波屏蔽能力就成为一个十分迫切的需求。目前，具体采用的屏蔽方法有很多，大致可分为在塑料表面形成导电层的方法和将导电性填料混入塑料中制成导电塑料的方法两种。不同的屏蔽方法各有其优缺点和适用范围，以往应用较多的是锌喷镀和导电涂料法。近年来，随着导电塑料生产技术的成熟，越来越多的采用导电塑料来制造电子产品的机壳了。这是由于导电塑料具有三个显著的优点：一是无需二次加工，制造工艺简单；二是屏蔽性与成型制品一次完成且成本更低；三是在长期使用过程中（如震动、湿热环境下）安全、可靠，不会像表面法那样易产生剥离和脱落现象。

金属填充型导电塑料多以各种工程塑料为基材，使用的金属填料主要是不锈钢纤维，也有的使用黄铜短纤维、铝片、镍纤维等。制成品的体积电阻率为10-1～10-3Ω·cm，电磁波屏蔽效果为30～60dB。碳纤维、特种导电炭黑虽然不是金属填料，但其制成品也可在电磁波屏蔽场合应用。当一些制品在比较苛刻的使用环境中要求具有强度高、体积轻、壁薄、注塑成型易流动等特点时，就要采用碳纤维填充型导电塑料。目前市场上的高档笔记本电脑、手机壳体材料即是采用碳纤维填充的导电塑料。

国外金属填充型导电塑料已形成工业化生产规模，这类材料的价格较为昂贵。国内只有北京市化工研究院、中山大学、中科院、成都科技大等少数单位对此开展了实验室研究，但离工业化生产应用还有一定距离。

1.3.3 影响复合型导电塑料导电性能的主要因素

影响复合型导电塑料导电性能的主要因素是导电填料的种类和含量。表1.1给出了添加不同种类的纤维及纤维含量对导电塑料的加工性能和屏蔽效能的影响。从表中可以看出，不锈钢纤维的加入量对材料的外观颜色、力学性能、加工性能影响轻微，且达到相同屏蔽效能时所需的添加量最少，但不锈钢纤维对基体树脂的增强作用却不如导电碳纤维及镀镍的导电碳纤维。

图1.3所示为不同类型的填料对聚碳酸酯体积电阻率的影响曲线。从图中可以看出，随着填料含量的增加，材料的体积电阻率降低，电导率增加，并且对于不同的类型的导电填料，当含量达到某一临界值时材料的体积电阻率降速减缓。因此，导电填充物有一上限，并不是越多越好。