科普|浅谈抗静电/导电剂

各种抗静电/或导电剂可满足工业和应用的需要,无论是要求永久性或短暂抗静电性,内添加或外涂层。
在此
我们探讨了不同抗静电/导电添加剂的特性、机会和局限性,并提出单壁碳纳米管是否是最佳选择。

电绝缘子在日常生活和工业中有许多应用和益处

它们覆盖并保护电气导体,确保安全并有助于降低能源成本。然而,由于它们不能耗散静电,静电荷会在表面积聚,从而可能导致静电放电(ESD),可能形成火花,损坏电子元件,或比如在采矿或某些工业环境中,甚至可能发生爆炸。从小处来说,在同样相关的范围内,电荷积聚会吸附灰尘,引起不适,并可能影响设备的性能。在工业领域,这是一个广泛存在的问题,造成电子元件的损坏,并导致设备故障,从而需要更换(通常是昂贵的)、安全方面,对员工产生电击风险,在某些情况下,火灾和爆炸可能造成进一步的伤害,甚至生命损失。这就是抗静电或导电剂和抗静电涂料的作用所在。

一些化学物质可以通过自身导电或从空气中吸收水分来降低材料的表面电阻率,从而减少静电电荷的积聚,缓解静电问题并消除风险。

他们以液体、半固体或固体形式存在,可以在制造过程中添加到产品表面或包含在材料本身中。

其迁移能力决定了它们是永久性抗静电添加剂还是非永久性抗静电添加剂。抗静电或导电剂与抗静电涂料的主要区别在于它们的应用方法、作用机理和抗静电效果持续时间,根据不同的要求可做出不同的选择。

抗静电添加剂探讨
内添加抗静电剂在加工过程中掺入塑料聚合物中。看起来是永久存在的,但由于其可迁移性,随着时间的推移,会迁移到材料的表面,并最终通过擦拭表面而被去除。一般来说,较高的温度和较低的聚合物结晶度有利于迁移过程。永久性抗静电剂往往是基于聚合物或导电填料,并在基础聚合物内形成网络,产生持久的抗静电效果。另一方面,外部抗静电涂层是通过喷涂或浸渍的方式在加工后的材料表面涂上抗静电涂层。
通常情况下,外部抗静电涂层可以使用溶剂或简单地通过擦拭去除。
往往被应用于纺织纤维或塑料包装,自然地与内添加抗静电剂相比,寿命有限,因为其很容易消除。抗静电剂分为离子型和非离子型两种。大部分是基于带有极性基团的有机分子,但也以无机盐的形式存在。某些聚合物抗静电剂的有效性取决于湿度,对应用存在一定的限制,是一个需要考虑的因素。进一步重要的考虑是需要的抗静电保护水平和需要持续的时间,因为非永久性的抗静电添加剂或涂层会随着时间的推移失去其效力。正如预期的那样,在许多应用中,需要永久性的抗静电性能。
抗静电剂可以通过使用分散液或预分散体来加入,从而产生抗静电的效果。它们往往以脂肪酸酯为基础,通过中和聚合物表面的电荷而起作用,在汽车、航空航天、建筑、电子、开采、个人防护设备、包装和消费品行业具有潜在和已被证实的应用前景,同时也是一种极具吸引力的纺织品抗静电剂。
其他常见类型的抗静电剂包括离子液体和导电聚合物,如PEDOT:PSS
基抗静电剂的例子有:炭黑石墨粉石墨烯碳纤维  

易于工业应用的TUBALL单壁碳纳米管分散液

卓越的碳纳米管
常见的永久性抗静电剂包括炭黑、导电纤维和纳米材料,永久性抗静电效果也是碳纳米管的强项。单壁碳纳米管,为材料添加抗静电性能,广泛应用于环氧、丙烯酸、聚酯和聚氨酯材料,在复合材料、底漆、汽车零部件、轮胎、地板、内衬和粉末涂料、胶衣和模具涂料、橡胶工业零部件、个人防护装备(PPE)、锂离子电池等许多领域的生产广泛应用。这些各式各样的的应用有着其所需的独特性能,如提供均匀的导电性、有效的抗静电性能、良好的安全性能、极端的耐久性和经济可行性。
例如 
OCSiAl的单壁碳纳米管在聚氨酯滚轴提供均匀的抗静电性能,从而降低制造商的生产成本,更重要的是,确保安全性。聚丙烯是一种热塑性聚合物树脂,由于其耐久性和刚性,在日常居家和工业中都有广泛的应用。聚丙烯的抗静电剂可以控制潜在的静电聚积,而在包装应用中,抗静电母粒可以控制可能发生的静电放电。
导电剂在环氧配方中的比较

注:此图基于OCSiAl数据,表现与其他添加剂相比的平均趋势。产品性能可能因产品类型和配方而异。

在许多应用中,聚合物都比金属有优势。例如,工程塑料拥有较低的重量、坚固性和良好的耐热性、耐磨性和耐化学、耐腐蚀的强度水平;而合成橡胶耐老化,并证明了高热稳定性、耐油和耐氧化性。然而,有时聚合物需要比金属导电剂更高水平的导电性,例如,在有机太阳能电池或生物传感器。在这种情况下,聚合物中的导电剂尤显珍贵。通过添加导电剂,如导电炭黑、金属填料和碳纤维,可提供所需的导电性。

抗静电涂料的创新
OCSiAl公司在塑料抗静电涂料领域开发了创新应用
一款单壁碳纳米管预分散体,可在热塑性塑料静电喷涂中提供定向导电性,使汽车制造商能够通过优化喷涂工艺来提高成本效率。另一个有效的塑料抗静电涂料的例子是加拿大Erie粉末涂料公司通过使用OCSiAl公司生产的TUBALL单壁碳纳米管开发的粉末涂料。这些涂料具有导电和静态耗散性能,以及高电阻,最终提高了美学性能。
树脂的抗静电涂料和抗静电添加剂中,常见的例子是工厂和车间所使用的抗静电树脂地板。
抗静电树脂涂层应用在地板上
可以抑制或重定向电荷,或者完全不产生任何电荷,因此不会产生静电。这在工业中非常重要,特别是在使用易燃物质的环境中,甚至可以拯救生命。
工业用橡胶抗静电剂的例子包括:
电子工业的抗静电橡胶垫和片材
以及地板制造业
由于单壁碳纳米管能够在低工作剂量下发挥作用,同时保持或改善橡胶的性能,因此在抗静电剂方面具有巨大的潜力。当单壁碳纳米管被用于静态控制地板时,其好处包括成本效益和质量的提高,以及它们在涂层中占用的空间最小的事实,这意味着有空间添加其他具有进一步理想性能的材料。
不同单壁碳纳米管添加量与颜色变化和导电性变化图
抗静电涂料在很多行业中都很常见。导电涂料可减少或防止静电的负面影响,从而有助于功能化各种组件的表面。抗静电喷涂涂料往往由导电聚合物和会挥发的溶剂组成,留下一层薄薄的导电层,防止静电的积聚。
抗静电复合材料的一个应用例子是在航空航天工业,单壁碳纳米管可以增加强度,防止雷击。
最终
随着抗静电剂和抗静电涂料的使用,聚合物的巨大潜力可以进一步扩大和增强。根据应用的要求,有多种抗静电或导电剂可供选择,而单壁碳纳米管往往被证明是最佳选择,因为它们具有吸引人的电物理和化学性质,包括极低添加量的效率、使用量少和灵活性。在导电剂领域,具有强大的控制或增强聚合物导电性的能力,促进高性能耗散或导电的聚合物的发展,应用领域包括工程和医学等行业。
单壁碳纳米管添加量与机械性能变化图

单壁碳纳米管的众多优点得益于其超低的工作用量(比一般添加剂低几十倍),以及其独特的性能,包括:多样化的相容性良好的热稳定性化学稳定性高导电性高强度因此,它们在全球多达50%的材料市场都有潜在应用,涵盖各种商业应用和行业,在大多数情况下,单壁碳纳米管将被证实是最佳选择。



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