纳米ATO粉在高分子抗静电包装材料中的应用

纳米ATO粉在高分子抗静电包装材料中的应用

摘要：本文从抗静电涂料、抗静电纤维及抗静电塑料三个方面综述了纳米ATO导电粉在高分子抗静电材料中应用的研究进展，并指出了有待于深入研究的几个问题。

    关键词：纳米 ATO 抗静电 应用

      产品需要包装，而包装材料的质量直接或间接影响产品的质量。以往的产品包装大多注重于其外观、防潮、隔热、保温等性能，而对防静电、防射频性能没有引起足够的重视，也造成了严重的后果，据报道，全世界电子工业因静电放电(EDS)造成的损失每年达数百亿美元”。近年来，随着材料科学的发展，高分子材料因其在生产、加工及使用等方面的优越性能而广泛应用于包装等领域，高分子材料抗静电研究也成为国内外研究的热点之一。

    常用的高分子材料抗静电方法是在材料中添加导电填料，但现有的导电填料在使用过程中暴露出了许多问题”：贵重金属填料(如金粉、银粉、镍粉等)导电性好，但价格昂贵，不适于大规模使用；铜粉价廉，但易被氧化；碳系填料导电性好、耐度上限制了其使用。为此，国外在90年代研制出价廉、色浅的金属氧化物导电填料，并得到迅速的发展。纳米掺锑二氧化锡(Antimony Doped Tin Oxide，简称ATO)，是一种N型半导体材料，与传统的抗静电材料相比，纳米ATO导电粉体具有明显的优势，主要表现在良好的导电性，浅色透明性，良好的耐候性和稳定性以及低的红外发射率等)：面，是一种极具发展潜力的新型多功能导电材料”。本文从抗静电涂料、抗静电纤维及抗静电塑料3个方面介绍了纳米ATO粉在高分子抗静电材料中应用。

    1  抗静电涂料

    抗静电涂料是纳米ATO粉的主要应用市场。将纳米ATO粉末作为导电填料添加到聚酰胺、丙烯酸等基体树脂中，选择适当的分散方法，可制得纳米复合透明抗静电涂料。在纳米ATO复合抗静电涂料中，当纳米ATO粉的添加量达到某一临界值时，涂层的导电性能才明显改善。研究表明，纳米ATO粉在涂料中的临界体积浓度(CPVC)约为23％，当PVC达到23％后，涂层的导电性能较好，如图1 所示。但进一步增大纳米ATO的用量，对于涂层的导电性能的改善并没有很大的帮助，相反，会影响涂层的色泽、透明度以及力学性能等。另外，基体树脂的种类、溶剂的用量以及制备工艺等都对涂料的性能有明显的影响。


    由于纳米ATO颗粒比表面积大、比表面能高，属于热力不稳定体系，粉体颗粒自发的相互聚集，以降低整个系统的由焓。这种形成团聚状的二次颗粒，乃至三次颗粒，会破坏末的超细性和均匀性，影响纳米粉末的性能，进而影响产品最终的使用性能”1)。因此，影响涂料抗静电性能的首要因素是纳米ATO粉的高度分散问题。

    针对如何实现透明导电涂料中纳米ATO粉的高度分散问题，李青山等D2]通过实验研究了共沉淀法制备的纳米ATO粉在水中高度分散体系的形成条件，并讨论了球磨时间及PH值对分散体系的影响，结果表明，在不加任何助剂的情况下，球磨时间需要5天以上才能形成分散效果较好的纳米ATO粉水分散体系；纳米ATO粉在强碱和等电点(pH=1．8)附近的水溶液中将聚沉，而在远离等电点(PH值在10-11．5)的水溶液中可呈现出不同的分散状态，可形成无团聚状态的高稳定性掺锑二氧化锡超细粉水分散体系。王栋等””研究了纳米ATO在水中的稳定、分散行为，讨论了分散剂种类、ATO用量、PH值、分散剂用量对体系稳定性、分散性和流变性的影响，制备粘度较低、稳定性分散J，哇良好的纳米ATO悬浮液。

    纳米ATO复合抗静电涂料是一种用途广泛的功能材料，如电子设备的透明包装薄膜抗静电涂层、平面显示材料、面发热体等；另外，可通过调节锑掺杂量得到不同蓝色调的纳米ATO粉，从而获得不同色调的抗静电涂料，这一点对其在包装领域的应用至关重要。

2  抗静电纤维

    纳米无机粉体改性纤维材料正逐步成为纤维材料改性的一个重要的发展方向。与其它类型的抗静电纤维相比，纳米级金属氧化物型抗静电纤维具有许多独特的优异性能，如不受气候和使用环境的限制，稳定性较好；纳米级金属氧化物不易从纤维上脱落，分布也较为均匀；纤维制备工艺简单；纤维使用范围广泛，几乎可用干任何需防静电的场合等”。新型的纳米级透明导电粉末，因其制品的透明性和优良的导电性而备受人们的青睐。将纳米ATO用于化学纤维抗静电处理的途径主要有3个：

1)在纤维纺丝时直接添加纳米级ATO粉末，其关键是无机纳米级ATO与纤维材料的相容性，需要添加特殊的分散助剂；

2)在原料(如毛条、涤纶丝)染色过程中添加纳米级ATO或其水性悬浮液，使染色与功能化一步完成；

3)在坯布的染色或整理过程中添力口纳米级ATO水性悬浮液。

    东华大学纤维改性国家重点实验室的王栋等人采用纳米粉体ATO粉为抗静电剂，以聚乙烯亚胺(PEl)为分散剂，将纳米ATO稳定均匀地分散于去离子水中，并首次将该悬浮液作为聚丙烯腈纤维纺丝过程的预热浴，来改善PAN纤维的抗静电性。由于纤维内外纳米无机微粒的浓度差和初生PAN纤维内部大量微孔的存在，纳米ATO微粒能够通过扩散、迁移进入纤维或吸附于纤维表层，当PAN纤维被拉伸、干燥、致密化处理时，纳米ATO能留在纤维中并形成纳米ATO局部接触的导电通道，赋予PAN纤维抗静电性。实验结果表明纳米ATO改性PAN纤维的体积比电阻率下降三个数量级，具有良好的抗静电性能，同时还基本保持了纤维原有的力学性能。另外，国家超细粉末工程研究中心也正开展将纳米ATO应用于抗静纤维的制备及其它多个领域的研究。

    目前改善涤纶织物静电性能的最主要的方法是采用有机抗静电剂通过简单易行的面料后整理技术进行抗静电整理。但由于有机抗静电剂存在对环境湿度依赖性大且抗静电效果持久性差等问题，因此寻求一种具有优良且耐久抗静电性能的抗静电剂成为研发热点。吴越等人Emi将纳米ATO粉体用于涤纶织物抗静电处理，实验结果表明，经纳米ATO抗静电整理剂处理的涤纶织物表面电阻从未处理的>1012Ω降低到<1010Ω级，洗涤50次，抗静电效果基本不变。陈雪花等””用涂层方法对涤纶面料进行了纳米级ATO抗静电剂的抗静电功能整理，实验结果表明：只有当ATO粒子暴露在膜的表面时，它才能发挥抗静电性能；当ATO粒子以部分湮没于膜内，部分显露在膜表面的形式存在于涂层中时，涂膜的抗静电性能才持久。丁钟复等将不同锑掺杂量的纳米ATO粉用于涤纶针织物的抗静电处理，研究表明，粉体的掺杂量是影响抗静电性能主要因素之一，在4％