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納米ATO粉在高分子抗靜電包裝材料中的應(yīng)用
納米ATO粉在高分子抗靜電包裝材料中的應(yīng)用
摘要：本文從抗靜電涂料、抗靜電纖維及抗靜電****三個方面綜述了納米ATO導(dǎo)電粉在高分子抗靜電材料中應(yīng)用的研究進(jìn)展，并指出了有待于深入研究的幾個問題。
關(guān)鍵詞：納米 ATO 抗靜電 應(yīng)用
產(chǎn)品需要包裝，而包裝材料的質(zhì)量直接或間接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。以往的產(chǎn)品包裝大多注重于其外觀、防潮、隔熱、保溫等性能，而對防靜電、防射頻性能沒有引起足夠的重視，也造成了嚴(yán)重的后果，據(jù)報道，全世界電子工業(yè)因靜電放電(EDS)造成的損失每年達(dá)數(shù)百億美元”。近年來，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，高分子材料因其在生產(chǎn)、加工及使用等方面的優(yōu)越性能而廣泛應(yīng)用于包裝等領(lǐng)域，高分子材料抗靜電研究也成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一。
常用的高分子材料抗靜電方法是在材料中添加導(dǎo)電填料，但現(xiàn)有的導(dǎo)電填料在使用過程中暴露出了許多問題”：貴重金屬填料(如金粉、銀粉、鎳粉等)導(dǎo)電性好，但價格昂貴，不適于大規(guī)模使用；銅粉價廉，但易被氧化；碳系填料導(dǎo)電性好、耐度上限制了其使用。為此，國外在90年代研制出價廉、色淺的金屬氧化物導(dǎo)電填料，并得到迅速的發(fā)展。納米摻銻二氧化錫(Antimony Doped Tin Oxide，簡稱ATO)，是一種N型半導(dǎo)體材料，與傳統(tǒng)的抗靜電材料相比，納米ATO導(dǎo)電粉體具有明顯的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在良好的導(dǎo)電性，淺色透明性，良好的耐候性和穩(wěn)定性以及低的紅外發(fā)射率等)：面，是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦投喙δ軐?dǎo)電材料”。本文從抗靜電涂料、抗靜電纖維及抗靜電****3個方面介紹了納米ATO粉在高分子抗靜電材料中應(yīng)用。
1 抗靜電涂料
抗靜電涂料是納米ATO粉的主要應(yīng)用市場。將納米ATO粉末作為導(dǎo)電填料添加到聚酰胺、丙烯酸等基體樹脂中，選擇適當(dāng)?shù)姆稚⒎椒�，可制得納米復(fù)合透明抗靜電涂料。在納米ATO復(fù)合抗靜電涂料中，當(dāng)納米ATO粉的添加量達(dá)到某一臨界值時，涂層的導(dǎo)電性能才明顯改善。研究表明，納米ATO粉在涂料中的臨界體積濃度(CPVC)約為23％，當(dāng)PVC達(dá)到23％后，涂層的導(dǎo)電性能較好，如圖1 所示。但進(jìn)一步增大納米ATO的用量，對于涂層的導(dǎo)電性能的改善并沒有很大的幫助，相反，會影響涂層的色澤、透明度以及力學(xué)性能等。另外，基體樹脂的種類、溶劑的用量以及制備工藝等都對涂料的性能有明顯的影響。
由于納米ATO顆粒比表面積大、比表面能高，屬于熱力不穩(wěn)定體系，粉體顆粒自發(fā)的相互聚集，以降低整個系統(tǒng)的由焓。這種形成團(tuán)聚狀的二次顆粒，乃至三次顆粒，會破壞末的超細(xì)性和均勻性，影響納米粉末的性能，進(jìn)而影響產(chǎn)品最終的使用性能”1)。因此，影響涂料抗靜電性能的首要因素是納米ATO粉的高度分散問題。
針對如何實(shí)現(xiàn)透明導(dǎo)電涂料中納米ATO粉的高度分散問題，李青山等D2]通過實(shí)驗(yàn)研究了共沉淀法制備的納米ATO粉在水中高度分散體系的形成條件，并討論了球磨時間及PH值對分散體系的影響，結(jié)果表明，在不加任何助劑的情況下，球磨時間需要5天以上才能形成分散效果較好的納米ATO粉水分散體系；納米ATO粉在強(qiáng)堿和等電點(diǎn)(pH=1．8)附近的水溶液中將聚沉，而在遠(yuǎn)離等電點(diǎn)(PH值在10-11．5)的水溶液中可呈現(xiàn)出不同的分散狀態(tài)，可形成無團(tuán)聚狀態(tài)的高穩(wěn)定性摻銻二氧化錫超細(xì)粉水分散體系。王棟等””研究了納米ATO在水中的穩(wěn)定、分散行為，討論了分散劑種類、ATO用量、PH值、分散劑用量對體系穩(wěn)定性、分散性和流變性的影響，制備粘度較低、穩(wěn)定性分散J，哇良好的納米ATO懸浮液。
納米ATO復(fù)合抗靜電涂料是一種用途廣泛的功能材料，如電子設(shè)備的透明包裝薄膜抗靜電涂層、平面顯示材料、面發(fā)熱體等；另外，可通過調(diào)節(jié)銻摻雜量得到不同藍(lán)色調(diào)的納米ATO粉，從而獲得不同色調(diào)的抗靜電涂料，這一點(diǎn)對其在包裝領(lǐng)域的應(yīng)用至關(guān)重要。
2 抗靜電纖維
納米無機(jī)粉體改性纖維材料正逐步成為纖維材料改性的一個重要的發(fā)展方向。與其它類型的抗靜電纖維相比，納米級金屬氧化物型抗靜電纖維具有許多獨(dú)特的優(yōu)異性能，如不受氣候和使用環(huán)境的限制，穩(wěn)定性較好；納米級金屬氧化物不易從纖維上脫落，分布也較為均勻；纖維制備工藝簡單；纖維使用范圍廣泛，幾乎可用干任何需防靜電的場合等”。新型的納米級透明導(dǎo)電粉末，因其制品的透明性和優(yōu)良的導(dǎo)電性而備受人們的青睞。將納米ATO用于化學(xué)纖維抗靜電處理的途徑主要有3個：
1)在纖維紡絲時直接添加納米級ATO粉末，其關(guān)鍵是無機(jī)納米級ATO與纖維材料的相容性，需要添加特殊的分散助劑；
2)在原料(如毛條、滌綸絲)染色過程中添加納米級ATO或其水性懸浮液，使染色與功能化一步完成；
3)在坯布的染色或整理過程中添力口納米級ATO水性懸浮液。
東華大學(xué)纖維改性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的王棟等人采用納米粉體ATO粉為抗靜電劑，以聚乙烯亞胺(PEl)為分散劑，將納米ATO穩(wěn)定均勻地分散于去離子水中，并首次將該懸浮液作為聚丙烯腈纖維紡絲過程的預(yù)熱浴，來改善PAN纖維的抗靜電性。由于纖維內(nèi)外納米無機(jī)微粒的濃度差和初生PAN纖維內(nèi)部大量微孔的存在，納米ATO微粒能夠通過擴(kuò)散、遷移進(jìn)入纖維或吸附于纖維表層，當(dāng)PAN纖維被拉伸、干燥、致密化處理時，納米ATO能留在纖維中并形成納米ATO局部接觸的導(dǎo)電通道，賦予PAN纖維抗靜電性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明納米ATO改性PAN纖維的體積比電阻率下降三個數(shù)量級，具有良好的抗靜電性能，同時還基本保持了纖維原有的力學(xué)性能。另外，國家超細(xì)粉末工程研究中心也正開展將納米ATO應(yīng)用于抗靜纖維的制備及其它多個領(lǐng)域的研究。
目前改善滌綸織物靜電性能的最主要的方法是采用有機(jī)抗靜電劑通過簡單易行的面料后整理技術(shù)進(jìn)行抗靜電整理。但由于有機(jī)抗靜電劑存在對環(huán)境濕度依賴性大且抗靜電效果持久性差等問題，因此尋求一種具有優(yōu)良且耐久抗靜電性能的抗靜電劑成為研發(fā)熱點(diǎn)。吳越等人Emi將納米ATO粉體用于滌綸織物抗靜電處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)納米ATO抗靜電整理劑處理的滌綸織物表面電阻從未處理的>1012Ω降低到<1010Ω級，洗滌50次，抗靜電效果基本不變。陳雪花等””用涂層方法對滌綸面料進(jìn)行了納米級ATO抗靜電劑的抗靜電功能整理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：只有當(dāng)ATO粒子暴露在膜的表面時，它才能發(fā)揮抗靜電性能；當(dāng)ATO粒子以部分湮沒于膜內(nèi)，部分顯露在膜表面的形式存在于涂層中時，涂膜的抗靜電性能才持久。丁鐘復(fù)等將不同銻摻雜量的納米ATO粉用于滌綸針織物的抗靜電處理，研究表明，粉體的摻雜量是影響抗靜電性能主要因素之一，在4％—8％銻摻雜量的試驗(yàn)范圍內(nèi)，摻雜量越多，它的抗靜電性能越好，但粉體的顏色也隨之加深，將影響其在淺色紡織品上的使用。
纖維功能化是合成纖維的一個重要發(fā)展趨勢。我國是化纖的生產(chǎn)和消費(fèi)大國，化學(xué)纖維抗靜電處理將是納米ATO粉的重要應(yīng)用市場之一。
3 抗靜電****
目前，將各種無機(jī)導(dǎo)電填料(如銅粉、銀粉、炭黑等)摻入到基體高分子中加工成型的抗靜電高分子材料最具使用價值，復(fù)合材料的體積電阻率在較大范圍內(nèi)可調(diào)，其中不少在國外已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商品化。但由于炭黑等材料在****中的分散性差，與****的相容J，哇不好，因而其在應(yīng)用上也受到一定的限制。納米ATO粉粒徑小，與****有很好的相容性，且色淺，為導(dǎo)電粉在****上的應(yīng)用拓寬了領(lǐng)域。納米ATO粉在****表面抗靜電中應(yīng)用需解決的主要問題是添加量與材料的機(jī)械力學(xué)性能之間的關(guān)系，以及納米粉體在基體樹脂中的分散問題，例如可以采用皮芯結(jié)構(gòu)和多層擠出等特殊的工藝，這需要預(yù)先制備納米ATO導(dǎo)電****母粒。
4 結(jié) 語
納米ATO粉與傳統(tǒng)的抗靜電材料相比具有顯著的優(yōu)勢，在高分子材料抗靜電領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，極具發(fā)展?jié)摿�。如何開發(fā)和利用好納米ATO的這些優(yōu)點(diǎn)，使其在市場中站穩(wěn)腳跟，以下幾個方面的工作有待于進(jìn)一步的深入研究。
1)納米ATO粉體的團(tuán)聚問題。從目前的制備水平來看，無論哪一種方法制備的粉末，顆粒都趨向于聚集在一起，形成二次顆粒，乃至三次顆粒，極大影響納米粉體的使用性能。因此，必須從團(tuán)聚機(jī)理入手，探索一種切實(shí)可行的解決納米粉末在制備和儲存時的團(tuán)聚問題。
2)納米ATO粉體的制備方法報道很多，但大部分都處于實(shí)驗(yàn)室小樣制備水平，真正可以工業(yè)化批量生產(chǎn)的方法不多，還需努力探索最佳的制備方法和工程放大技術(shù)。
3)積極探索納米ATO粉體新的應(yīng)用領(lǐng)域，更好地為提高人們的生活水平作貢獻(xiàn)。
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