抗靜電丙烯腈-丁二烯-苯乙烯表面電阻及體積電阻測試影響因素

劉 瑤, 龐承煥, 李衛(wèi)領(lǐng), 吳 博

(1.國高材高分子材料產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心有限公司, 廣州 510663；2.金發(fā)科技股份有限公司企業(yè)技術(shù)中心, 廣州 510663；3.塑料改性與加工國家工程實驗室, 廣州 510663)

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)由丙烯腈、丁二烯與苯乙烯三者共聚而成，ABS材料具有良好的加工性能和力學性能，可用于電子、電器等領(lǐng)域[1]。該類材料不具備導電性能，在某些特殊場景中使用其容易產(chǎn)生靜電聚集現(xiàn)象，甚至可能引發(fā)火災、爆炸等安全事故。該類材料可以通過表面噴涂或內(nèi)添加等方式獲得一定的抗靜電性能。通過內(nèi)添加抗靜電劑，ABS可達到一定的抗靜電效果，其具有抗靜電效果好、時效長，對力學、加工等性能影響小等特點，近年來被廣泛應用[2-5]。

電阻是評價材料抗靜電性能的主要指標之一，在日常檢測中，常使用電橋、高阻計等對電阻進行測試，不同類型的設(shè)備及電極對于材料的電阻會產(chǎn)生一定的影響，特別是不同電極對結(jié)果影響較大，這與材料的形狀、尺寸及表面接觸情況等均有密切關(guān)系[6]。除電極本身的差異外，環(huán)境溫度和濕度、測試電壓及試樣的接觸情況等均會對結(jié)果造成一定的影響[7-9]。為了探究外部測試因素對抗靜電ABS材料電阻的影響，筆者主要對調(diào)節(jié)時間、溫度、濕度、測量電壓及壓力等影響因素進行分析，為抗靜電ABS材料的電阻性能測試及使用提供參考。

1 試驗方法

1.1 試驗材料與儀器

試驗材料與儀器為：金發(fā)科技股份有限公司的ABS-606材料；PELESTAT6500型抗靜電劑；RT-58型雙螺桿擠出機；BM-90E型注塑機；ZC-90E型高絕緣電阻儀；QY-A-150C型恒溫恒濕試驗箱。

1.2 試驗方案

1.2.1 試樣制備

將ABS樹脂、抗靜電劑及其他添加物按比例混合均勻，擠出機各段溫度控制在170～230 ℃，在雙螺桿擠出機中擠出、造粒后，在80 ℃條件下烘干3 h。注塑機料筒溫度設(shè)置在180～220 ℃，注塑壓力為45 MPa～75 MPa，將粒子在注塑機上注塑成尺寸為(長×寬×高)為100 mm×100 mm×2 mm的表面光滑、無缺陷的抗靜電ABS-1#、ABS-2#方板試樣。其他添加物主要為抗氧劑1010、抗氧劑168和相容劑等，主要用于穩(wěn)定加工及注塑過程，對樣品的電阻性能無影響，可根據(jù)實際需求選擇添加。

1.2.2 測試方法

測試電阻時，可根據(jù)試樣的種類及測試要求的差異，選擇使用不同的電極?？轨o電ABS屬于硬質(zhì)聚合物樹脂，一般注塑成平板進行電阻測試，電阻為106～1012Ω，常使用同軸三電極進行測試。同軸三電極測試方法如圖1所示，將試樣置于測量電極、保護電極和被保護電極之間，在施加測量電壓時，就可以有效地避免外來寄生電壓引起的測量誤差，而僅測量施加在試樣上的兩測量電極之間的絕緣電阻具有更高的準確性。

圖1 同軸三電極測試方法示意

參考標準GB/T 31838.2—2019 《固體絕緣材料 介電和電阻特性 第2部分:電阻特性(DC方法) 體積電阻和體積電阻率》和GB/T 31838.3—2019《固體絕緣材料 介電和電阻特性 第3部分：電阻特性(DC方法)表面電阻和表面電阻率》進行體積電阻和表面電阻的測試，選擇同軸三電極，設(shè)定100 V測量電壓，試樣置于上、下三電極之間，當試樣出現(xiàn)接觸不良時，部分測試人員會向絕緣保護套上施加外部壓力，以增加試樣與電極的接觸面。試樣電化1 min后，讀取其電阻。

1.2.3 測試方案

為研究標準環(huán)境下不同調(diào)節(jié)時間、溫度、濕度、測試電壓及外加壓力對表面電阻及體積電阻的影響，設(shè)計了不同影響因素試驗方案(見表1)。在直流電源電壓為100 V，電化時間為60 s的條件下，測試試樣(ABS-1#、ABS-2#試樣)在不同條件下的表面電阻及體積電阻，其中每組試樣測試3次，取平均值。

表1 不同影響因素試驗方案

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 調(diào)節(jié)時間的影響

在溫度為(23±2) ℃，濕度為(50±5)%的標準環(huán)境下，調(diào)節(jié)時間分別為1,4,8,12,16,20,24，48，72，96，120 h，測試試樣的表面電阻及體積電阻，結(jié)果如圖2，3所示。

圖2 標準環(huán)境下不同調(diào)節(jié)時間的表面電阻測試曲線

圖3 標準環(huán)境下不同調(diào)節(jié)時間的體積電阻測試曲線

由圖2，3可知：在調(diào)節(jié)初期，由于環(huán)境因素的突然變化，試樣電阻的波動較大；隨著調(diào)節(jié)時間的推移，試樣內(nèi)部分子運動狀態(tài)趨于“穩(wěn)定”，電阻波動減小。不同標準對于試樣的調(diào)節(jié)時間要求不一致，一般為24～96 h。試樣在標準環(huán)境下放置，調(diào)節(jié)時間為8 h后，電阻波動減小，調(diào)節(jié)時間為24 h后，電阻即可趨于穩(wěn)定。

2.2 溫度的影響

將試樣置于濕度為50%的恒溫恒濕箱中，溫度分別設(shè)置為0，10，20，30，40，50 ℃，調(diào)節(jié)時間為24 h，測試試樣的表面電阻及體積電阻，結(jié)果如圖4，5所示。

圖4 不同溫度環(huán)境下的表面電阻測試曲線

圖5 不同溫度環(huán)境下的體積電阻測試曲線

由圖4，5可知：環(huán)境溫度對于試樣的電阻有一定影響，試樣的表面電阻及體積電阻均隨溫度的升高而呈現(xiàn)下降趨勢。隨著溫度的升高，兩種試樣的表面電阻和體積電阻的下降幅度基本一致，均未超過10倍。這是因為所使用的抗靜電劑為聚合物型抗靜電劑，與樹脂基體相容性較好，能均勻分布到試樣中，且其熱穩(wěn)定性好，受到環(huán)境溫度的影響有限。低溫環(huán)境會抑制電子“活性”，靜電釋放速度變緩，電阻增大。隨著溫度的升高，電子運動加劇，靜電釋放速度增大，導電性能也會呈現(xiàn)一定的上升趨勢，導致試樣整體電阻性能下降，這種趨勢相對平緩。

2.3 濕度的影響

將試樣置于溫度為23 ℃的恒溫恒濕箱中，濕度分別設(shè)置為15%，30%，40%，50%，60%，70%，80%，90%。另取一組試樣置于蒸餾水中浸泡，模擬100%濕度的調(diào)節(jié)條件，調(diào)節(jié)24 h后取出試樣，測試其表面電阻及體積電阻。測試前使用干凈的無紡布擦凈表面有水漬的試樣，結(jié)果如圖6，7所示。

圖6 不同濕度環(huán)境下的表面電阻測試曲線

圖7 不同濕度環(huán)境下的體積電阻測試曲線

由圖6，7可知：環(huán)境濕度能較大程度地影響材料的電阻，隨著濕度的增加，試樣的表面電阻和體積電阻均呈下降趨勢，且試樣在低濕度區(qū)域的下降幅度大于高濕度區(qū)域的下降幅度。這是由于在濕度較低的環(huán)境下，試樣的靜電聚集釋放速度緩慢，整體電阻增大。ABS材料具有一定的吸水性，隨著濕度的增加，會逐漸在試樣表面形成水膜，試樣的靜電流通性增強，材料的導電性增強，電阻性能下降。

聚合物抗靜電劑屬于高分子材料，其吸水性較強，混合后均勻分布在試樣中，隨著試樣表面附著水分的增多，試樣表面電阻也較大程度地降低。除去材料本身的吸水性會影響其在不同濕度下測試的電阻性能以外，抗靜電劑充分與樹脂基體混合后，會在材料內(nèi)部形成導電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，便于電荷的疏導。這些網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也更加利于水分的附著，材料的體積電阻隨環(huán)境濕度的變化更加敏感。在濕度為15%～100%的環(huán)境下，調(diào)節(jié)時間為24 h，試樣的體積電阻大幅度下降。

2.4 電壓的影響

在溫度為(23±2) ℃，濕度為(50±5)%的標準環(huán)境下，調(diào)節(jié)時間為24 h，測試電壓分別為100，250,500,1 000 V，測試試樣的表面電阻及體積電阻，結(jié)果如圖8,9所示。

圖8 不同測試電壓下的表面電阻測試曲線

圖9 不同測試電壓下的體積電阻測試曲線

由圖8，9可知：隨著測試電壓的增加，試樣的表面電阻和體積電阻整體均呈下降趨勢，這是因為在保持環(huán)境因素不變的情況下，超過一定電壓后，試樣的帶電粒子劇烈運動，使其導電性能增強，且電導電流增強的影響程度大于測試電壓增大的影響程度[4]，試樣整體電阻性能呈下降趨勢。當測試電壓為100～250 V時，電壓的增大使材料大部分帶電粒子運動，試樣的電阻性能下降較快。在電壓為500～1 000 V時，材料無法產(chǎn)生更多的帶電粒子，電阻測量值的下降趨勢有一定變緩。

2.5 外加壓力的影響

在溫度為(23±2) ℃，濕度為(50±5)%的標準環(huán)境下，調(diào)節(jié)時間為24 h，分別使用標準砝碼統(tǒng)一放置于測試電極上，模擬施加壓力分別為0，5，10，15，20 N，測試其表面電阻及體積電阻，結(jié)果如圖10，11所示。

圖10 不同外加壓力下的表面電阻測試曲線

圖11 不同外加壓力下的體積電阻測試曲線

由圖10，11可知：隨著外加壓力的增大，試樣的表面電阻和體積電阻整體均呈下降趨勢。這是因為現(xiàn)有工藝很難使電極與試樣表面保持絕對平整，在外加壓力的作用下，能在一定程度上增大電極與試樣的接觸面，試樣的電阻呈現(xiàn)下降趨勢。在日常生產(chǎn)過程中，需要考慮抗靜電劑等添加物與材料本身的相容性?；旌陷^差的材料在注塑、測試或成型的過程中，都有可能會出現(xiàn)表面不均勻或接觸不良的情況。在測試一些表面缺陷導致接觸不良的試樣時，外加壓力能作為一種加大試樣與電極接觸面的常用方法。

由于產(chǎn)品的實際使用條件不穩(wěn)定，且與標準環(huán)境差異較大，不同的調(diào)節(jié)環(huán)境和測試條件對于試樣的電阻測試結(jié)果影響較大。試樣的表面電阻和體積電阻總體隨著溫度、濕度和電壓的增大而減小，同時也隨著試樣外加壓力的增大而減小，在實際測試過程中，必須嚴格按照標準要求執(zhí)行。在實際應用場景中，抗靜電ABS材料的實際使用過程也需要充分綜合核查結(jié)果，確認核查的設(shè)備仍可以繼續(xù)使用，最好對該設(shè)備進行一次維修保養(yǎng)，找出波動度較大的原因。

考慮這些因素的影響，在溫度和濕度偏高的環(huán)境下，材料會表現(xiàn)出更好的抗靜電效果。

3 結(jié)論

(1) 調(diào)節(jié)時間會影響電阻測試數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，需要嚴格按照標準要求的調(diào)節(jié)時間進行測試。對于無標準要求或無法達到規(guī)定調(diào)節(jié)時間的試樣，一般建議在標準環(huán)境下調(diào)節(jié)至少24 h，對于緊急試樣的測試，建議調(diào)節(jié)時間不低于8 h。

(2) 環(huán)境溫度對于試樣電阻測試結(jié)果的影響幅度不大，試樣的表面電阻及體積電阻均隨溫度的增加呈現(xiàn)下降趨勢，且下降幅度基本一致。

(3) 濕度對于試樣的電阻測試結(jié)果影響最大。在測試及實際的生產(chǎn)使用過程中，需要充分考慮濕度對材料電阻的影響。