導電塑料

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更新時間: 2013-12-12

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導電塑料是將樹脂和導電物質混合,用塑料的加工方式進行加工的功能型高分子材料。主要應用於電子、集成電路包裝、電磁波屏蔽等領域。

導電塑料 -發現
導電塑料導電塑料周轉架

 通常認為塑料導電性極差,因此被用來製作導線的絕緣外套。但最近澳大利亞的研究人員發現,當將一層極薄的金屬膜覆蓋至一層塑料層之上,並藉助離子束將其混入高分子聚合體表面,將可以生成一種價格低、強度高、韌性好且可導電的塑料膜。

取得這一成果的小組由兩位來自澳大利亞昆士蘭大學的專家領導,分別是保羅·麥里迪斯(Paul Meredith)教授和助理教授本·鮑威爾(Ben Powell),以及一位來自新南威爾士大學的專家亞當·米考林(Adam Micolich)教授。他們的這一成果已經發表於《ChemPhysChem》雜誌。該項研究所依據的實驗由前昆士蘭大學博士生安德魯·斯蒂芬森(Andrew Stephenson)進行。

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離子束技術在微電子工業領域被廣泛運用來測試半導體,如矽片的導電性能。但將這種技術應用到塑料膜材料的嘗試是從上世紀80年代才開始起步的,一直進展不大,直到現在才取得突破。麥里迪斯教授介紹說:「這個小組所作的工作,簡單來說就是藉助離子束技術改變塑料膜材料的性質,使其具備類似金屬的功能,能夠嚮導線本身那樣導電,甚至可以變成超導體,當溫度低到一定程度時電阻變為零。」

導電塑料 -特性

為了顯示這種材料的潛在應用價值,小組採用這種材料,參照工業標準製作了電阻溫度計。在和同類型的鉑電阻溫度計進行對比測試時,新材料製作的產品顯示了類似,甚至更優越的性能。

「這種材料的有趣之處在於我們幾乎保留了高分子聚合物的全部優勢——機械柔韌性、高強度,低成本,但與此同時它卻又具有良好的導電性,而這通常可不是塑料應該具有的特性。」米考林教授說。「這種材料開創了一個塑料導體的新天地。」

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而安德魯·斯蒂芬森則認為這項技術最令人興奮之處在於這種薄膜的導電性可以進行精確的調整或設定,這將具有非常廣闊的應用前景。他說:「事實上,我們可以將這種材料的導電性更改10個數量級,簡單的說,這就像是我們在製作這種材料時,手裡擁有100億種選擇。理論上說,我們可以製造出完全不導電的塑料,或者導電性和金屬一樣好的塑料,以及介於兩者之間的全部可能性。」

這種新材料可以利用現在的微電子工業常用的設備輕易地製造出來,並其相比傳統的高分子半導體材料,這種新材料對暴露在氧氣中的抗氧化能力也要高得多。

研究人員表示,綜合以上這些優勢,這種藉助離子束處理高分子聚合物得到的薄膜材料將具有廣闊的應用前景,它是現代和未來技術的完美融合。

導電塑料 -分類

導電塑料一般有以下幾種分類方法:

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1.按照電性能分類,可分為:絕緣體、防靜電體、導電體、高導體。

通常電阻值在1010Ω·cm以上的稱為絕緣體; 電阻值在104~109Ω·cm 範圍內的稱作半導體或防靜電體; 電阻值在104Ω·cm以下的稱為導電體; 電阻值在100Ω·cm以下甚至更低的稱為高導體。

2.按導電塑料的製作方法分類,可分為結構型導電塑料和複合型導電塑料。

結構型導電塑料又稱本徵型導電塑料,是指本身具有導電性或經化學改性后具有導電性的塑料。結構型高分子導電材料主要有:
(1)π共軛系高分子:如線型聚苯、層狀高聚物等;
(2)金屬螯合物:如聚酮酞菁;
(3)電荷移動型高分子絡合物:如聚陽離子、CQ絡合物。
這一類高分子材料的生產成本高、工藝難度大,至今尚無大量生產,現在廣泛應用的導電高分子材料一般都是複合型高分子材料,其填充物質主要有:
a. 金屬分散系;
b. 炭黑系;
c. 有機絡合物分散系。

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3.按用途的不同分類,可分為:抗靜電材料、導電材料和電磁波屏蔽材料。

導電塑料 -用途  

導電塑料不僅在抗靜電添加劑、計算機抗電磁屏幕和智能窗等方面的應用已快速的發展,而且在發光二極體、太陽能電池、行動電話、微型電視屏幕乃至生命科學研究等領域也有廣泛的應用前景。此外,導電塑料和納米技術的結合,還將對分子電子學的迅速發展起到推動作用。將來,人類不僅可以大大提高計算機的運算速度,而且還能縮小計算機的體積。因此,有人預言,未來的筆記本電腦可以裝進手錶中。

      (1)在電子、電器領域中作集成電路、晶片、感測器護套等精密電子元件生產過程中使用的防靜電周轉箱、IC及LCD托盤、IC封裝、晶片載體、薄膜袋等。  

       (2)防爆產品的外殼及結構件,如:煤礦、油船、油田、粉塵及可燃氣體等場合中使用的電器產品外殼及結構件。
  (3)中、高壓電纜中使用的半導電屏蔽料。
  (4)電訊、電腦,自動化系統、工業用電子產品、消費用電子產品、汽車用電子產品等領域中的電器產品EMI屏蔽外殼。

導電塑料 -導電塑料的國內外發展狀況

1、抗靜電劑填充型  抗靜電劑填充型產品的優點是製品著色不受限制,其中低分子型抗靜電劑對產品性能影響不大,其表面電阻率為1010-1013Ω。但低分子抗靜電劑填充型產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動向是研製生產高分子型抗靜電劑,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。主要生產廠家有日本的三洋化成、住友精化、住友科學工業、第一工業製藥,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,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用受到一定限制。國內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電炭黑、石墨和碳纖維,製成品的體積電阻率為102-109Ω·cm。其中炭黑填充是主流,炭黑填充型導電聚合物之所以被廣泛採用,其一是因為導電炭黑價格較為低廉;其二是因為炭黑能根據不同的導電性需求有較大的選擇餘地,它的製成品的電阻值可在102-109Ω之間的寬廣範圍內變化;其三是導電性持久、穩定;因此是理想的抗靜電材料。但是它的製成品僅限於黑色,並對材料性能影響較大,需要配套改性技術。
  在國外,碳系填充型導電塑料已經形成為一個十分成熟的市場,較大的生產廠商有美國的卡伯特公司、原聯碳公司、GE公司、3M公司等,日本的東芝化學、住友酚醛塑料是主要廠商,還有東麗、東洋油墨製造、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。
  3、金屬填充型 
  這類導電塑料主要用於電磁波屏蔽場合。近年來由於集成電路和大規模集成電路技術的發展,數字化電子機器已從工業用向民用品發展。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,這使從外部侵入的電磁波與控制信號相接近。此外,電子設備也向外放射電磁波,因此很容易造成電子機器的誤動作、圖象和聲音干擾。進入80年代,電子機器的殼體大多採用塑料材料代替金屬。這是由於塑料作為殼體具有質輕且強度高、耐腐蝕、易加工、生產效率高、總成本低等優點。但是,塑料是絕緣體,對於電磁波來說,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。
  近年來,導電塑料引起了人們的興趣,這方面的研究報道很多,這是由於導電塑料法具有3個顯著的優點:①無需二次加工;②屏蔽性與成型製品一次完成(省力、經濟);③在長期使用過程中(如震動、濕熱環境因素下)安全、可靠,不會像表面法那樣產生剝離和脫落現象。
  三、發展展望 
  高分子材料代替金屬材料是今後材料學科領域的發展趨勢。由此帶來導電性聚合物的市場需求日益增長,其應用領域逐步擴大,這就必然對導電性聚合物提出更高的要求。對於結構型導電性聚合物來說,要想進一步實用化,必須解決目前存在的下述主要問題:
  (1)穩定性欠缺 導電性高分子中的氧原子對水是極不穩定的,這是防礙其實用化的最大問題。
  (2)摻雜劑多是有毒的 如AsF5、I2、Br2等。
  (3)成型困難 導電聚合物主鏈中的共軛結構使分子鏈僵硬,不溶不融,從而給自由地成形加工帶來困難。
  (4)經濟性差 其價格比金屬及普通塑料高,難以實用化。

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