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抗静电剂和导电填料市场的革命——千分之几添加量的新型添加剂

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发表于 2019-7-2 09:03:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
作者:赵社涛    联系方式:18252972115

塑料制品因其耐腐蚀,结构轻巧,成型方便,易于加工和设计,广泛应用于工业和生活的各个方面,现代生活离不开塑料。

但是塑料基本都是绝缘体,塑料与其他材料接触或者摩擦后,由于不能将产生的电荷传递出去,都会在表面产生静电荷,导致静电积累。不同塑料产生静电荷的难易程度与其表面电阻有关,表面电阻越大,漏电越少,表面静电释放难度也越大。表面静电的积累会给人们的生活和工业活动带来不舒适感受甚至危险,比如带静电表面容易吸附灰尘,易燃烧易爆物品会因为静电引起爆 炸燃烧,与人体接触的静电放电会引起疼痛,静电会干扰电子设备的正常工作,静电会击穿昂贵精密电子仪器。因此,如何消除各种塑料制品的表面静电危害,是塑料工业一直存在的一个基本需求。如何简单、低成本的情况下,就可以满足此要求,存在巨大市场。

塑料制品消除静电的常见方法有,使用导电填料填充法、导电装置法、抗静电剂法。采用抗静电剂消除塑料制品的静电,有外部涂敷法和内部添加法。外涂覆抗静电剂含有亲水和亲油基团,亲油基团吸附在塑料表面,其亲水基团容易吸附环境的微量水分,从而构成一个导电层,可以释放表面电荷。在一些加工温度高的塑料中,例如PC、PET、聚砜等,也使用外涂覆抗静电剂。内添加抗静电剂其原理也是通过制品成型后,抗静电剂的极性基团向着空气一侧排列,形成单分子导电层,吸附空气里的水分,形成均匀导电层。

常见的低分子型抗静电剂亲水极性基团有:羧酸、磺酸、硫酸、磷酸的阴离子,胺盐、季铵盐的阳离子,以及-OH、-O-等基团,常用的非极性基团有:烷基、烷芳基等,从而形成了常用的五种基本类型的抗静电剂,即胺的衍生物,季铵盐,硫酸酯、磷酸脂以及聚乙二醇的衍生物。国内很多公司能做此类产品,但是其不能长期起作用,容易失效,而且不同气候环境、不同湿度表面电阻率也不一样,不耐高温,容易迁移等等,有很多问题。国产低分子型抗静电剂优点是价格便宜,但效果不稳定,比较低端。尤其是,在干燥的空气环境中,抗静电效果非常差。

由于低分子型防静电剂稳定性差,国际上目前的主攻方向为高分子型防静电剂。国外的阿科玛、巴斯夫、三洋、阿克苏诺贝尔、杜邦等公司,都能生产高端的高分子型抗静电剂,可以部分解决国产抗静电剂的问题。高分子型防静电剂亦可称为永久性防静电剂,它不会像低分子型防静电剂那样水洗后或长时间使用后便丧失导电性,不迁移,不受环境湿度影响。高分子型防静电剂分为聚醚型和离子型,生产厂家主要集中在日本、瑞士和美国。

国外相关公司基本都是大型跨国企业,技术先进、资金雄厚,永久型的高分子防静电剂20年前就已经有了成熟的技术。而我国相关公司,基本实力单薄、研发微弱,我国的防静电剂的研制和生产与国外跨国大公司存在巨大差距。我国高分子防静电剂的生产还没能形成气候,国内市场的需求基本上是进口产品垄断的。高分子型防静电剂生产技术难度大、门槛高,我国是电子电气及其零配件的生产大国,特别是在电子零配件生产和加工集中的地区,对防静电塑料存在巨大市场需求。此外,高分子型的防静电剂存在添加量大,价格高,以及影响制品本体性能等问题,中国市场迫切需要更先进、更有性价比的国产化解决方案。

以碳系导电物质为导电添加剂,用传统塑料的方式进行混炼加工的碳系物填充导电塑料是用途广广泛和使用量很大的另外一类导电/抗静电塑料。可以用于导电塑料的碳系填充物,包括导电炭黑、乙炔黑、碳纳米管、石墨粉、碳纤维、石墨烯等。炉法导电炭黑和乙炔黑是最传统导电碳材料,光是中国国内每年生产量超过数万吨,生产厂家众多。导电炭黑根据不同规格,价格在10-800元每公斤,进口导电炭黑在40-800元每公斤。目前我国电线电缆用导电炭黑的市场容量约为3.8万吨左右,导电涂料、电子元件、抗静电油墨、导电膜等领域导电炭黑的需求量约为2万吨左右。通常国产导电炭黑需要填充15%-30%在塑料里,进口导电炭黑需要填充8%-15%左右在塑料里,导致塑料力学性能损失较大,而且表面容易掉炭黑颗粒。

碳纳米管和石墨烯是新一代碳系导电材料,突出优点是填充量比炭黑少,对塑料的力学性能损伤小。国产碳纳米管导电性和分散性比进口的差,加工性能不好,性价比低,不少型号碳纳米管需要添加3%-8%在塑料里,才能达到与国外公司相同效果。而且使用通用的塑料加工方法得到的国产碳纳米管导电塑料,表面不光滑,有凸点,处于价值链的低端。相反,国外公司技术和资金雄厚,一般都是大公司,他们有专利技术、专用设备、保密分散剂等对碳纳米管进行专业加工,国内碳纳米管导电塑料技术落后于外国。以使用量较大的欧洲碳纳米管公司产品为对比例,使用通用的塑料加工方法和设备填充2%wt在PC塑料里,就可以达到表面电阻率104Ohm/sq,加工性能较好,且制品表面光滑。其添加量,只要传统炭黑填料的1/5-1/15,性能突出。因为应用技术水平低、表面有疙瘩、分散性差和价格高等原因,在国内碳纳米管导电塑料的使用目前还较少见,国内还是以炭黑系的导电塑料为主。

石墨烯是顶着明星光环,闪耀登场的新一代导电碳材料。不过,目前市场上还很少有石墨烯的大吨位工业应用,已经搭好的石墨烯产业园平台还得不到有效利用,已成立的石墨烯公司大部分处于亏损状态。实际上以通用石墨矿物为原料,很难大批量获得高品质、高导电性石墨烯材料。从技术上分析,通常石墨烯粉体因为是二维平面片层结构,受到外力挤压的时候,很容易片层之间二次叠合,这也导致石墨烯粉体很难和传统塑料加工兼容,不易通过双螺杆挤出机直接加工的方式,得到石墨烯填充导电塑料。笔者尝试过多家公司和多种类型石墨烯,直接和塑料一起混炼的话,通常需要3%-8%填充量才能达到导电性。石墨烯价格比碳纳米管贵,填充量又比碳纳米管多,目前在导电塑料领域应用很少见。

经过10多年理论和工厂实践,通过借鉴传统碳材料——导电炭黑、碳纤维、碳纳米管、碳纤维、石墨烯、活性炭等材料的工艺原理,赵社涛创新开发了超高导电性纳米碳材料量产工艺。通过一定工艺条件下,控制纳米碳材料生成含三维石墨烯结构,即可大批量且低成本制成超高导电性纳米碳材料。

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使用目前塑料行业通用的标准加工工艺,添加少量自制的超分散剂ZT3000,270℃直接熔融共混赵社涛自制的超高导电性纳米碳材料粉体和PC塑料粒子,经混炼后加工成厚度1mm测试片,测试其导电性。

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熔融共混添加0.2%重量比含三维石墨烯结构的纳米碳材料到PC塑料里,在超低添加量下,即可赋予PC塑料导电性。而且,加工过程可以兼容传统塑料工业的加工方式。极低的添加量,可以获得力学强度损失最少的导电塑料。在达到相同导电效果的情况下,其添加量大致是进口导电炭黑的1/25—1/50,大致是进口碳纳米管的1/10,大致是普通石墨烯粉体的1/10—1/30。这是令人非常惊人的效果,是目前报道的最高水平之列,属于国际先进水平。

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为进一步验证超高导电纳米碳材料的广泛适用性,随机选取多种塑料都添加千分之5重量比,制成1mm厚度测试片,初步测试其导电性大致评估其潜力,各种加工条件和数据有待进一步优化:

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可见其超低添加量下可以达到高导电性的特点,在不同塑料种类都能适用,具有广泛性和普适性,不受基材限制,在大部分塑料里,添加千分之几就可以达到导电性。而且能耐高温、不迁移、耐水洗、不受环境湿度影响,具有永久性效果。

导电塑料制品主广泛应用于以下领域:在电子、电器领域中作集成电路、晶片、传感器护套等精密电子元件生产过程中使用的防静电周转箱、IC及LCD托盘、IC封装、晶片载体、薄膜袋等;防爆产品的外壳及结构件,如:煤矿、油船、油田、粉尘及可燃气体等场合中使用的电器产品外壳及结构件;电热膜、电暖纤维、地暖等电热行业;电线电缆;电讯、电脑、自动化系统、工业用电子产品、消费用电子产品、汽车用电子产品等领域中的电器产品。多个应用领域加起来,具有每年百亿级的下游应用市场。尤其受电子工业的推动,每年都在增长。

具有三维石墨烯结构的纳米碳材料其添加量如此之低,而且其生产成本很低,在获得抗静电/导电性的时候,可以最大程度的保留塑料本身的力学强度。添加超高导电性纳米碳材料的制品,可以耐高温,耐水洗,不迁移,环境湿度对其表面电阻没有任何影响,是长效、高性价比、永久型的抗静电/导电/电磁屏蔽解决方案。可以广泛应用在多种工业领域,大大优于各种进口抗静电剂、导电炭黑、乙炔黑、通用碳纳米管、石墨粉、石墨烯粉体等材料。这一革命性突破,可以打破国外在静电问题解决方案和相关高端材料领域的垄断地位,改变全球导电/抗静电塑料市场竞争格局。

需要免费超高导电纳米碳材料粉体样品,或想投资此项目,请联系赵社涛,TEL:18252972115。

文章来源:赵社涛
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