導(dǎo)電性高分子材料一般分為結(jié)構(gòu)型和復(fù)合型兩大類。結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子聚合物是1977年才發(fā)現(xiàn)的，它是有機(jī)聚合摻雜后的聚乙炔，具有類似金屬的電導(dǎo)率。而純粹的結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子聚合物至今只有聚氮化硫類，其它許多導(dǎo)電聚合物幾平均需采用氧化還原、離子化或電化學(xué)等手段進(jìn)行摻雜之后才能有較高的導(dǎo)電性。其代表性的產(chǎn)物有聚乙炔、聚對(duì)苯撐、聚吡咯、聚噻吩、聚吡啶、聚苯硫醚等。還有一種叫作熱分解導(dǎo)電高分子，這是把聚酰亞胺、聚丙烯腈等在高溫下熱處理，使之生成與石墨結(jié)構(gòu)相近的物質(zhì)，從而獲得導(dǎo)電性。這些熱分解導(dǎo)電高分子的特征是無(wú)須摻雜處理，故具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料的主要用途是導(dǎo)電材料、蓄電池電極材料、光功能元件、半導(dǎo)體材料，其研究開發(fā)主要集中在以T4個(gè)方面：①具有與金屬相同的電導(dǎo)率；②在空氣中是穩(wěn)定的；③具有高功能；④具有良好的加工成型性。
另一類被稱之為復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料，它是由導(dǎo)電性物質(zhì)與高分子材料復(fù)合而成。這是一類已被廣泛應(yīng)用的功能性高分子材料。本文主要介紹復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料。
一、復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料的分類及用途
復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料的分類有很多種，根據(jù)電阻值的不同可分為：半導(dǎo)電體、除靜電體、導(dǎo)電體、高導(dǎo)電體；根據(jù)導(dǎo)電填料的不同可分為：抗靜電劑系、碳系(炭黑、石墨等)、金屬系(各種金屬粉末、纖維、片等)；根據(jù)樹脂的形態(tài)不同可分為：導(dǎo)電塑料、導(dǎo)電橡膠、導(dǎo)電涂料、導(dǎo)電膠粘劑、導(dǎo)電薄膜等；還可根據(jù)其功能不同分為：防靜電材料、除靜電材料、電極材料、發(fā)熱體材料、電磁波屏蔽材料。本文主要介紹復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料中導(dǎo)電塑料的用途。
(1)在電子、電器領(lǐng)域中作集成電路、晶片、傳感器護(hù)套等精密電子元件生產(chǎn)過程中使用的防靜電周轉(zhuǎn)箱、IC及LCD托盤、IC封裝、晶片載體、薄膜袋等。
(2)防爆產(chǎn)品的外殼及結(jié)構(gòu)件，如：煤礦、油船、油田、粉塵及可燃?xì)怏w等場(chǎng)合中使用的電器產(chǎn)品外殼及結(jié)構(gòu)件。
(3)中、高壓電纜中使用的半導(dǎo)電屏蔽料。
(4)電訊、電腦，自動(dòng)化系統(tǒng)、工業(yè)用電子產(chǎn)品、消費(fèi)用電子產(chǎn)品、汽車用電子產(chǎn)品等領(lǐng)域中的電器產(chǎn)品EMI屏蔽外殼。
二、復(fù)合型導(dǎo)電塑料的國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況
1、抗靜電劑填充型
抗靜電劑填充型產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)是制品著色不受限制，其中低分子型抗靜電劑對(duì)產(chǎn)品性能影響不大，其表面電阻率為1010-1013Ω。但低分子抗靜電劑填充型產(chǎn)品的電性能會(huì)隨著時(shí)間的推移而逐漸喪失。
國(guó)外目前的主要開發(fā)動(dòng)向是研制生產(chǎn)高分子型抗靜電劑，高分子型抗靜電劑亦可稱為永久性抗靜電劑，它不會(huì)像低分子型抗靜電劑那樣水洗后或長(zhǎng)時(shí)間使用后便喪失其導(dǎo)電性。高分子型抗靜電劑的主要品種有：聚醚型、季氨鹽型、磺酸型、酸的接枝共聚物、離子型。主要生產(chǎn)廠家有日本的三洋化成、住友精化、住友科學(xué)工業(yè)、第一工業(yè)制藥，瑞士的汽巴精化、科萊恩，美國(guó)的威科、大湖等。高分子型抗靜電劑的添加量是低分子型抗靜電劑的5-15倍，同時(shí)還要考慮其與樹脂的相容性從而選擇適用的相容劑，因受到成本的制約使其應(yīng)用受到一定限制。國(guó)內(nèi)目前主要是低分子型抗靜電劑，代表性的廠家有杭州塑料研究所、北京市化工研究院等。
2、碳系填充型
這一系列的填充物主要是導(dǎo)電炭黑、石墨和碳纖維，制成品的體積電阻率為102-109Ω?cm。其中炭黑填充是主流，炭黑填充型導(dǎo)電聚合物之所以被廣泛采用，其一是因?yàn)閷?dǎo)電炭黑價(jià)格較為低廉；其二是因?yàn)樘亢谀芨鶕?jù)不同的導(dǎo)電性需求有較大的選擇余地，它的制成品的電阻值可在102-109Ω之間的寬廣范圍內(nèi)變化；其三是導(dǎo)電性持久、穩(wěn)定；因此是理想的抗靜電材料。但是它的制成品僅限于黑色，并對(duì)材料性能影響較大，需要配套改性技術(shù)。炭黑填充型導(dǎo)電塑料的主要用途是：
(1)與集成電路相關(guān)的領(lǐng)域 集成電路塊、場(chǎng)效應(yīng)管、晶體管等電子元器件在加工、裝配、包裝、運(yùn)輸?shù)壬a(chǎn)過程中，常常會(huì)因震動(dòng)、摩擦產(chǎn)生的靜電而損壞，甚至造成整臺(tái)機(jī)器的報(bào)廢。這些電子元器件對(duì)靜電的敏感程度小至100伏，大至上萬(wàn)伏不等。幾百伏以至上千伏的靜電是非常容易產(chǎn)生的，有實(shí)驗(yàn)表明：人在低溫度環(huán)境中的干燥地毯上行走時(shí)，可產(chǎn)生5000伏的靜電，戴著橡膠手套與塑料容器接觸時(shí)，可產(chǎn)生6000伏的靜電，即使是不戴手套用手直接與塑料容器接觸，也會(huì)產(chǎn)生200伏的靜電。由此可見，在這一領(lǐng)域中防靜電、除靜電措施的重要。炭黑填充型導(dǎo)電塑料的電阻值可在102-109Ω間調(diào)節(jié)，完全可以滿足這類材料的防靜電、除靜電需求。其主要產(chǎn)品有：電子元器件在周轉(zhuǎn)、保管、搬運(yùn)過程中使用的周轉(zhuǎn)箱、托盤、支架、封裝等。
(2)醫(yī)療、煤礦、紡織等潔凈、易爆環(huán)境 導(dǎo)電塑料在這些場(chǎng)合用作電器設(shè)備的外殼或結(jié)構(gòu)件。
(3)高壓電纜、通訊電纜領(lǐng)域 近年來(lái)，隨著用電量的增加，使電纜朝著高壓化的方向發(fā)展。為使制造工程簡(jiǎn)化，需要新的被覆構(gòu)造，即用導(dǎo)電塑料作半導(dǎo)電層。這是為了緩和導(dǎo)體表面電位梯度，防止導(dǎo)體與半導(dǎo)體問的部分放電。這類材料的體積電阻為100-104Ω?cm。
(4)面狀發(fā)熱體 導(dǎo)電塑料還可以作為熱源被利用。這是利用在導(dǎo)電塑料上施加電壓，電流通過后電阻產(chǎn)生焦?fàn)枱崃康脑恚@類材料的體積電阻為100-104Ω?cm。
在國(guó)外，碳系填充型導(dǎo)電塑料已經(jīng)形成為一個(gè)十分成熟的市場(chǎng)，較大的生產(chǎn)廠商有美國(guó)的卡伯特公司、原聯(lián)碳公司、GE公司、3M公司等，日本的東芝化學(xué)、住友酚醛塑料是主要廠商，還有東麗、東洋油墨制造、東京油墨、日本合成橡膠、神戶制鋼所等，芬蘭的PREMIX，韓國(guó)的LG公司。
與工程塑料相比，導(dǎo)電塑料是一個(gè)很小的品種。關(guān)于電子設(shè)備用導(dǎo)電塑料的市場(chǎng)用量，據(jù)一份日文資料顯示，日本1996年用于便攜電子機(jī)器(筆記本電腦、手機(jī)等)的工程塑料為3500t，約為20億日元。目前對(duì)于上述產(chǎn)品的EMI屏蔽對(duì)策一般是采用無(wú)電解鍍、高頻離子電鍍、導(dǎo)電涂料、導(dǎo)電塑料，其表面加工費(fèi)用的水平分別為：40億日元、26億日元、3億日元、2億日元。芬蘭的PREMIX公司導(dǎo)電塑料生產(chǎn)量約為200t／a，據(jù)稱在歐洲占有很大的市場(chǎng)份額。在碳系填充的品種中用量較大的是用于中、高壓電纜的半導(dǎo)電層屏蔽料，國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)需求約為數(shù)千噸，其中高壓電纜料基本依靠進(jìn)口。國(guó)內(nèi)碳系填充導(dǎo)電塑料業(yè)已形成工業(yè)化生產(chǎn)，但在品種、質(zhì)量穩(wěn)定性等方面與國(guó)外有較大差距。特別是與集成電路相關(guān)的導(dǎo)電塑料的工業(yè)化生產(chǎn)基本空白。目前使用的材料大部分為進(jìn)口。
3、金屬填充型
這類導(dǎo)電塑料主要用于電磁波屏蔽場(chǎng)合。近年來(lái)由于集成電路和大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化電子機(jī)器已從工業(yè)用向民用品發(fā)展。為了提高處理能力，使用的電子線路和元件越來(lái)越集成微型化、高速化，其信號(hào)水平減小，這使從外部侵入的電磁波與控制信號(hào)相接近。此外，電子設(shè)備也向外放射電磁波，因此很容易造成電子機(jī)器的誤動(dòng)作、圖象和聲音干擾。進(jìn)入80年代，電子機(jī)器的殼體大多采用塑料材料代替金屬。這是由于塑料作為殼體具有質(zhì)輕且強(qiáng)度高、耐腐蝕、易加工、生產(chǎn)效率高、總成本低等優(yōu)點(diǎn)。但是，塑料是絕緣體，對(duì)于電磁波來(lái)說(shuō)，完全可以透過。因此，賦予塑料殼體電磁波屏蔽能力就成為一個(gè)有待研究的十分迫切的課題。目前，具體實(shí)施的屏蔽方法很多，大致分為在塑料表面形成導(dǎo)電層的方法和將導(dǎo)電性填料混入到塑料中制成導(dǎo)電塑料的方法兩種。不同的屏蔽方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，以往應(yīng)用較多的是鋅噴鍍和導(dǎo)電涂料法。近年來(lái)，導(dǎo)電塑料法引起了人們的興趣，這方面的研究報(bào)道很多，這是由于導(dǎo)電塑料法具有3個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)：①無(wú)需二次加工；②屏蔽性與成型制品一次完成(省力、經(jīng)濟(jì))；③在長(zhǎng)期使用過程中(如震動(dòng)、濕熱環(huán)境因素下)安全、可靠，不會(huì)像表面法那樣產(chǎn)生剝離和脫落現(xiàn)象。
(1)與集成電路相關(guān)的領(lǐng)域 集成電路塊、場(chǎng)效應(yīng)管、晶體管等電子元器件在加工、裝配、包裝、運(yùn)輸?shù)壬a(chǎn)過程中，常常會(huì)因震動(dòng)、摩擦產(chǎn)生的靜電而損壞，甚至造成整臺(tái)機(jī)器的報(bào)廢。這些電子元器件對(duì)靜電的敏感程度小至100伏，大至上萬(wàn)伏不等。幾百伏以至上千伏的靜電是非常容易產(chǎn)生的，有實(shí)驗(yàn)表明：人在低溫度環(huán)境中的干燥地毯上行走時(shí)，可產(chǎn)生5000伏的靜電，戴著橡膠手套與塑料容器接觸時(shí)，可產(chǎn)生6000伏的靜電，即使是不戴手套用手直接與塑料容器接觸，也會(huì)產(chǎn)生200伏的靜電。由此可見，在這一領(lǐng)域中防靜電、除靜電措施的重要。炭黑填充型導(dǎo)電塑料的電阻值可在102-109Ω間調(diào)節(jié)，完全可以滿足這類材料的防靜電、除靜電需求。其主要產(chǎn)品有：電子元器件在周轉(zhuǎn)、保管、搬運(yùn)過程中使用的周轉(zhuǎn)箱、托盤、支架、封裝等。
(2)醫(yī)療、煤礦、紡織等潔凈、易爆環(huán)境 導(dǎo)電塑料在這些場(chǎng)合用作電器設(shè)備的外殼或結(jié)構(gòu)件。
(3)高壓電纜、通訊電纜領(lǐng)域 近年來(lái)，隨著用電量的增加，使電纜朝著高壓化的方向發(fā)展。為使制造工程簡(jiǎn)化，需要新的被覆構(gòu)造，即用導(dǎo)電塑料作半導(dǎo)電層。這是為了緩和導(dǎo)體表面電位梯度，防止導(dǎo)體與半導(dǎo)體問的部分放電。這類材料的體積電阻為100-104Ω?cm。
(4)面狀發(fā)熱體 導(dǎo)電塑料還可以作為熱源被利用。這是利用在導(dǎo)電塑料上施加電壓，電流通過后電阻產(chǎn)生焦?fàn)枱崃康脑恚@類材料的體積電阻為100-104Ω?cm。
在國(guó)外，碳系填充型導(dǎo)電塑料已經(jīng)形成為一個(gè)十分成熟的市場(chǎng)，較大的生產(chǎn)廠商有美國(guó)的卡伯特公司、原聯(lián)碳公司、GE公司、3M公司等，日本的東芝化學(xué)、住友酚醛塑料是主要廠商，還有東麗、東洋油墨制造、東京油墨、日本合成橡膠、神戶制鋼所等，芬蘭的PREMIX，韓國(guó)的LG公司。
與工程塑料相比，導(dǎo)電塑料是一個(gè)很小的品種。關(guān)于電子設(shè)備用導(dǎo)電塑料的市場(chǎng)用量，據(jù)一份日文資料顯示，日本1996年用于便攜電子機(jī)器(筆記本電腦、手機(jī)等)的工程塑料為3500t，約為20億日元。目前對(duì)于上述產(chǎn)品的EMI屏蔽對(duì)策一般是采用無(wú)電解鍍、高頻離子電鍍、導(dǎo)電涂料、導(dǎo)電塑料，其表面加工費(fèi)用的水平分別為：40億日元、26億日元、3億日元、2億日元。芬蘭的PREMIX公司導(dǎo)電塑料生產(chǎn)量約為200t／a，據(jù)稱在歐洲占有很大的市場(chǎng)份額。在碳系填充的品種中用量較大的是用于中、高壓電纜的半導(dǎo)電層屏蔽料，國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)需求約為數(shù)千噸，其中高壓電纜料基本依靠進(jìn)口。國(guó)內(nèi)碳系填充導(dǎo)電塑料業(yè)已形成工業(yè)化生產(chǎn)，但在品種、質(zhì)量穩(wěn)定性等方面與國(guó)外有較大差距。特別是與集成電路相關(guān)的導(dǎo)電塑料的工業(yè)化生產(chǎn)基本空白。目前使用的材料大部分為進(jìn)口。
3、金屬填充型
這類導(dǎo)電塑料主要用于電磁波屏蔽場(chǎng)合。近年來(lái)由于集成電路和大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化電子機(jī)器已從工業(yè)用向民用品發(fā)展。為了提高處理能力，使用的電子線路和元件越來(lái)越集成微型化、高速化，其信號(hào)水平減小，這使從外部侵入的電磁波與控制信號(hào)相接近。此外，電子設(shè)備也向外放射電磁波，因此很容易造成電子機(jī)器的誤動(dòng)作、圖象和聲音干擾。進(jìn)入80年代，電子機(jī)器的殼體大多采用塑料材料代替金屬。這是由于塑料作為殼體具有質(zhì)輕且強(qiáng)度高、耐腐蝕、易加工、生產(chǎn)效率高、總成本低等優(yōu)點(diǎn)。但是，塑料是絕緣體，對(duì)于電磁波來(lái)說(shuō)，完全可以透過。因此，賦予塑料殼體電磁波屏蔽能力就成為一個(gè)有待研究的十分迫切的課題。目前，具體實(shí)施的屏蔽方法很多，大致分為在塑料表面形成導(dǎo)電層的方法和將導(dǎo)電性填料混入到塑料中制成導(dǎo)電塑料的方法兩種。不同的屏蔽方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，以往應(yīng)用較多的是鋅噴鍍和導(dǎo)電涂料法。近年來(lái)，導(dǎo)電塑料法引起了人們的興趣，這方面的研究報(bào)道很多，這是由于導(dǎo)電塑料法具有3個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)：①無(wú)需二次加工；②屏蔽性與成型制品一次完成(省力、經(jīng)濟(jì))；③在長(zhǎng)期使用過程中(如震動(dòng)、濕熱環(huán)境因素下)安全、可靠，不會(huì)像表面法那樣產(chǎn)生剝離和脫落現(xiàn)象。
EMI屏蔽塑料多以各種工程塑料為基材，使用的金屬填料主要是不銹鋼纖維，也有的使用黃銅短纖維、鋁片、鎳?yán)w維等。制成品的體積電阻為10-1-10-3Ω?cm，電磁波屏蔽效果為30-60分貝。碳纖維、特種導(dǎo)電炭黑雖然不是金屬填料，但其制成品也可在電磁波屏蔽場(chǎng)合應(yīng)用。當(dāng)一些制品在比較苛刻的使用環(huán)境中要求具有強(qiáng)度高、體積輕、壁薄、注射成型易流動(dòng)等特點(diǎn)時(shí)，就要采用碳纖維填充的材料，目前市售的高檔筆記本電腦、手機(jī)殼體材料即是采用碳纖維填充的PC／ABS合金。
黃銅短纖維填充的復(fù)合體系具有優(yōu)異的電磁波屏蔽效果，卻難以滿足實(shí)用化提出的阻燃、低比重、良好的制品外觀等要求；鎳及鍍鎳石墨纖維雖也具有優(yōu)異的電性能，但由于價(jià)格昂貴而限制了其使用性；碳纖維、特種導(dǎo)電炭黑填充的復(fù)合體系屏蔽效果較差，適用性受到限制；不銹鋼纖維的直徑一般為6―10μm，填加10％左右即可滿足實(shí)際應(yīng)用中要求的電性能，由于填加量少，因此對(duì)復(fù)合體系的物理機(jī)械性能影響較小，是理想的EMI屏蔽塑料填充材料。
國(guó)外金屬填充型導(dǎo)電塑料已形成工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模，這類材料的價(jià)格較為昂貴。國(guó)內(nèi)只有北京市化工研究院、中山大學(xué)、中科院、成都科技大等少數(shù)幾個(gè)單位對(duì)此開展了研究，但均沒有工業(yè)化生產(chǎn)。
三、發(fā)展展望
高分子材料代替金屬材料是今后材料學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。由此帶來(lái)導(dǎo)電性聚合物的市場(chǎng)需求日益增長(zhǎng)，其應(yīng)用領(lǐng)域逐步擴(kuò)大，這就必然對(duì)導(dǎo)電性聚合物提出更高的要求。對(duì)于結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電性聚合物來(lái)說(shuō)，要想進(jìn)一步實(shí)用化，必須解決目前存在的下述主要問題：
(1)穩(wěn)定性欠缺
導(dǎo)電性高分子中的氧原子對(duì)水是極不穩(wěn)定的，這是防礙其實(shí)用化的最大問題。
(2)摻雜劑多是有毒的
如AsF5、I2、Br2等。
(3)成型困難
導(dǎo)電聚合物主鏈中的共軛結(jié)構(gòu)使分子鏈僵硬，不溶不融，從而給自由地成形加工帶來(lái)困難。
(4)經(jīng)濟(jì)性差
其價(jià)格比金屬及普通塑料高，難以實(shí)用化。
對(duì)于復(fù)合型導(dǎo)電塑料來(lái)說(shuō)，當(dāng)前需要著重研究的是金屬纖維填充的電磁波屏蔽材料，需要解決的主要課題是：①減小比重；②使導(dǎo)電性均一；③降低成本；④改善外觀。
對(duì)于導(dǎo)電性聚合物的未來(lái)展望，最主要的是開發(fā)以下三種材料：①高導(dǎo)電性高分子；②有機(jī)太陽(yáng)能電池；③有機(jī)超電導(dǎo)材料。
更為長(zhǎng)遠(yuǎn)的課題是分子性薄膜和分子電子裝置。
（轉(zhuǎn)載）
