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炭纖維增強(qiáng)防靜電材料
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| 發(fā)布時(shí)間：
2021/11/22 |
炭纖維增強(qiáng)防靜電材料
1.1 什么是炭纖維增強(qiáng)防靜電材料
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，大量先進(jìn)的電子元器件被廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)，這些器件易受到靜電的沖擊，造成的危害也變得越來(lái)越嚴(yán)重。1969年年底在不到一個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，荷蘭、挪威、英國(guó)的三艘20萬(wàn)噸超級(jí)油輪洗艙時(shí)產(chǎn)生靜電，引起油輪爆炸。我國(guó)近年來(lái)在石化企業(yè)曾發(fā)生多起因靜電造成的嚴(yán)重火災(zāi)爆炸事故。另外，靜電不僅導(dǎo)致計(jì)算機(jī)運(yùn)行隨機(jī)故障和某些元器件如CMOS、MOS電路、雙級(jí)性電路等的擊穿和毀壞，還會(huì)影響操作人員和維護(hù)人員的正常工作和身心健康。因此，必須采用具有防靜電功能的防護(hù)性材料。
高分子材料以其質(zhì)輕、抗腐蝕能力強(qiáng)、價(jià)格低廉、具有獨(dú)特的光學(xué)、電學(xué)等性能特點(diǎn)在防靜電材料中有著廣泛的應(yīng)用，但此類材料表面摩擦或撞擊時(shí)很容易產(chǎn)生并積累靜電，因此尋求新型的防靜電材料是當(dāng)前要研究解決的一大問(wèn)題。其中，膨脹石墨以其優(yōu)良的導(dǎo)電性能及所呈現(xiàn)出的納米特性越來(lái)越受到人們的重視，作為一種新型的導(dǎo)電填料，有望在防靜電涂料以及導(dǎo)電石墨納米復(fù)合材料中得到廣泛的應(yīng)用。
1.2 防靜電高分子材料
目前防靜電高分子材料主要有添加型導(dǎo)電涂料和摻雜型導(dǎo)電復(fù)合材料兩種。添加型導(dǎo)電涂料，即在有機(jī)黏結(jié)劑中均勻混入導(dǎo)電填料(金屬系、金屬氧化物系、導(dǎo)電炭系、復(fù)合填料、抗靜電劑等導(dǎo)電物質(zhì)，其中以炭系為主)，制成導(dǎo)電涂料涂敷于高分子包裝材料表面，形成固化的靜電耗散層，使物體具有一定的傳導(dǎo)電流和消除積累電荷的能力，以達(dá)到防止靜電電荷累積的目的。
摻雜型防靜電材料是以聚合物為母體，與各種導(dǎo)電性物質(zhì)(如炭黑、石墨或金屬粉等)通過(guò)分散復(fù)合、層積復(fù)合等構(gòu)成抗靜電材料，通過(guò)添加導(dǎo)電填料來(lái)降低材料的電阻系數(shù)，提高材料的靜電耗散率。這類導(dǎo)電高分子材料導(dǎo)電能力的大小取決于填充物性能的好壞，目前導(dǎo)電填料主要采用金屬粉或炭黑。金屬系填料主要有銀、鎳和銅粉等，其中鎳粉由于價(jià)格適中，能夠抵抗苛性堿的腐蝕，且具有好的導(dǎo)電性，得到廣泛的應(yīng)用。金屬粒子雖有良好的導(dǎo)靜電性，但成本高，易在母體基料中沉淀結(jié)塊，加之金屬粒子易被氧化，使其使用范圍受到很大的影響。炭系填料主要包括炭黑和石墨，具有優(yōu)越的耐候性和耐化學(xué)性，成本低，來(lái)源豐富，如用量得當(dāng)，對(duì)高分子材料的物理性能影響不大，故炭系導(dǎo)電填料作為添加劑在防靜電材料中應(yīng)用最為廣泛。其中，膨脹石墨作為新型導(dǎo)電填料，具有導(dǎo)電性好、摩擦損耗小、污染小等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大大提高高分子材料的導(dǎo)電性，降低其導(dǎo)電滲流閥值，因此在防靜電涂料及導(dǎo)電高分子復(fù)合材料中具有重要的應(yīng)用價(jià)值，防靜電保護(hù)膜如圖所示。
圖 8防靜電保護(hù)膜
1.3膨脹石墨在防靜電材料的應(yīng)用
石墨嵌入化合物(GICs)納米復(fù)合材料在高溫下膨化，即可獲得比表面積較大的蠕蟲狀膨脹石墨，粉碎后可用作導(dǎo)電填料添加于防靜電材料中。膨脹石墨作為導(dǎo)電填料是近幾年才逐漸發(fā)展起來(lái)的，添加膨脹石墨微粉導(dǎo)電填料的防靜電涂料其滲流閾值明顯低于炭系填料，電導(dǎo)率也有較大提高。近年來(lái)由于GICs技術(shù)的快速發(fā)展，GICs高溫膨化制得具有較小片層厚度(50～80nm)的膨脹石墨為實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的層聚合創(chuàng)造了條件，納米復(fù)合技術(shù)越來(lái)越受到人們的高度重視。
陳建等人利用膨脹石墨蠕蟲作導(dǎo)電填料，丙烯酸清漆作為黏結(jié)劑制備了新型導(dǎo)電涂層。結(jié)果表明該導(dǎo)電涂料體積電阻率絕對(duì)值比傳統(tǒng)的粉末混合添加型涂層低一個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)0.0312cm左右。該涂層是一種優(yōu)良的導(dǎo)電和靜電屏蔽材料，電磁屏蔽效能達(dá)40dB以上。李冀輝等人探索了利用膨脹石墨蠕蟲作為導(dǎo)電填料、聚氨酯清漆作為黏結(jié)劑的新型涂料的防靜電性能，分析了膨脹石墨蠕蟲的膨脹體積、填料含量、涂層厚度與電阻率的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)表明，涂料具有摻雜量少和涂層性能良好等優(yōu)點(diǎn)，是一種優(yōu)良的防靜電和導(dǎo)電涂料，防靜電性能優(yōu)于傳統(tǒng)石墨粉摻雜的涂料。
具有較強(qiáng)防靜電功能的聚苯胺/膨脹石墨復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)了材料的納米復(fù)合，聚合物單體和膨脹石墨充分混合，通過(guò)擴(kuò)散、極性基團(tuán)作用、膨脹石墨的徽孔吸附等方式使單體充分進(jìn)入膨脹石墨的片層之間，片狀膨脹石墨便以納米尺寸均勻分散在聚合物基體中。膨脹石墨片層結(jié)構(gòu)的表面誘導(dǎo)作用大大提高了聚苯胺的結(jié)晶度，改善了聚苯胺的結(jié)構(gòu)缺陷，聚苯胺與石墨片層發(fā)生協(xié)同作用，大大提高了聚苯胺/膨脹石墨復(fù)合體系的導(dǎo)電性。除此之外，人們還利用納米復(fù)合技術(shù)制備了尼龍6/膨脹石墨納米導(dǎo)電復(fù)合材料，聚苯乙烯/膨脹石墨，聚甲基丙烯酸甲酯/膨脹石墨、馬來(lái)酸酐接枝聚丙烯/膨脹石墨、低密度聚乙烯/膨脹石墨、馬來(lái)酸酐接枝聚乙烯/膨脹石墨、聚丙烯/膨脹石墨復(fù)合材料等，這些復(fù)合材料均具有較高的電導(dǎo)率(10-4～10—3S/cm)和較低的滲流閾值。由于膨脹石墨的高電導(dǎo)率及所呈現(xiàn)出的納米特性，高分子復(fù)合材料的抗靜電能力有了較大提高，實(shí)現(xiàn)了聚合物從絕緣體到半導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變，其應(yīng)用范圍也隨之得到了擴(kuò)展。
隨著信息工業(yè)和包裝材料功能化的發(fā)展，人們對(duì)具有導(dǎo)電功能的高分子材料的需求將越來(lái)越迫切。相對(duì)于一般填料，膨脹石墨以其優(yōu)良的導(dǎo)電性能以及所呈現(xiàn)出的納米特性必將在功能性包裝材料中得到更為廣泛的應(yīng)用，但由于對(duì)膨脹石墨納米特性認(rèn)識(shí)的局限性，其優(yōu)良的性能還有待繼續(xù)去開發(fā)和利用，因此具有抗靜電功能的高分子/膨脹石墨納米復(fù)合導(dǎo)電材料無(wú)論在制備方法還是結(jié)構(gòu)與性能以及應(yīng)用的開發(fā)上都存在很大的空間。充分利用膨脹石墨納米薄片的結(jié)構(gòu)性能特點(diǎn)，研究開發(fā)具有防靜電功能的功能材料體系具有良好的應(yīng)用前景。
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