導電塑料的國內外發展概況

導電性高分子材料一般分為結構型和復合型兩大類。結構型導電高分子聚合物是1977年才發現的，它是有機聚合摻雜后的聚乙炔，具有類似金屬的電導率。而純粹的結構型導電高分子聚合物至今只有聚氮化硫類，其它許多導電聚合物幾平均需采用氧化還原、離子化或電化學等手段進行摻雜之后才能有較高的導電性。其代表性的產物有聚乙炔、聚對苯撐、聚吡咯、聚噻吩、聚吡啶、聚苯硫醚等。還有一種叫作熱分解導電高分子，這是把聚酰亞胺、聚丙烯腈等在高溫下熱處理，使之生成與石墨結構相近的物質，從而獲得導電性。這些熱分解導電高分子的特征是無須摻雜處理，故具有優異的穩定性。結構型導電高分子材料的主要用途是導電材料、蓄電池電極材料、光功能元件、半導體材料，其研究開發主要集中在以T4個方面：①具有與金屬相同的電導率；②在空氣中是穩定的；③具有高功能；④具有良好的加工成型性。
另一類被稱之為復合型導電高分子材料，它是由導電性物質與高分子材料復合而成。這是一類已被廣泛應用的功能性高分子材料。本文主要介紹復合型導電高分子材料。
一、復合型導電高分子材料的分類及用途
復合型導電高分子材料的分類有很多種，根據電阻值的不同可分為：半導電體、除靜電體、導電體、高導電體；根據導電填料的不同可分為：抗靜電劑系、碳系(炭黑、石墨等)、金屬系(各種金屬粉末、纖維、片等)；根據樹脂的形態不同可分為：導電塑料、導電橡膠、導電涂料、導電膠粘劑、導電薄膜等；還可根據其功能不同分為：防靜電材料、除靜電材料、電極材料、發熱體材料、電磁波屏蔽材料。本文主要介紹復合型導電高分子材料中導電塑料的用途。
(1)在電子、電器領域中作集成電路、晶片、傳感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的外殼及結構件。
(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。
二、復合型導電塑料的國內外發展概況
1、抗靜電劑填充型
抗靜電劑填充型產品的優點是制品著色不受限制，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制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、第一工業制藥，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，制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采用，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余地，它的制成品的電阻值可在102-109Ω之間的寬廣范圍內變化；其三是導電性持久、穩定；因此是理想的抗靜電材料。但是它的制成品僅限于黑色，并對材料性能影響較大，需要配套改性技術。炭黑填充型導電塑料的主要用途是：
(1)與集成電路相關的領域 集成電路塊、場效應管、晶體管等電子元器件在加工、裝配、包裝、運輸等生產過程中，常常會因震動、摩擦產生的靜電而損壞，甚至造成整臺機器的報廢。這些電子元器件對靜電的敏感程度小至100伏，大至上萬伏不等。幾百伏以至上千伏的靜電是非常容易產生的，有實驗表明：人在低溫度環境中的干燥地毯上行走時，可產生5000伏的靜電，戴著橡膠手套與塑料容器接觸時，可產生6000伏的靜電，即使是不戴手套用手直接與塑料容器接觸，也會產生200伏的靜電。由此可見，在這一領域中防靜電、除靜電措施的重要。炭黑填充型導電塑料的電阻值可在102-109Ω間調節，完全可以滿足這類材料的防靜電、除靜電需求。其主要產品有：電子元器件在周轉、保管、搬運過程中使用的周轉箱、托盤、支架、封裝等。
(2)醫療、煤礦、紡織等潔凈、易爆環境　　導電塑料在這些場合用作電器設備的外殼或結構件。
(3)高壓電纜、通訊電纜領域　　近年來，隨著用電量的增加，使電纜朝著高壓化的方向發展。為使制造工程簡化，需要新的被覆構造，即用導電塑料作半導電層。這是為了緩和導體表面電位梯度，防止導體與半導體問的部分放電。這類材料的體積電阻為100-104Ω?cm。
(4)面狀發熱體　　導電塑料還可以作為熱源被利用。這是利用在導電塑料上施加電壓，電流通過后電阻產生焦爾熱量的原理，這類材料的體積電阻為100-104Ω?cm。
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、東洋油墨制造、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。
與工程塑料相比，導電塑料是一個很小的品種。關于電子設備用導電塑料的市場用量，據一份日文資料顯示，日本1996年用于便攜電子機器(筆記本電腦、手機等)的工程塑料為3500t，約為20億日元。目前對于上述產品的EMI屏蔽對策一般是采用無電解鍍、高頻離子電鍍、導電涂料、導電塑料，其表面加工費用的水平分別為：40億日元、26億日元、3億日元、2億日元。芬蘭的PREMIX公司導電塑料生產量約為200t／a，據稱在歐洲占有很大的市場份額。在碳系填充的品種中用量較大的是用于中、高壓電纜的半導電層屏蔽料，國內的市場需求約為數千噸，其中高壓電纜料基本依靠進口。國內碳系填充導電塑料業已形成工業化生產，但在品種、質量穩定性等方面與國外有較大差距。特別是與集成電路相關的導電塑料的工業化生產基本空白。目前使用的材料大部分為進口。
3、金屬填充型
這類導電塑料主要用于電磁波屏蔽場合。近年來由于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采用塑料材料代替金屬。這是由于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，對于電磁波來說，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。目前，具體實施的屏蔽方法很多，大致分為在塑料表面形成導電層的方法和將導電性填料混入到塑料中制成導電塑料的方法兩種。不同的屏蔽方法各有其優缺點和適用范圍，以往應用較多的是鋅噴鍍和導電涂料法。近年來，導電塑料法引起了人們的興趣，這方面的研究報道很多，這是由于導電塑料法具有3個顯著的優點：①無需二次加工；②屏蔽性與成型制品一次完成(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。
EMI屏蔽塑料多以各種工程塑料為基材，使用的金屬填料主要是不銹鋼纖維，也有的使用黃銅短纖維、鋁片、鎳纖維等。制成品的體積電阻為10-1-10-3Ω?cm，電磁波屏蔽效果為30-60分貝。碳纖維、特種導電炭黑雖然不是金屬填料，但其制成品也可在電磁波屏蔽場合應用。當一些制品在比較苛刻的使用環境中要求具有強度高、體積輕、壁薄、注射成型易流動等特點時，就要采用碳纖維填充的材料，目前市售的高檔筆記本電腦、手機殼體材料即是采用碳纖維填充的PC／ABS合金。
黃銅短纖維填充的復合體系具有優異的電磁波屏蔽效果，卻難以滿足實用化提出的阻燃、低比重、良好的制品外觀等要求；鎳及鍍鎳石墨纖維雖也具有優異的電性能，但由于價格昂貴而限制了其使用性；碳纖維、特種導電炭黑填充的復合體系屏蔽效果較差，適用性受到限制；不銹鋼纖維的直徑一般為6―10μm，填加10％左右即可滿足實際應用中要求的電性能，由于填加量少，因此對復合體系的物理機械性能影響較小，是理想的EMI屏蔽塑料填充材料。
國外金屬填充型導電塑料已形成工業化生產規模，這類材料的價格較為昂貴。國內只有北京市化工研究院、中山大學、中科院、成都科技大等少數幾個單位對此開展了研究，但均沒有工業化生產。
三、發展展望
高分子材料代替金屬材料是今后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。對于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。
對于復合型導電塑料來說，當前需要著重研究的是金屬纖維填充的電磁波屏蔽材料，需要解決的主要課題是：①減小比重；②使導電性均一；③降低成本；④改善外觀。
對于導電性聚合物的未來展望，最主要的是開發以下三種材料：①高導電性高分子；②有機太陽能電池；③有機超電導材料。
更為長遠的課題是分子性薄膜和分子電子裝置。