防靜電包裝材料分類及研究進展

■ 文/天津科技大學 包裝與印刷工程學院 李冬娜、馬曉軍

近年來, 隨著人們對靜電危害認識的深化，防靜電包裝發(fā)揮了越來越重要的作用。防靜電包裝，就是采取一系列措施，通過減少或消除包裝件在搬運和使用中產(chǎn)生的摩擦電荷，防止靜電放電造成對產(chǎn)品及人身安全的危害，以達到防護的目的[1]。目前防靜電包裝已在微電子產(chǎn)品、電器產(chǎn)品、軍事安全、航天等多個領域得到了廣泛應用。

防靜電包裝的防護能力主要取決于防靜電包裝材料的性能高2低，抗靜電、靜電逸散、靜電導電、靜電屏蔽等包裝材料的電阻率是不同的（如表1），所以其應用也不同。一般來說，包裝材料的電阻越低，防靜電性能越好。材料表面電阻率與靜電防護程度的關系如圖1所示。

表1 防靜電包裝材料的電阻率分布

圖1 材料表面電阻率與靜電防護程度的關系

防靜電包裝材料的分類有多種方法。按照包裝分類，可分為一次包裝材料、接近包裝材料、二次包裝材料，具體見表2。按照材料獲得防靜電功能的工藝方法不同，可以分為導電填料填充型和納米型防靜電包裝材料等。

表2 防靜電包裝按包裝分類

一、防靜電包裝材料的研究進展

（一）導電填料填充型

導電填料填充型是指在材料的生產(chǎn)過程中,添加能提高材料導電性能的填料,包括金屬填料、碳系填料、金屬氧化物填料金屬化纖維系填料和有機高分子系等。添加導電填料形成導電的高分子混合物，可明顯降低材料的電阻系數(shù)，最主要的優(yōu)勢就是能在很寬的范圍內(nèi)（體電阻ρv = 106-10-3Ω·m ）加以控制，最終達到避免靜電積累的目的。其中碳黑以其原料易得、成本低廉、性能持久穩(wěn)定等優(yōu)勢得到廣泛應用。研究顯示，由炭黑填料填充獲得的導電材料是目前抗靜電及電磁屏蔽上用途最廣、用量最大的一種導電材料[2]。

導電填料填充的具體方法是通過向材料中添加一定比例的導電填料，經(jīng)過混合、熔煉、塑化、造粒等制得復合型的導電材料[3]。若要使復合材料達到良好的導電效果，形成導電回路，制備時需要將加入的導電粒子與材料基體分散均勻，否則最終產(chǎn)品是不具備導電效果的。

導電填料填充是目前最簡單有效的防靜電方法，多數(shù)學者對其進行了研究，張曉玉等[4]對填料填充后的導電高分子導電的機理進行了介紹，指出導電的原因是最初孤立分散的填料粒子在體積分散達到某一臨界量以后，形成連續(xù)的導電通路，填料粒子較好的分散在材料中，形成網(wǎng)狀結構，材料才具有良好的導電性。導電填料填充型高分子材料的發(fā)展主要集中在提高材料的綜合性能與降低電阻率兩個方面[5]。因此，目前研究的重點是導電填料的改善及合成樹脂的選擇。趙云飛等[2]介紹了一種新型的具有良好導電性的涂料--碳纖維，使用此種填料具有鍍層均勻、牢固、粘結性好等優(yōu)點。另外，鍍金屬的碳纖維比一般碳纖維的導電性提高50～100倍，即使填充量很少，也可獲得較高導電率的復合材料。但也存在一定缺陷，如價格高，金屬纖維在加工時易折斷、易被氧化[6]。

宋廣成[7]分析了輕質(zhì)石油貯罐導靜電涂料防腐性能失效的原因，討論了防靜電涂層結構、導電填料種類及漆層抗?jié)B透性對貯罐防銹壽命的影響。根據(jù)不同油品的使用要求和貯罐的結構類型，對油罐內(nèi)壁導靜電防腐涂層設計了配套方案：無機富鋅作為底漆，以炭黑、石墨為導電填料的防靜電中間漆，以金屬氧化物為導電填料的聚氨酯或環(huán)氧防靜電面漆，這樣設計出來的導靜電涂層，可明顯延長涂層的防靜電和防腐蝕壽命，具有一定的實用價值。

龐瑜[8]發(fā)明了一種防靜電包裝材料，以金屬膜為內(nèi)層，與PMMA、PP或PET次內(nèi)層形成抗靜電層，并同時與具有抗震的次外層（發(fā)泡硅膠）和防滑阻燃（PVC）的外層有機結合，制得的材料具有防靜電、防震、防干擾、防滑功能。選材環(huán)保，制作工藝簡單，可應用于電子元器件、半導體、集成電路、精密電子儀器設備的包裝。黃暉[9]也發(fā)明了一種防靜電包裝材料，通過在包裝基材表面涂敷導電層實現(xiàn)，導電層由碳粉、聚胺酯、添加劑、溶劑按一定比例構成，可賦予包裝材料防靜電功能，由于碳粉材料價格低廉，性能優(yōu)良，具有廣泛的應用前景。Mao等[10]通過不相容的共連續(xù)聚合物共混和溶解工藝制備了以多孔PP為基材，沉積納米碳黑的復合材料。結果顯示，共聚物共混后形成的多孔結構和碳黑的納米孔明顯增加了電導率。與傳統(tǒng)雙滲法制備的碳復合材料比較，PP/碳黑材料的電導率提高了10個數(shù)量級，滲濾閾值降低了約80%，為制備多孔導電材料提供了潛在的參考價值。Ma等[11]研究了動態(tài)硫化過程對碳黑填充的PP/EPDM共混物電性能的影響。結果顯示，隨著碳黑的加入，未交聯(lián)和動態(tài)硫化復合材料的電性能表現(xiàn)出明顯的差異性，主要由于動態(tài)硫化過程中碳黑顆粒的分布不同引起的。正是這種選擇性分布，使得熱塑性彈性體復合材料的導電網(wǎng)絡的形成是由雙逾滲效應引起的，而對于未交聯(lián)復合材料的導電網(wǎng)絡的形成是通過排除體積效應引起的。

（二）納米型防靜電包裝材料的研究進展

金屬納米微粒具有消除靜電的特殊功能，納米防靜電包裝材料就是以金屬納米微粒為導電介質(zhì)，在生產(chǎn)時只需加入少許納米顆粒，就可以起到很好的防靜電效果，使包裝材料表面不再受靜電的干擾，同時也解決了印刷表面的靜電吸附問題，提高了印刷速度和印刷效果[12]。

國內(nèi)外對金屬納米微粒作為消除靜電的介質(zhì)做了大量研究。傅敏等[13]以納米摻銻二氧化錫（ATO）作為導電介質(zhì)，并用物理與化學結合法對其進行預處理，以NH-50脂肪族聚氨酯彈性樹脂為基體，通過添加超分散劑，制備出了含納米ATO聚氨酯彈性抗靜電涂料（工藝流程圖如圖2）。制得的涂料具有良好的防靜電性、裝飾性、耐候性和力學性能，是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦投喙δ芸轨o電涂料。張明等[14]以納米天然鱗片石墨作為導電介質(zhì)，聚酰胺樹脂為基材，經(jīng)超聲、攪拌、抽濾、干燥一系列工藝制備了高導電性聚酰胺/石墨納米導電復合材料。本方法制得的復合材料有較低的滲濾閾值，較高的電導率，在防靜電材料、電磁屏蔽材料、微波吸收等領域可得到廣泛的應用。

圖2 納米ATO聚氨酯彈性抗靜電涂料制備流程

董慶豐等[15]通過熔融共混法制備了PLA/PBAT/CNTs-COOH防靜電包裝材料，將CNTs-COOH引入PLA/PBAT體系中，有效提高了材料的沖擊強度，降低了表面電阻率。此防靜電包材料具有優(yōu)異的力學和導電性能，并且可生物降解，可用于靜電敏感產(chǎn)品的防靜電包裝。Liu等[16]通過化學還原方法制備了納米銀摻雜的活性椰殼炭粒子，經(jīng)濕法紡絲獲得粘膠短纖維。結果顯示，該纖維有望用于抗菌、保暖、吸味、防靜電等用途。以此為原料制得的織物具有抗菌和抗靜電性能，復合JIS和AATCC標準要求，具有潛在的應用前景。Nootsuwan等[17]通過氧化法，以碳黑為載體涂敷納米銀粒子。結果顯示，納米銀粒子均勻的分布在碳黑表面，電導率測試結果表明，純PLA的電導率很低，但加入納米銀涂層的碳黑后，復合材料的電導率大幅增加。加入15%納米銀涂層碳黑的PLA電導率是只加入碳黑PLA電導率的9倍。

從國外情況看，目前已有多個國家在防靜電包裝領域的研制、生產(chǎn)等均處于世界領先地位。近年來抗靜電材料受到國內(nèi)外的廣泛關注，這也意味著新型抗靜電包裝材料時代的到來。

二、防靜電包裝的發(fā)展方向

防靜電包裝目前已經(jīng)在多個領域得到了廣泛應用，由于容易產(chǎn)生靜電的產(chǎn)品較多，對抗靜電性能的要求也越來越高，因此防靜電包材發(fā)展的勢頭不可擋，這也就對今后防靜電包裝的設計提出了更嚴格的要求，不僅要充分發(fā)揮防靜電的作用，更重要的是能最大程度降低成本，而且要考慮包裝材料外表的美觀，吸引消費者。然而，防靜電包裝也存在一定弊端，在獲得防靜電能力后，會影響材料的二次加工，造成擦傷、紋路等缺陷。有時對防靜電包裝材料的綜合性能要求也比較苛刻，需要同時滿足物理、化學、力學、電學等多種性能，所以防靜電包裝材料是防靜電包裝的基礎, 開發(fā)新的集多種防護功能、環(huán)保易回收、低成本為一體的包裝材料是防靜電包裝的發(fā)展方向[18]。

參考文獻

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