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导电塑料基础知识与应用前景

日期: 2019-06-14
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塑料因其高绝缘性一直被作为绝缘材料使用。然而随着电磁波干扰(EMI)屏蔽、微波吸收等技术越来越受到人们的关注,相关应用领域对塑料提出了导电性能的要求。近十几年来,世界各国对其开展了广泛的研究,力求推出新一代的塑料材料,使之既保持塑料固有的优点又赋予新的导电性能。

(一)导电塑料定义

导电塑料是将树脂和导电物质混合,用传统塑料的加工方式进行加工的功能型高分子材料。

(二)导电塑料分类

导电塑料分为两大类, 用物理方法制成的导电塑料称为复合型导电塑料,用化学方法制成的导电塑料称为本征型(又称结构型)导电塑料。

产品

分类

细分

主要用途

电磁屏蔽塑料

复合型1

填充型:填充铜、镍等金属粉末、不锈钢纤维、碳纤维、铜纤维、镀镍碳纤维等

电磁屏蔽

抗静电

本征型

合成型:共轭π电子体系的本征型导电高分子(ICPS)如聚苯胺、聚乙炔、聚吡咯等

1注:目前90%的导电塑料都属于复合型

(1)本征型导电塑料,是指高聚物本身具有导电性或经过化学改性后具有导电性的塑料。它们能发挥自身化学结构的作用,使其本质上能够导电,再通过化学方法进行掺杂以增长其导电性。比如掺杂后的聚乙炔导电性是铜的4倍,是目前室温条件下导电性最好的材料。优点是导电能力在整个材料中均匀一致,导电状态容易得到迅速控制;缺点是造价昂贵,加工处理困难,化学稳定性较差,因此应用领域受到一定限制。本征型导电塑料主要作为各种二次电池的电极和固体电解质材料,以发挥其重量轻,能量密度高,电压特性好的特点。

(2)复合型导电塑料,是指经物理改性后具有导电性的塑料,一般是将导电性物质如炭黑、碳纤维、石墨、金属粉末、金属纤维等掺混于树脂中制成。目前技术已经很成熟,应用也十分广泛。

(三)导电塑料生产工艺(以飞荣达为例)


导电塑料基础知识与应用前景

(三)导电塑料部分应用

理论上,已知的绝大多数塑料可以做导电塑料的基体材料,且适用的导电填料也有很多种。导电塑料能够在保持塑料固有特性的同时具有类似金属导电性的特性,它现在几乎可以应用到每一个新产业中,特别是在光通信半导体的制造、超导材料、集成电路、汽车电子、电气等领域将占据非常重要的地位。

目前已经广泛应用的有导电塑料、自限温发热材料、抗静电材料、电磁屏蔽材料、导电薄膜等产品。随着导电塑料领域内理论研究逐渐深入,导电塑料产品不断的推陈出新,性能也不断的达到新高,其应用范围也在不断的被人们开发扩大。本文主要从以下几个方面对导电塑料的应用进行介绍。

(1)抗静电

塑料的绝缘性导致塑料制品表面积累的静电荷无法得到释放,进而形成静电压,容易吸附灰尘等污物,静电电压达到一定程度后,会产生静电放电与电击现象。在电子行业中,各种精密仪器和精密电子元件会由于静电击穿而损坏甚至报废,另外,在一些接触易燃易爆物的工矿企业中,静电放电如果得不到有效的防护,会产生更严重的后果并造成重大的经济损失。如煤矿中的塑料瓦斯管由于静电的积累会引发煤矿爆炸;油船中塑料部件因静电引起石油着火发生火灾;在生产塑料薄膜的过程中也常常因为静电而发生事故。因此在煤矿、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均有防静电要求。

导电塑料基础知识与应用前景

导电塑料基础知识与应用前景

(2)电磁屏蔽

通讯、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EMI屏蔽外壳以及中、高压电缆中使用的半导电屏蔽料。

导电塑料基础知识与应用前景


导电塑料基础知识与应用前景

导电塑料基础知识与应用前景

(3)导电接地

碳纤维导电塑料作为综合贯通地线保护套料,替代原有的铅护套,用于铁路运输的接地要求。它具有较高的强度和模量,电阻率低,导电性能优良,电磁屏蔽效果好,具有较好的耐腐蚀性,不会对土壤和地下水造成污染,具有较好的环保性。

(四)导电塑料展望

随着高新技术的飞速发展,导电塑料应用范围不断扩大,除了常用的领域之外,导电塑料在太阳能电池、塑料芯片、显示设备、纳米导线、机器人与生命科学领域有着重要的前景。

导电塑料电位器--由于导电塑料电位器的主要材料为塑料加碳粉通过模压制成,与传统的线绕电位器相比,具有输出平滑响应迅速、耐磨损使用寿命较长、摩擦力矩较小等特点。加之,制备与电阻体线性修刻等关键技术的提高,为塑料电位器高精度、规模化生产奠定了坚实基础。

塑料太阳能电池--也指有机电池,是用高聚物代替硅将太阳光转换为电能,这可降低太阳能电池的成本和重量,并令它们柔软,但塑料太阳能电池的转换效率只有约10%(比商业硅太阳能电池的效率15%-20%之间的低)。目前已经通过添加溶剂的方法使得转换效率。2018年中国南开大学,陈永胜教授团队设计、制备的具有高效、宽光谱吸收特性的叠层有机太阳能电池材料和器件,实现了17.3%的光电转化效率,再次刷新了文献报道的有机/高分子太阳能电池光电转化效率的世界纪录。

塑料芯片--早在2016年,有国外科学家团队将高性能磁性存储芯片移植到一块柔性塑料表面,且无损其性能,得到的透明薄膜状柔性“智能塑料”芯片有优异的数据存储和处理能力,是首个塑料柔性磁存储芯片。

显示设备--如目前用高分子聚合物制成的发光二极管,已经应用在许多手机单色显示屏以及其他一些显示设备上。日本先锋公司根据导电塑料的电致发光原理,开发出了一种新型的可发光显示器,这种导电塑料的应用改善了显示器上的画面之间的切换速度。此外,导电塑料具有优异的可塑性,通过这点,就可以制造一些特殊的装置,比如说制造可折叠的或者弯曲型的电视机屏幕。

纳米导线--通过纳米技术制备的导电高分子材料,结构精细,导电性好,可用在分子电路、分子导线及一些分子级的元器件上。

机器人与生命科学--日本科学家发现导电塑料可以制造人造皮肤和人造肌肉,这种皮肤可以用在机器人上,使制造出来的机器人肌肉更有弹性,通过电化学的方法来控制这种。导电塑料人造肌肉,它能够收缩和膨胀,几乎可以与真实的肌肉相媲美。此外,科学家发现人体也具有一定的导电性,因此如果把导电塑料和结合起来,它可帮助修饰DNA,鉴于生命科学领域研究的重要性,可能是导电塑料在应用上最重要的一个趋势。

(五)飞荣达的优势

飞荣达是中国较早研发和生产改性塑料的科技创新型公司之一,与天津大学开展“校企合作”,充分利用高校的学术优势,搭建技术创新与成果转化平台,使飞荣达改性塑料研发能力迈上新的台阶。如今,飞荣达可以提供完整的改性塑料导热、导电解决方案(包括原材料、模具设计、注射成型等),满足相关行业的应用需求。


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