抗静电

静电消散材料的最新进展

Michel Biron

介绍

抗静电及静电放电（ESD）方法

静电消散材料在包装业中的应用

静电消散材料在汽车工业中的应用

静电消散材料在电子电器中的应用

静电消散材料在爆炸性环境中的应用

通过其他方法进行的许多其他应用

结论

一、介绍

许多聚合物都是具有绝缘性的。静电的储存与释放是广泛存在的，而且会导致大量的多种多样的严重问题。这些问题有的是微小的，但是有的是非常严重甚至是致命的：

?在市场流通、使用以及加工过程中存在的灰尘以及其他污染黏附物，尤其是在薄膜等塑料连续加工过程中所存在的上述物质。

?当与塑料部分接触时的静电储存与释放：人造地毯、旋钮、汽车手柄；电子制造，处理和修理。

?涂料缺陷。

?易燃或爆炸性环境的火灾或爆炸，精细有机粉末，溶剂等等：粉末类有机材料的包装，汽车燃料线路的静电释放所导致的失火，飞机、医疗中心、开放剧院、涂料商店受到的闪电和干扰……

产品的抗静电性能以及静电的储存与释放（见图“静电消散材料的表面电阻系数”）是由该部分的表面电阻系数所决定的。通常来讲，抗静电或静电释放聚合物：

?表面电阻系数在105或106到1012欧姆之间。

?通常而言静电释放的半衰期低于60秒。

静电消散材料的表面电阻系数

二、抗静电和静电释放（ESD）方法

关于聚合物材料的抗静电和静电释放是一个困难的问题。在国际上并没有通用的方法，但是却在使用多种方法，有时是不同方法联用以达到抗静电和静电释放的目的。让我们引述几种用于将静电储存量最小化的路线（见图“非本征和本征型抗静电聚合物”）：

?选择一种即用型抗静电或静电释放类聚合物

?向传统聚合物中添加抗静电成分：

o有机类未掺杂炭黑类添加剂

o导电填料：炭黑，碳纤维以及钢纤维，石墨，碳纳米管

?与本身具有静电消散或传导能力的聚合物制成的合金

?使用具有暂时或永久性的外在抗静电能力的涂料

有许多添加剂是为人们所熟知的，但是人们仍然在不断努力研发来开辟新的路线来获得更好的性能。人们已经通过深入性的研究工作获得了更具有创新性的解决方案，例如，未掺杂炭黑的互穿网络体系，碳纳米管，微米级或纳米级的导电纤维，金属纳米粉末，具有固有静电释放或导电性能的聚合物（Inherently Dissipative or Conductive Polymers，IDP 或ICT）等等。自然界中本身存在或是由人工合成的一些聚合物是具有固有抗静电性质的，例如，棉花、木材纤维、聚酰胺11或聚酰胺22以及一些其他聚合物。

非本征和本征型抗静电聚合物

下述的检测例子都仅仅是教材上面的例子，并且要由读者根据自己应用情况下的问题、要求和规则来核实这个信息的适宜性。这个目录并没有穷尽所有的情况而且许多其他的应用情况正在不断的发展和研究当中。

三、静电消散材料在包装业中的应用

精细有机粉末、溶剂、电子包装以及火药包装的使用者们知道由静电释放所引起的危险，这些危险包括爆炸或者火灾以及对于电子芯片和设备造成的损害。

现有的防止上述危险的标准解决方法包括使用炭黑和涂料。有的方法只能在潮湿的环境中才能发挥作用，但是加工、传输以及维修链的环境并不总是潮湿的。炭黑对于湿度是没有依赖性的，但是却会对改性聚合物的机械性能产生负面的影响。运输箱或者运输设备将会变得易碎从而降低了它们的使用寿命。洗涤或摩擦会使炭黑减少，这将会导致静电释放的保护效果降低以及导电微粒的释放。而这些则会造成污染，交叉污染以及电子设备的短路问题。最后，零件是灰色或者黑色的而非彩色编码，因而可以更好的区分不同类别的产品线。由于新的可着色、具有永久性、无迁移、以及不受湿度影响的静电消散添加剂的产生，现在产生了许多新的解决方案。

具有可着色、永久性、无迁移、以及不受湿度影响特性的静电消散添加剂的两个突破实例：

汽巴精化投放到市场的IRGASTAT P抗静电添加剂

杜邦公司投放到市场的新品级的Entira Antistatic添加剂

?汽巴精化IRGASTAT P系列

IRGASTAT P系列是基于汽巴精化公司的专利技术而产生的一类未掺杂炭黑的抗静电添加剂，由于其独特的诱导性而成为一项重要的突破：抗静电性能的环境湿度非依赖性，持久性，无迁移性以及宽泛的着色可能性。在IRGASTAT P系列中的几种级别的产品中进行适当的选择可以达到对多种塑料的静电释放（ESD）保护（见表1）。

表1: 具有可着色性、永久性、无迁移性以及不依赖于湿度特性的解决方案实例

汽巴精化公司声称IRGASTAT P16、18、20、22型持久性抗静电添加剂可以为含这些物质的最终商品一直提供绝对可靠的软放电过程。软放电作用被认为是另外的一个优点，因为软放电作用可以避免接地情况时产生的意外静电释放（ESD）作用。针对炭黑可以使用别的颜色来进行颜色编码因而可以更好的区分不同的产品线。由于该类物质对材料的机械性能影响小，因而不影响运输箱的使用持久力，其使用持久力与标准的塑料包装箱类似。这类改性塑料是可以洗涤的，并且不会生锈和脱蚀。

?杜邦公司Entira Antistatic添加剂

杜邦公司包装和工业聚合物部门声称新增了两类杜邦Entira持久型抗静电添加剂――Entira Antistat SD 100 和Entira Antistat 500。这些新增的添加剂可以确保持久的抗静电和静电消散效果的同时，使得材料具有审美效果、透明性、不变黄性和无尘保护的效果以满足多种包装材料的要求。要求具有上述性能的包装材料包括：化妆品用、工业产品用以及敏感电子器件用包装材料。杜邦公司称，与其他常见的静电消散产品相比，Entira Antistat SD 100 和Entira Antistat 500具有许多独特的优点。常用的静电消散剂常常集中在产品的表面并且会由于摩擦、喷淋或者老化问题而磨损掉。与这些传统方法不同的是，新的Entira Antistat产品可以直接集成到产品当中从而立即产生持久的抗静电作用并且使得产品表面光滑透明以便更好的粘结和印刷。它们还可以防止产品由于老化而变黄，可以在离散层中使用而不会向其他层中迁移并且可以将静电储存量最小化。Entira?Antistat SD 100 and Entira Antistat 500可以添加到电子包装材料中以防止损害设备的电火花的产生。并且这类产品也通过充分的认证，因而可以在食品中使用以保证密封性，从而将灰尘的污染最小化。

用于爆炸防护区域的一种性能优异的滚筒

拜耳材料科技公司以及Schutz GmbH和KgaA AG公司使用Baytubes碳纳米管（CNTs）设计出了第一款由纳米微粒进行电传导的塑料运输滚筒F1-EX-Nano（见图“抗静电-F1-EX-纳米滚筒”）。人们期望将其用于爆炸防护区域。

碳纳米管（CNTs）优异的电子传导性能使得制造绝缘类塑料的材料消耗量降低，并且可以防止由于静电充电作用造成的溶剂和油类等易燃货物的点火问题。即使碳纳米管的浓度很低，他们依然可以使得滚筒具有良好的静电性。此外，它们提高了滚筒的低温冲击强度和耐化学腐蚀性。聚乙烯滚筒是由三层薄膜吹塑成型的，并且在其最外面的薄层中含有Baytubes。碳纳米管除了可以提供良好的导电性能之外还可以提高F1-EX-Nano滚筒的机械性能。

抗静电-F1-EX-纳米滚筒

四、静电消散材料在汽车工业中的应用

燃料是容易着火的并且会导致火灾或爆炸。举例来说，在日本，2001年4月到2002年6月产生的8场火灾都是由于在汽油加油站人们通过静电荷将燃料点燃所引起的。每年在德国都会有两起这样的火灾发生。人们考虑使用许多措施来减少上述风险，这些措施包括使用具有抗静电作用的燃料生产线、坐席、门把手以及其他零部件。

考虑使用Cabot的炭黑母料以获得一流的塑料导电性

炭黑母料的使用可以获得一流的塑料导电性，但是与此同时也可能导致材料端部机械性能的缺陷。例如，Cabot公司提出了几种用于多种塑料产品中的母料（见表2）。

表2: 炭黑母料实例

?考虑使用Arkema公司的燃料生产导电系统以使得燃料生产线更为安全

Arkema公司新产生的Rilsan PA12燃料生产线Rilperm5041可以满足福特汽车公司对于含乙醇的燃料的新的规范。福特公司之所以选择使用Rilperm5041，是由于其具有优异的阻隔性、机械性能以及静电消散性。而这些性质是由于Rilperm5041中的专利部分――PA12导电内层所产生的。PA12内层可以减少燃料系统中的瞬间放电点火的可能性，从而增加了乘客的安全性。

遵循同样的过程，Fraenkische为投放到市场的汽车导电燃料线路选择使用Arkema公司的PA11以保证终端使用者的安全。Rilsan PA11的使用使得这些新的燃料线路满足SAE J1645汽车标准对于通过抑制瞬间放电点火以增加乘客安全以及降低事故风险的要求。通用汽车已经在其近来的北美汽车模型中，使用这些新型的导电模式取代了绝缘的燃料泵模式。另外，Rilsan PA11是具有生物源性质的。

?考虑使用拜耳公司的Baytubes以使得燃料线路和其他抗静电零件更为安全

拜耳材料科技公司提出使用它们的Baytubes碳纳米管（CNTs）来保证多种塑料的抗静电性或静电消散性。这些塑料多用于燃料系统部件和燃料线路（连接器、泵的零件、O形密封环、细管）生产以及作为使用静电涂料的外部零部件（挡泥板、散热器架、燃料箱盖）。拜耳公司称该类物质可以更好的平衡炭黑的性质，并且使得大型的零部件更易加工还有着更高的空间稳定性。

五、静电消散材料在电子电器中的应用

从炭黑到成本昂贵的本征型静电消散聚合物（inherently dissipative polymers，IDPs）以及本征型导电聚合物（inherently conductive polymers，IDPs），一套完整的解决方案根据终端要求而应用在电子电器行业当中。举例来说，Premix Oy的附属公司Premix Thermoplastics Inc.，在这样同一家公司内就可以通过具有“可控电阻”水平的一系列电子传导类热塑性聚合物提供几乎

所有的解决方法。使用者可以指定包括PRE-ELEC在内的新型化合物来满足特定应用领域中对于电阻系数范围（体积或表面积）的要求。最常见的电阻容积范围是106-109Ω·cm，然而Premix 可以生产实际电阻范围在1-1011Ω·cm的含炭黑类聚合物，电阻范围在103-1011 ohm/square 的本征型导电聚合物（inherently conductive polymer ，ICPs）合金，以及电阻范围在106-1012 ohm/square的本征型静电消散聚合物（inherently dissipative polymer ，IDPs）合金。

例如，Premix引入了一种离子清洁型聚丙烯静电消散聚合物，该类物质可以用于注塑模压封装、吹塑成型和挤出成型的产品中，以及超清洁材料所用的真空吸塑盘架中。最初为硬盘驱动器行业设计的这类产品满足了典型应用中对于严格的清洁标准的要求。Premix Thermoplastics公司称PRE-ELEC? ESD 5500产品具有非常低的离子含量，释气值以及非挥发性残留（non-volatile residue，NVR）值。另外，材料具有优异的电学性能并且可以满足针对紧密包装材料的EOS/ESD S20.20-1999和IEC 61340-5-1标准。即使在低相对湿度的环境中，表面电阻系数也可以达到108-109欧姆。这就保证了材料持久的静电消散性能。静电释放化合物是透明可着色的。

六、静电消散材料在爆炸性环境中的应用

ATEX指令是对用于有潜在爆炸可能性环境中的设备和保护系统的规定。为了满足这些苛刻的要求，RTP公司已经宣布将名为PERMASTAT的一类专用导电化合物投放到了市场当中，这类化

合物所使用的方法包括抗静电、静电消散以及传导静电三种：

?IDPs：表面电阻系数在107-108欧姆之间，可着色

?炭黑：表面电阻系数在103-107欧姆之间，黑色

?碳纳米管：表面电阻系数在103-106欧姆之间，黑色

?ICP：表面电阻系数在105-108欧姆之间，暗色

?碳纤维：表面电阻系数在102-106欧姆之间，只有某些颜色

?金属及金属包覆材料：表面电阻系数在100-104欧姆之间，有许多颜色

七、通过其他方法进行的许多其他应用

人们研究和使用许多其他的方法来解决普通的和特殊的问题，某些具体的例子如下：

?抗静电发泡淀粉

?类似于Fasalex的可再生能源中的抗静电聚合物

?抗静电PEBA

?亲水性聚合物

?本征型电敏感聚合物，例如

o掺杂了聚苯乙烯磺酸（polystyrene sulfonate，PSS）的聚乙撑二氧噻吩PEDT （PEDT/PSS）

o聚3-己基噻吩（Poly(3-hexylthiophene)）

o聚乙烯基-二氧噻吩（Poly(ethylene-dioxythiophene)）或PEDT

o聚对苯撑乙烯（Poly(phenylene vinylene)）

o聚苯胺（Polyaniline）

o聚芳醚（Polyarylene）

o聚吡咯（Polypyrrole）

o聚螺双芴（Polyspirobifluorene）

o聚噻吩（Polythiophene）等等

?金属（纳米）粉末

?钛酸盐和锆酸盐抗静电剂

?Zonyl含氟聚合物等等...

八、结论

绝缘聚合物的经典储存和释放作用将会或多或少导致一些严重的甚至是致命的问题。这些问题包括灰尘和其他污染以及电子故障、涂料缺陷、某些部分的失火或爆炸。而这些问题所涉及的行业包括包装、电子电器、航空、医疗护理以及涂料...

一些天然的或者人工合成的聚合物本身就具有抗静电的作用，例如，棉花、木材纤维、聚酰胺11或聚酰胺22，发泡淀粉、Fasalex、亲水性聚合物等等。幸运的是，多种多样的抗静电、静电消散以及导电的方法可以解决这些问题，与此同时，这些方法可以考虑到应用的方便性、技术要求、安全特征、经济以及环境的限制要求等。

在将静电储存最小化的几种方法当中，最简单的一种是选择即用型抗静电或静电释放类聚合物。但是向传统的聚合物中加入导电材料是更为方便自由的。这些导电材料包括炭黑、碳纳米管、金

属（纳米）粉末、有机未掺杂炭黑的抗静电添加剂。最后，可以将标准的聚合物与本身即具有静电消散性或导电性的聚合物（IDPs和ICPs）一起制成合金。

参考文献

技术类书籍和指南、论文、网址：ALA Chemicals, Akcros Chemicals, Ampacet, Arkema, Baerlocher, BASF, Bayer, BP, Cabot, Chemax Group, Chrostiki, Ciba Specialty Chemicals, Clariant, Cognis, Colortech, Crompton, Crompton-Witco, Degussa-Goldschmidt, DuPont, Eckart Poudmet, Graphit Kropfmuehl GmbH, Kuraray, Lehmann & Voos, MG Chemicals, Mitsui, Nanophase Technologies, Nissan Chemical, Orion, Precision Painting, Premix, Rhodia, Rohm & Haas, RTP, Schlegel BvBa, Schulman, Shin Etsu, Stepan, Struktol, Teknor Apex, Ticona, TITK, Uniqema...