塑料已逐渐被选为电子元件的基体材料。在这类应用中设计者们希望找到能够释放静电荷而且能够屏蔽电磁能的热塑性材料。因此，美国通用电气公司先进材料/LNP部的Jay Amarasekera博士认为，所要面临的挑战是如何使原本绝缘的热塑性塑材料转变为具有抗静电性、防静电性、电磁干扰/无线电干扰屏功能或具有以上综合性能的产品。

         

图1：导电图谱--表示在不同塑料表面的表面电阻率，分别为 抗静电表面、防静电表面（ESD）和电磁/无线电干扰（EMI/RFI） 表面。电阻率越低，则导电性愈强。

     塑料本身就是非常好的绝缘体。固有的电绝缘性使塑料能够保持住静电荷，但无法屏蔽电磁干扰/无线电频率干扰（EMI/RFI）。最近，塑料已逐渐被选作为电子元件的基体材料，例如，制造电子计算机或其它消费品。由于塑料具有较高设计灵活性、质轻、可着色以及成本低等优点，正逐渐成为金属的替代品。因此，人们所面临的挑战是如何使原本绝缘的热塑性材料转变为具有抗静电性或防静电性或EMI/RFI屏蔽性能或具有以上综合性能的产品。

         

     控制发热对于维护电子产品的可靠性和延长寿命是至关重要的。广泛使用的冷却方法对于分散器件产生的热量是很有效的，此类方法包括电风扇、金属或陶瓷吸热器、管材和扩展器等。随着人们对笔记本电脑、掌上电脑和其它便携式设备小型化的呼声越来越高，设计者们开始把目光投向具有创新性的散热方法，通过设计灵活、轻质导热的塑料来解决。

         

     电子工业协会（EIA）标准第541条根据塑料对静电释放（ESD）和抗电磁/无线电频率干扰（EMI/RFI）能力的不同，将导电塑料进行了分类。表面电阻在105～1012欧/平米之间、导电性较低的材料具有较好的静电荷释放能力，用作抗静电产品。表面电阻小于105 欧/平米的塑料可以用作EMI/RFI屏蔽材料（图1）。

         

图2：抗静电塑料广泛用 于需要释放静电的领域， 如媒体驱动器

    导电填料

         

     通过填加导电填料、添加剂或两者的混合物可以使塑料具有导电性，从而使其具有防静电或抗电磁/无线电干扰的能力。高比表面的填料（其长径比大于1）添加量在达到形成导电网络的最低量时，导电性足够满足要求，且保持材料的基本性能和表面光滑。通常使用的是纤维状填料，包括碳纤维、金属纤维和涂覆金属的纤维，还有其它类型的填料，如碳粉和金属薄片等。最近，研究的重点放在了纳米碳纤维的应用上，因为只要很少添加量即可获得较高的导电性，而且保持塑料特性。

         

     尽管有很多导电填料可以选择，但是所选择的填料最终要取决于不同应用的需要。在某些防静电的应用中，制造商需要塑料是透明的，因此所使用的添加剂或填料应该与聚合物基体的折光指数相匹配。在电脑芯片和硬盘包装材料的应用中，原器件制造商（OEM）需要导电塑料要具有低离子富集性，因此所用的填料应没有离子渗出，其它杂质也须控制在最低水平。另外，这些塑料的导电性和可加工性还依赖于所用挤出机的加工方法、螺杆的构造、剪切力和加工温度。

         

     下面主要介绍，使用不同化学表面活性剂和碳纤维、碳粉、碳纳米管和上述纤维组合之类的填料赋予塑料导电性，尤其是在电气电子应用领域。利用混合纤维系统的相互作用（或称协同性），我们可以根据不同的使用情况来控制塑料的成分，从而使其表面电阻范围和加工性能满足要求。

         

图3：不同填料（含量10%）对PC-ABS树脂体积电阻率的影响。 金属填料或金属涂层纤维可在较少添加量下获得较高的电导率

     抗静电塑料

         

      静电是普遍存在的一种现象，我们都有过这种体会，当梳头时，头发会紧贴在一起；当触碰门把手或金属件时，有时会触电。电荷的不断累积从而使表面产生静电。电荷的累积通常发生在以下情况中，例如摩擦、滑动的静电影响、不导电材料的分离或一带电体对邻近的另一物体进行诱导而产生的静电场的影响。通常在许多应用场合下，释放静电是保证器件功能正常发挥最基本的要求。可以拿复印过程来作为一个例子。如果复印机的零件没有正确接地以释放静电荷，那么就会发生卡纸现象。具有抗静电性能的塑料在许多应用中正变得日益普遍，例如打印机和复印机的配件、真空吸尘器、静电喷涂机、空气清新器、计算机内构件和喷墨打印机的笔架等。好的抗静电塑料应该具有较快的静电衰减速率。因为媒体驱动器和储存设备需要能快速释放运行时产生的静电，所以抗静电塑料在这方面得到了广泛的应用（图2）。

         

     发挥聚酰胺醚酯类聚合物或有机烷基磺酸盐等抗静电剂在塑料中的协同作用，是一种获得防静电性能的方法。这种类型的聚合物不仅起到表面活性剂的作用，而且对塑料而言起到了分散部分表面电荷的抗静电剂作用。我们发现这种化学试剂与碳纤维结合使用，可以在静电衰减特征上起到协同效果。

         

图4：使用导电塑料制造 的导电芯片托盘，（电导 率由JEDEC标准指定）， 芯片托盘要求在150℃烘 烤后仍保持刚性。

    静电释放

         

     静电释放是电场诱导所产生的不同电势的物体之间，通过直接接触形成的电荷转移。静电消除已成为电子工业中的一个重要的标准，尤其是在数据储存设备、芯片和计算机内构件等电子元件方面显得特别突出。

         

     通过填加不同的导电填料可以获得不同程度的电导率。增加导电填料的添加量可以降低电阻率，达到电荷完全或充分释放，所填加的填料有一个临界极限值。图3中是使用一些常用填料获得的的体积电阻。

         

     由图可见，电阻率的变化与所用填料的类型、分散和分布程度以及聚合物的体系有关。碳粉、碳纤维等一些普通的填料都能赋予塑料电导性。尽管碳粉成本低廉，但是在电子产品上应用时，由于这些产品容易使碳粉掉落或沉积在与塑料接触的元件上，因而并未一直受到青睐。因此，碳纤维被广泛应用于导电塑料，尤其在电气电子上的应用。不同供应商提供的碳纤维由于制造过程中使用的浸润剂和偶联剂不同，各自具有不同的特征。因此，碳纤维含量相同但来源不同的塑料，会表现出不同的导电性能。因此，导电填料的种类、加工条件和树脂体系的选择，对获得所需的表面电阻值起着至关重要的作用。

         

     导电塑料广泛应用于电子包装，例如，芯片托盘和导电卷带， IC芯片可装载其中从制造厂运到装配厂。由于芯片在包装中的空间非常狭小，所以这些产品包装需要有防静电措施（图4）。

         

图5：不同含量的导电纤维对聚碳酸酯介质损耗的影响。 碳纳米管如多壁碳纳米管（MWNT）和单壁碳纳米管比 碳纤维有着更高的导电性。

     纳米碳纤维的添加量即使很少，也可获得较高的导电性，因此近年来其应用越来越广泛。例如，含3%多壁碳纳米管（MWNT）的聚碳产品电导率与含15%碳纤维的产品相当（图5），而如果添加单壁碳纳米管（SWNT），其含量少于1%就可达到相同的导电效果。

         

     因为添加较少的MWNT就可以有好的电导性，所以越来越多添加多壁碳纳米管的导电塑料被应用于电子电气工业中。而且，它们不象含有碳粉的产品那样会发生碳粉脱落的现象。尽管单壁碳纳米管比多壁碳纳米管有更高的导电性，但是由于它还面临着难于加工的问题，技术仍处于初期阶段。单壁碳纳米管具有很强的范德华力并且易于成绳状。单壁碳纳米管的解绳和在塑料基体中良好的分散性是采用单壁纳米碳管获取高电导率的关键。

         

    电磁干扰屏蔽

         

     电磁干扰屏蔽（EMI）是许多应用领域的另一个重要特性。在理想的环境中正常工作、没有传递或放射过量的电磁能或不受内部或外部能量影响的电子装置是处于电磁兼容状态（EMC）的。EMI是一种传递或放射的能量，反过来它会影响线路的功能，从而破坏设备的电磁兼容。许多电子线路自身放射电磁干扰，或受电磁干扰影响，为了确保正常工作必须将其屏蔽起来。

         

     电磁干扰屏蔽用塑料可以通过添加碳纤维和不锈钢纤维等高比表面的导电填料来得到。屏蔽是通过导电媒介将电磁辐射反射、吸收或传导到地面来实现的。引入屏蔽物后会导致电磁信号的衰减，它的衰减程度决定了屏蔽效果的好坏。为了获得好的屏蔽效果，塑料中添加的填料要有良好的分散性和较高的添加量。

         

图6：添加不同碳纤维的PC的屏蔽效率。添加短碳 纤维的塑料粒子纤维定向杂乱，而添加长纤维的粒子 在整个长度纤维定向良好。部件成型时，长碳纤产品 屏蔽效率提高。

     金属涂敷的填料，例如镀镍纤维或不锈钢纤维，广泛应用于电磁干扰屏蔽塑料中。为了有效屏蔽电磁波，所使用的填料应该能从塑料基体中反射电磁辐射。如图6所示，在这些应用中，选择长碳纤维能在聚合物基体中形成有效的网络，相对于短纤维来说是一个更好的选择。

         

    导热塑料

         

     对于高速芯片、高速媒体驱动器和硬盘等电子装置而言，设计工程师们都开始意识到在这些系统中产生的热量。以前的散热处理是适当设置一些风扇、散热管和铝散热器来完成的，但是如今，通过使用导热塑料这种新方法，可以使体积小发热高的电子设备有效制冷。没有添加填料的热塑性塑料大约只有0.2 w/mK的热传导率，而大多数导热塑料的热传导率比普遍塑料提高了10～50倍。与电传导塑料相似，塑料的热传导性也可以通过填加不同的热传导填料来实现。最普遍的填料是铝类陶瓷，因其价格低廉，具有各向同性热传导性（图7）。

         

     石油沥青制成的特殊石墨纤维可以获得更高的热传导性。与聚丙烯腈（PAN）纤维不同，沥青基碳纤维由于具有波状放射结构，从而使其具有低的导电性和高的导热性，热传导值可以达到500～1000 w/mK。相比之下，结构级（PAN）碳纤维的传导值小于10 w/mK。硼氮化合物和铝氮化合物也是普遍使用的填料，它们都属于电绝缘陶瓷填料，使用硼氮化合物粉末时，其热传导值达60～80 w/mK，而使用铝氮化合物粉末可到达300 w/mK。

         

图7：含氧化铝（Al2O3）填料的PPS，热导率 随氧化铝含量的变化示意图。陶瓷填料含量越 多，热导率越高。

图8：硬盘中的旋转轴 用添加陶瓷填料的导热 塑料制成，以释放旋转 所产生的热量。

      在硬盘内部元件（图8）、笔记本电脑和其它电子设备中用风扇冷却是不切实际的，因而导热塑料在这些设备中的应用越来越普及。这种塑料也可以作为热吸收器用于计算机基地主站等大型设备上，来保护电子元件。

         

     挑战：如上所述，复合塑料可通过控制导热性和导电性，达到最佳性能，因此在电子电气工业中扮演着重要角色。随着电子电气工业的发展，设计者们将面临更多挑战。不仅是新聚合物和新填料体系创新的要求，还有它们有效组合的方式，从而获取最大利益。