■ 文/天津科技大學(xué) 包裝與印刷工程學(xué)院 李冬娜、馬曉軍

近年來(lái), 隨著人們對(duì)靜電危害認(rèn)識(shí)的深化，防靜電包裝發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用。防靜電包裝，就是采取一系列措施，通過(guò)減少或消除包裝件在搬運(yùn)和使用中產(chǎn)生的摩擦電荷，防止靜電放電造成對(duì)產(chǎn)品及人身安全的危害，以達(dá)到防護(hù)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(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

防靜電包裝的防護(hù)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(dǎo)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(yīng)用也不同。一般來(lái)說(shuō)，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(hù)程度的關(guān)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(hù)程度的關(guān)系

防靜電包裝材料的分類(lèi)有多種方法。按照包裝分類(lèi)，可分為一次包裝材料、接近包裝材料、二次包裝材料，具體見(jiàn)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(dǎo)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(lèi)

一、防靜電包裝材料的研究進(jìn)展

（一）導(dǎo)電填料填充型

導(dǎo)電填料填充型是指在材料的生產(chǎn)過(guò)程中,添加能提高材料導(dǎo)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(jī)高分子系等。添加導(dǎo)電填料形成導(dǎo)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(shì)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(dá)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(shì)得到廣泛應(yīng)用。研究顯示，由炭黑填料填充獲得的導(dǎo)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(dǎo)電材料[2]。

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

導(dǎo)電填料填充是目前最簡(jiǎn)單有效的防靜電方法，多數(shù)學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究，張曉玉等[4]對(duì)填料填充后的導(dǎo)電高分子導(dǎo)電的機(jī)理進(jìn)行了介紹，指出導(dǎo)電的原因是最初孤立分散的填料粒子在體積分散達(dá)到某一臨界量以后，形成連續(xù)的導(dǎo)電通路，填料粒子較好的分散在材料中，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，材料才具有良好的導(dǎo)電性。導(dǎo)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(gè)方面[5]。因此，目前研究的重點(diǎn)是導(dǎo)電填料的改善及合成樹(shù)脂的選擇。趙云飛等[2]介紹了一種新型的具有良好導(dǎo)電性的涂料--碳纖維，使用此種填料具有鍍層均勻、牢固、粘結(jié)性好等優(yōu)點(diǎn)。另外，鍍金屬的碳纖維比一般碳纖維的導(dǎo)電性提高50～100倍，即使填充量很少，也可獲得較高導(dǎo)電率的復(fù)合材料。但也存在一定缺陷，如價(jià)格高，金屬纖維在加工時(shí)易折斷、易被氧化[6]。

宋廣成[7]分析了輕質(zhì)石油貯罐導(dǎo)靜電涂料防腐性能失效的原因，討論了防靜電涂層結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電填料種類(lèi)及漆層抗?jié)B透性對(duì)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(jié)構(gòu)類(lèi)型，對(duì)油罐內(nèi)壁導(dǎo)靜電防腐涂層設(shè)計(jì)了配套方案：無(wú)機(jī)富鋅作為底漆，以炭黑、石墨為導(dǎo)電填料的防靜電中間漆，以金屬氧化物為導(dǎo)電填料的聚氨酯或環(huán)氧防靜電面漆，這樣設(shè)計(jì)出來(lái)的導(dǎo)靜電涂層，可明顯延長(zhǎng)涂層的防靜電和防腐蝕壽命，具有一定的實(shí)用價(jià)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(shí)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(jī)結(jié)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(jiǎn)單，可應(yīng)用于電子元器件、半導(dǎo)體、集成電路、精密電子儀器設(shè)備的包裝。黃暉[9]也發(fā)明了一種防靜電包裝材料，通過(guò)在包裝基材表面涂敷導(dǎo)電層實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)電層由碳粉、聚胺酯、添加劑、溶劑按一定比例構(gòu)成，可賦予包裝材料防靜電功能，由于碳粉材料價(jià)格低廉，性能優(yōu)良，具有廣泛的應(yīng)用前景。Mao等[10]通過(guò)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(fù)合材料。結(jié)果顯示，共聚物共混后形成的多孔結(jié)構(gòu)和碳黑的納米孔明顯增加了電導(dǎo)率。與傳統(tǒng)雙滲法制備的碳復(fù)合材料比較，PP/碳黑材料的電導(dǎo)率提高了10個(gè)數(shù)量級(jí)，滲濾閾值降低了約80%，為制備多孔導(dǎo)電材料提供了潛在的參考價(jià)值。Ma等[11]研究了動(dòng)態(tài)硫化過(guò)程對(duì)碳黑填充的PP/EPDM共混物電性能的影響。結(jié)果顯示，隨著碳黑的加入，未交聯(lián)和動(dòng)態(tài)硫化復(fù)合材料的電性能表現(xiàn)出明顯的差異性，主要由于動(dòng)態(tài)硫化過(guò)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(fù)合材料的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的形成是由雙逾滲效應(yīng)引起的，而對(duì)于未交聯(lián)復(fù)合材料的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的形成是通過(guò)排除體積效應(yīng)引起的。

（二）納米型防靜電包裝材料的研究進(jìn)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(dǎo)電介質(zhì)，在生產(chǎn)時(shí)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(shí)也解決了印刷表面的靜電吸附問(wèn)題，提高了印刷速度和印刷效果[12]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)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(dǎo)電介質(zhì)，并用物理與化學(xué)結(jié)合法對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，以NH-50脂肪族聚氨酯彈性樹(shù)脂為基體，通過(guò)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(xué)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(dǎo)電介質(zhì)，聚酰胺樹(shù)脂為基材，經(jīng)超聲、攪拌、抽濾、干燥一系列工藝制備了高導(dǎo)電性聚酰胺/石墨納米導(dǎo)電復(fù)合材料。本方法制得的復(fù)合材料有較低的滲濾閾值，較高的電導(dǎo)率，在防靜電材料、電磁屏蔽材料、微波吸收等領(lǐng)域可得到廣泛的應(yīng)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(guò)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(qiáng)度，降低了表面電阻率。此防靜電包材料具有優(yōu)異的力學(xué)和導(dǎo)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(guò)化學(xué)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(jié)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(fù)合JIS和AATCC標(biāo)準(zhǔn)要求，具有潛在的應(yīng)用前景。Nootsuwan等[17]通過(guò)氧化法，以碳黑為載體涂敷納米銀粒子。結(jié)果顯示，納米銀粒子均勻的分布在碳黑表面，電導(dǎo)率測(cè)試結(jié)果表明，純PLA的電導(dǎo)率很低，但加入納米銀涂層的碳黑后，復(fù)合材料的電導(dǎo)率大幅增加。加入15%納米銀涂層碳黑的PLA電導(dǎo)率是只加入碳黑PLA電導(dǎo)率的9倍。

從國(guó)外情況看，目前已有多個(gè)國(guó)家在防靜電包裝領(lǐng)域的研制、生產(chǎn)等均處于世界領(lǐng)先地位。近年來(lái)抗靜電材料受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注，這也意味著新型抗靜電包裝材料時(shí)代的到來(lái)。

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(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，由于容易產(chǎn)生靜電的產(chǎn)品較多，對(duì)抗靜電性能的要求也越來(lái)越高，因此防靜電包材發(fā)展的勢(shì)頭不可擋，這也就對(duì)今后防靜電包裝的設(shè)計(jì)提出了更嚴(yán)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(fèi)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(huì)影響材料的二次加工，造成擦傷、紋路等缺陷。有時(shí)對(duì)防靜電包裝材料的綜合性能要求也比較苛刻，需要同時(shí)滿足物理、化學(xué)、力學(xué)、電學(xué)等多種性能，所以防靜電包裝材料是防靜電包裝的基礎(chǔ), 開(kāi)發(fā)新的集多種防護(hù)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]。

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