第1章　抗静电、导电塑料的配方与应用

1.1　概述

1.1.1　抗静电、导电高分子材料的功能

聚合物材料因具有优良的电绝缘性能而广泛应用于国民经济和日常生活的各个领域。通常情况下绝大多数的高分子材料体积电阻率一般在 1012～1017Ω·cm。然而，聚合物材料的高电阻率往往使其在加工和使用过程中容易产生静电积累，从而造成静电吸尘乃至静电放电等不良现象。塑料电绝缘性在应用中可能产生静电积累，进而发生静电泄漏（ESD）、电磁波干扰（EMI）和射频干扰（RFI）。塑料制品静电积累在日常生活中造成灰尘及其他污物吸附；接触纤维毯和塑料手柄时，产生电击不适感，引起易燃品发生静电火灾或爆炸；电视及计算机、通信等信号干扰。由于静电产生的电磁波和射频干扰甚至会影响航空领域的导航系统、医疗监控仪器信号失真等，因此，对于具有抗静电功能的聚合物材料的研究已引起人们的高度重视。聚合物基导电复合材料的种类及用途见表1-1。

按聚合物本身能否提供载流子，导电高分子材料可分为两大类。一类是高分子本身具有导电性，或经掺杂后具有导电功能的材料，称为结构型导电高分子材料，例如聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩。一些结构型导电高分子掺杂后的导电性能可以接近于导电金属。导电聚合物可制成发光二极管、场效应管等电子器件、电磁屏蔽材料、电池及导电材料、高灵敏度化学传感器、超大型电视屏幕、隐身涂料、防腐性材料、抗静电的摄影胶片等。然而，导电高分子本身刚性大、难熔、成型困难、稳定性差、重复性差、成本较高，且掺杂剂多数是毒性大、腐蚀性强的物质，因此其使用价值还很有限。

另一类是以高分子材料为基体，在加工成型阶段添加抗静电剂、炭黑、金属粉、金属氧化物等导电填料，形成具有导电性的多相复合体系，称为复合型导电高分子材料。填料的用量、填料的几何特征（形状、长径比、尺寸分布等）以及填料的本征电导率都对复合材料的电学性能有至关重要的作用。复合型导电高分子材料可在较大范围内调节电学性能和力学性能，成本较低，易于成型和大规模生产，已经广泛应用于防静电、微波吸收、电磁屏蔽及电化学等领域。

根据 GB 12158—2006《防止静电事故通用导则》和GJB 3007—1997《防静电工作区技术要求》，抗静电材料是指表面电阻率在109～1012Ω的材料。目前抗静电聚合物制备技术主要有3种：①表面涂覆，在聚合物表面喷涂抗静电剂制备抗静电聚合物；②采用抗静电剂、无机导电填料与聚合物共混制备抗静电聚合物；③通过共聚合的方式，对聚合物的大分子结构进行修饰，在分子结构中引入抗静电基团制备抗静电聚合物。

高性能导电复合材料的主要目标是在提高导电性能的前提下，尽量降低导电填料用量，提高力学性能、成型加工性能和其他性能，实现复合材料的多功能化。在新品种开发方面，一方面是开发新型导电填料，其中低维导电填料如针状单晶、晶须等是今后发展的重点方向之一；另一方面是开发复合材料新品种，多组分聚合物共混体系、新型导电填料复合体系是今后重点发展的方向。应用探索包括成型工艺、新的成型方法和材料的器件化。成型工艺主要研究填料的表面处理、混合分散和成型工艺条件，探索新的成型方法。

1.1.2　抗静电、导电填料的分类

（1）普通型抗静电材料　普通型抗静电材料是添加抗静电剂到高分子材料当中，形成抗静电效果。这些抗静电剂大多是表面活性剂类，具有表面活性剂特征结构的有机物质，或（亲水性好）水溶性高分子物质。抗静电剂按分子中的亲水基能否电离可分为非离子型、阳离子型、阴离子型和两性型。其中阳离子型抗静电剂的抗静电性能优异，但耐热性能较差，而且对皮肤有害，因此一般作为外部涂敷；阴离子型抗静电剂的耐热性和抗静电效果都比较好，但与树脂的相容性较差，并且对产品的透明性有影响；非离子型抗静电剂的相容性和耐热性能良好，对制品的物理性能无不良影响，但用量较大；两性型的最大特点是既能与阳离子型抗静电剂又能与阴离子型抗静电剂配合使用，抗静电效果类似于阳离子型抗静电剂，但耐热性能不如非离子型抗静电剂。普通表面活性剂类抗静电剂种类见表1-2。

（2）永久性抗静电材料　永久性抗静电材料是添加或涂覆永久抗静电剂的材料，永久抗静电剂为含—COONa、—SO3Na、—OCH2CH3、—PO［N（OH3）2］2、—CONH2、—SO3H、—COOH、—N（OH3）2等官能团的乙烯基聚合物。用各种亲水性聚合物与高分子基体共混，使其具有永久抗静电性能。其主要特征是不影响包装材料本身的耐热性和力学性能，适用面广，且在高分子材料中具有较好的分散效果。目前常用的永久性抗静电剂大多为聚氧化乙烯（PEO）的共聚物、聚乙二醇体系聚酰胺或聚醚酰胺、环氧乙烷环氧丙烷共聚物以及含有季铵盐基团的甲基丙烯酸酯类共聚物等，主要品种见表1-3。

法国阿科玛公司生产的Pebax MH2030和Pebax MV2080 是两种用途广泛的高分子型抗静电剂，可使制品的电阻降低至107Ω。它们均是由一种具有特殊结构的聚醚链段基于聚酰胺基础上合成的永久性抗静电剂，在制品里不会迁移，低湿度环境仍可保持抗静电效果，可立即发挥作用、热稳定性好、耐化学性好，可用于PA、ABS、PVC、PE、PP、聚碳酸酯（PC）、高抗冲击性聚苯乙烯（HIPS）、聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）、聚甲醛（POM）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）等制品中。

德国拜尔（Bayer）公司研制开发出的聚噻吩衍生物——聚二氧乙基噻吩即 PEDOT 是新一代导电高分子的代表产品，体积电导率>102S/cm。该产品用于塑料材料后，可获得高效持久的抗静电性能，且涂层不受外界条件的影响，耐水洗和有机溶剂。

德国巴斯夫公司生产的 Irgastat P18和P22是以聚酰胺和聚醚受阻胺为基础合成的可熔性永久抗静电剂，适用于加工温度低于220℃的塑料制品。这两种产品均可用于食品包装，并且都获得了美国食品药品管理局（FDA）认证，可应用于 PP、PVC、PS、PE、ABS、PS/ABS 和热塑性聚氨酯弹性体橡胶（TPU）等多种树脂品，添加量（以质量分数计）5%～15%。　

日本COLCOAT 株式会社的COLCOAT N-103X系列产品为硅氧烷系列防带电剂，该抗静电剂表面抗伤性、耐磨耗性、耐气候性、黏合性都较好，水洗仍能保持抗静电效果，涂布在亚克力树脂、聚苯乙烯树脂、多元碳酸酯树脂等制品表面时可增加2%～3%的光线透过率，环保，不含任何有害物质。

芬兰Panipol 公司生产研制的聚苯胺高分子导电液可用于PET、PVC等塑料基材表面的涂覆，表面电阻率可低至106～109Ω，该高分子导电液也可用于导电油墨、漆料及黏结剂等。

（3）无机填充抗静电材料　无机填充抗静电材料种类繁多，主要有碳系、金属系、金属氧化物系等。不同的导电填料可以和塑料等绝缘体混合后获得不同的导电性能，各类导电填料的性能特点见表1-4。炭黑填充制成的复合型导电高分子是目前用途最广、用量最大的导电材料，尤其是作为抗静电材料及电磁波屏蔽材料。影响炭黑导电性能的因素较多，主要有炭黑的粒径、结构、表面状态等因素。炭黑类包括工业炉黑、槽黑、热裂黑及石墨化炭黑、乙炔黑等特殊导电性炭黑，其中用得最多的是工业炭黑，分别是乙炔炭黑和高温石墨化炭黑等。碳纤维（CF）是一种高强度、高模量的高分子材料，不仅具有导电性，而且综合性能良好，与其他导电填料相比，具有密度小（1.5～2.0g/cm3）、力学性能好、材料导电性能持久等优点。现在在CF表面电镀金属已获成功，金属主要指纯钢和纯镍，其特点是镀层均匀而牢固，与树脂粘接好。镀金属的CF比一般碳纤维导电性能可提高50～100倍，可大大减少CF的添加量。虽然CF价格昂贵，限制了其优异性能的推广，但仍有广泛用途。日本小西六公司生产的CE220是20%导电CF填充的共聚甲醛，其导电性能良好，机械强度高，耐磨性能好，在对抗静电、导电性及强度要求高的场合得到了应用，如静电复印机的低强导辊、音响器材、盒式磁带导辊等方面。

另外，目前碳纳米管、石墨烯以其优异的力学、电学和光学性能，巨大的潜在应用价值得到全球科学家的广泛关注。