新型三层共挤复合导电薄膜

BGND 2016-11-11

展开全文

在当今导电薄膜的市场中，无论是导电聚合物型、镀层型，还是共混型，都或多或少的带有一些缺点，不是性能不理想，就是成本太高。而一种新型三层共挤复合导电薄膜却能够很好地兼顾这两方面。

在现代生活和工业生产中,由静电放电产生的静电电压和静电噪声会产生极大的危害。例如，在粉尘极多的车间或场地,积累的静电遇到合适的条件会发生放电，其瞬间释放出的能量和产生的火花会造成爆炸、火灾等灾害;超细超薄的电子元件对静电放电的敏感性极高，甚至低于20V的静电压,也能造成电子元件的损伤和破坏。通常，100V左右的静电压就可使PN类电子元件击穿,200V以上的静电压就可使电脑板卡上的氧化膜熔断;静电噪声(静电放电产生的电磁波)能干扰甚至破坏各种电子通信设备、电子控制设备。据称,全世界每年由于静电放电和电磁干扰所造成的损失高达数百亿美元。

基于静电的巨大危害，而且很多时候是由于所用塑料不具备抗静电性造成的，因此在这些场合使用抗静电塑料显得尤为必要。然而绝大多数塑料都是电绝缘体,要想使其具有静电分散(ESD)和电磁屏蔽(EMI)性能，就必须对其进行改性。这种经改性的塑料被称为抗静电或导电塑料。采用挤出、吹塑、注射等成型方法, 它们可被制成各种型材、容器、薄膜、工业配件等。作为其中一个大类产品, 导电薄膜是使用常见塑料与导电物质的共混物或填充物通过吹塑，或者在已有薄膜的基础上通过喷镀金属来制成的。它的体积电阻率一般在103~108Ω·cm 的范围之内,可广泛应用于微电子元件、集成电路芯片包装及光缆屏蔽、导弹电磁屏蔽等领域.

导电聚合物薄膜

有些具有共轭双键结构的结晶形高聚物，如聚乙炔、聚对苯撑、聚硫氰、聚噻吩、聚苯硫醚、聚苯胺等，由于它们都具有沿本身聚合物键导电的能力, 因此可把它们归为导电聚合物。

镀层型导电薄膜

在塑料薄膜表面镀一层金属,或者采用干式复合等方法,在塑料薄膜表面黏合一层镀金属膜或金属箔,可以制成导电薄膜。塑料薄膜喷镀金属的方法,有真空蒸镀、离子电镀等。镀金属导电膜通常以聚酯(BOPET)、聚丙烯(BOPP)、聚碳酸脂和聚酰亚胺薄膜为基材,分别喷镀纯金属、金属合金、金属氧化物等而形成多层复合导电薄膜。这种导电薄膜的优点是具有轻便柔软、力学性能高、透光率高、性能稳定、不易破裂等特点,且其体积电阻率能够维持在 104~1010Ω·cm之间，可满足电子元件业中的多种应用。例如，用于透明触摸式按键用的透明电极、液晶显示板用的透明电极及电场发光显示板用的透明电极的透明PET/ITO(透明导电半导体玻璃)薄膜，表面发热薄膜(PET/Ni-Cr薄膜)，电子照相薄膜(PET/Pd薄膜)。它们的缺点是制造成本较高,还难以普遍推广。

共混型导电薄膜

若在聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等通用塑料中，填充一定量的导电物质，如炭黑、铝粉、石墨、不锈钢纤维、碳纤维等，就能制成导电塑料，然后再用这种导电塑料制成导电塑料薄膜。由于这种导电薄膜价格相对低廉，因而目前使用最多。而其中又以聚乙烯/炭黑导电薄膜为最大用量的品种。该薄膜具有持久的导电性能，导电率为10-8~100S/cm，体积电阻率为103~108Ω·cm。

虽然聚乙烯/炭黑导电薄膜可采用普通塑料薄膜设备加工成型，且生产技术成熟，但是它仍存在许多不足之处，这包括：

● 由于导电塑料中大量填充导电炭黑(炭黑含量约20%~35%)，故只能用来制造外观为深黑色的薄膜。

● 导电炭黑在塑料中较难均匀分散，多余的导电颗粒如发生脱落会损害电子元件;而且，塑料中的炭黑浓度即使发生较小的变化，也会使薄膜的导电性产生波动。

● 大量添加导电炭黑，可降低导电薄膜的力学性能。

● 在深黑色的薄膜表面上只能印刷白色图纹(不能进行彩色印刷)，从而大大降低了包装的美观性。

● 在竞争日趋激烈的市场中，聚乙烯/炭黑导电薄膜的价格相对较高。

三层共挤复合导电薄膜

为了克服聚乙烯/炭黑导电薄膜的上述缺点，一种新型三层复合导电薄膜应运而生。这种复合导电薄膜是基材采用聚乙烯等普通塑料通过三层共挤吹膜设备来进行生产的。它的横截面具有三层，即内层为导电层，中层为过渡层，外层为白色或彩色的抗静电层。由于各层厚度和功能可以预先设定和调整，因此能够充分满足用户的使用要求。

1、三层共挤复合导电薄膜的优势

(1)能够实现静电分散、导电及电磁屏蔽功能的合理分配

薄膜的内层(导电层)是使用聚乙烯/炭黑导电塑料制成的。聚乙烯塑料在填充一定量的导电炭黑后, 炭黑的粒子之间通过相互接触,就会形成炭黑导电链键状网络,或者当炭黑粒子之间的间隙变得很小时(如10nm),它们就可以形成电传导通道。通常，处于接触状炭黑粒子越多,网络越致密,或粒子间的间隙越小，材料的导电率就越高。不过，薄膜导电率的增加也是有限的，当炭黑网络形成一定的密度之后,导电薄膜的导电率就会回归于一个定值。一般来说，三层共挤复合导电薄膜的内层体积电阻率为103~108Ω·cm。

导电炭黑是天然的半导体,其体积电阻率在10-2~101Ω·cm之间。由于导电炭黑的性能、添加量、种类是影响薄膜导电层导电性能的主要因素,因此，调节导电炭黑的品种(选择添加量少,导电性能好的品种和型号)和添加量,可使三层共挤复合导电薄膜的导电层表现出不同的导电性能。三层共挤复合导电薄膜的进一步发展,是导电碳纤维、纳米碳纤维、沥青碳纤维在导电层上的应用。例如,美国Hyperion公司推出了一种添加量只是碳纤维一半的多层石墨纳米管微丝，其电性能可覆盖整个电能谱范围;Cevolution公司所用的沥青碳纤维，不仅导电性比碳纤维高，而且其它性能也明显高于碳纤维。不过，这些新型导电材料因价格过高，目前还不能得到大规模的应用。

三层共挤复合导电薄膜的外层(抗静电层)因不与被包装物接触，故对其导电性的要求一般不是很高，只要具有一定的抗静电效果即可(体积电阻率为 108~1010Ω·cm)。该层采用在聚乙烯等塑料中添加少量(0.1%~0.3%)非离子型表面活性剂(抗静电剂)的方法来制得。抗静电剂是一种既含有亲油基团又含有亲水基团的物质，亲油基团保证了抗静电剂与塑料的相容性，而亲水基团则保证了抗静电剂的抗静电性。由于亲水基团与塑料不相容，它会逐渐迁移至薄膜的表面，并吸收空气中的水份，最终会在薄膜的表面形成一层极薄的导电水膜。复合导电薄膜正是靠着这层水膜才能把积聚在薄膜上的静电迅速分开。

根据使用要求，三层共挤复合导电薄膜的导电层厚度可在薄膜总厚度的30%~50%之间进行调整，而过渡层及外层的调整厚度为总膜厚的50%~70%。

(2)较高的力学性能

聚乙烯/炭黑导电薄膜由于含有大量的导电炭黑粉末，其力学性能一般是较低的。如果想获得更高的导电性能就得加入更多的炭黑，从而使薄膜的力学性能进一步降低。这样就造成了薄膜导电性能与力学性能之间的严重对立。而在三层共挤复合导电薄膜中，由于引入了高强度的过渡层及抗静电层，降低了导电层厚度，因此与聚乙烯/炭黑导电薄膜相比，三层共挤薄膜的力学性能得到了明显提高(见表1)。

表1聚乙烯/炭黑导电薄膜与三层共挤复合导电薄膜力学性能的比较

(3)高性价比

在三层共挤复合导电薄膜中，由于导电层较薄，其所用材料价格仅为聚乙烯/炭黑导电薄膜价格的一半。因此，这种导电薄膜具有极具竞争力的性价比。

(4)外观明显改善

三层共挤复合导电薄膜为双色薄膜，抗静电层可保持聚乙烯本色。因此可在复合导电薄膜的表面进行多色图文印刷，从而使作为包装材料的复合导电薄膜外观更美观，且能传递更多的产品信息。

2、如何选择材料

要使三层共挤复合导电薄膜保持较高的综合性能，关键是导电塑料的制造(包括配方中所用材料的选择)及聚乙烯品种型号的选择。导电塑料一般选用聚乙烯弹性体、茂金属聚乙烯、EVA或它们的混合物作为载体，而炭黑则选用结构性高、分散性好、比表面积大、表面活性含氧官能团数量少的特导炭黑。在制造聚乙烯/炭黑导电塑料时，炭黑的添加量为15%~35%，并应事先使用偶联剂(用量一般为炭黑的1%~2%)进行表面处理;聚乙烯一般选用相对分子质量高、熔体流动速率(MFR)低、分子量分布范围为中到窄的型号，并应使用LDPE与LLDPE的共混物。