工程树脂 | 13分钟阅读

&”电活跃的"复合材料性能激增


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设计热塑性化合物来带电荷是困难且昂贵的,因为大多数聚合物自然不适用于该任务。塑料的表面电阻率通常为1012 ohm / sq或更高,这使它们处于电频谱的绝缘端(请参见图表)。这在许多用途中是有利的,但在其他用途​​中是责任。实际上,一定程度的电导率对于越来越多的塑料应用至关重要。

“如今,比以往任何时候都有更多的理由和更好的工具来制造电活性化合物,”LNP Engineering Plastics导电化合物产品市场经理Mark Kaptur宣布。原因之一是在汽车,便携式消费类设备和家用电器中更广泛地使用电子产品—加上持续的小型化。两种趋势都增加了保护部件免受ESD和EMI的需求。

另一个驱动因素是汽车和工业零件静电喷涂的趋势。这种方法是使涂料滴带正电,并使零件接地(带负电),这种方法会产生大量的"e-paintable"量身定制的导电性化合物,可优化涂装效率。据说,电子绘画可以减少多达50%的过喷,从而降低成本和挥发性排放。

甚至还有新兴的塑料几乎与纯碳一样导电的应用—例如燃料电池的双极板和端板。

因此,不足为奇的是,北美的导电塑料化合物的潜在需求预计将从目前的约4.5亿磅的基础上每年增长8-10%。

配混料中的碳黑,碳纤维,不锈钢纤维,铝片和其他添加剂已混入热塑性塑料中,以满足对抗静电性能,静电耗散(ESD)和电磁干扰(EMI)屏蔽的需求。

 新的导电技术正在出现,其中一种是固有地能够沿其聚合物链传递电流的聚合物。固有导电聚合物和固有耗散聚合物(ICP和IDP)在它们赋予的导电范围和所涉及的机理上有所不同。这两类产品现在都可以熔融加工,因此在与热塑性基体聚合物合金化时,在创建导电网络方面非常高效。

另一个进步是一类新型的气相生长碳纳米管和纳米纤维。与传统的碳基添加剂相比,它们在低得多的载荷下为塑料提供了广泛的导电性,同时又提供了增强和增强的导热性。然而,这些纳米碳产品的潜力目前受到其50美元/磅或更高价格标签的限制。相比之下,沥青碳纤维和不锈钢为15美元/磅,PAN碳纤维为8美元/磅,而炭黑粉末则不到2美元/磅。发展中的低成本沥青碳纤维具有更大的近期潜力,该碳纤维在导电性能和增强性能方面均得到了改善。

 

聚合物引发兴趣

由于其低成本,传统的炭黑仍然是导电塑料的主力军。但是,炭黑使配混者难以达到特定的导电水平。它还强加了严重的性能折衷和对着色性的限制。更重要的是,"sloughing"的导电颗粒会损坏微电子设备。

基于ICP和IDP的化合物有望弥补所有这些缺点。与离散的炭黑甚至不锈钢纤维颗粒的分散相比,它们通常会创建更均匀和完整的导电网络。 ICP和IDP通常在较低的负载下工作,对基质树脂性能的损害较小,并且比常规产品着色更大。 IDP甚至允许配制透明或半透明的ESD产品。

RTP Co.产品开发工程师Sam Dahman说,ICP的一项特别优势在于它们能够以高度精确且可重现的方式消除静电荷的能力。RTP拥有在北美的专有权利,可以基于唯一的商用聚苯胺ICP开发ESD化合物,芬兰的Panipol提供的产品。 RTP和Panipol最近的一项突破是保持热稳定性并确保熔体加工过程中聚苯胺的均匀分散。传统的炭黑在用于提供ESD保护时往往会出现双亏:它可以在很宽的表面电导率上消散,同时电压上的差异也很大倾向于以以下形式保留在零件表面“hot” and “cold”点。例如,RTP数据显示,由一种炭黑填充的PP制成的零件的表面电阻率为105至1012 ohm / sq。可比较的基于ICP的零件始终能达到106至107 ohm / sq的窄范围。

炭黑的困难之一是塑料化合物浓度的微小变化会导致电导率大幅度提高。的“smoother”Dahman说,基于ICP的化合物提供的ESD性能曲线是一个很大的优势。为特定的最终用途量身定制性能,从而优化成本效益要容易得多。 ICP化合物的定价介于炭黑和碳纤维化合物之间。

RTP提供基于PP,PS,PE和PC / ABS的ICP化合物。这些提供永久性的ESD,接受25%的回收成分,并具有广泛的着色性。这些化合物在工业包装和容器,物料搬运箱和搬运箱以及电子产品的架子和货架中具有潜力。 RTP正在努力将ICP复合材料的性能扩展到EMI屏蔽范围(10至100 ohm / sq)。

Noveon(以前是BFGoodrich的一部分)开发了一种IDP,该IDP在106至1011 ohm / sq表面电阻率范围内工作,可提供永久性静电控制。 Noveon仅在自己的Stat-Rite化合物中使用该IDP进行注塑和挤出。 IDP通常是包含以下成分的弹性体(Noveon是TP氨基甲酸酯)"载电荷块"能够传导电流,但其抗静电和ESD频谱的限制要比ICP限制的多。在某些情况下,IDP的亲水性有助于提高零件表面的导电性。过去,热稳定性限制了IDP只能用于HIPS,PETG,ABS和TPU等低温基质树脂,但Noveon最近将Stat-Rite产品线扩展到包括PP和TPU / PC化合物。

Noveon的市场经理Neil Hardwick说,最近的一项举措是采用三层HIPS夹心结构,以优化可热成型板材的IDP成本效益。例如,一种结构将填充碳的HIPS置于核心(提供良好的体积电阻率和EMI屏蔽),而表层则包含IDP / HIPS化合物以消除脱落并确保出色的表面耗散。

近年来,其他公司引入了与IDO相当(但不同于)的基于IDP的化合物’s。新的参与者包括LNP,RTP,Lati USA和DSM Engineering Plastics。帝斯曼(DSM)刚刚通过添加基于IDP的产品来使其碳基ElectraFil产品线多样化。

LNP ’Stat-Loy系列使用IDP为各种树脂(包括PC / ABS和透明ABS)赋予永久的抗静电和ESD性能(109至1012 ohm / sq)。

RTP的基于Permastat IDP的化合物可为商用机器和设备零件,齿轮和视频盒提供抗静电能力(1010至1011 ohm / sq)。 RTP最近推出了PermaStat Plus牌号,可将系列的电导率扩展到ESD范围(“E”版本)或提供增强的机械性能(“M” versions).

Lati最近在PP,尼龙6,PBT和PC中推出了基于IDP的LatiOhm系列。它们针对烟雾探测器和电动工具外壳中的ESD作用。据说该系列可提供104至1012 ohm / sq的表面电阻率。产品不脱落,可呈蓝色,紫色和绿色着色。

 

纳米碳的承诺

"纳米碳可能被证明是21世纪的铝,而在20世纪,"宣布先进材料研发应用科学部总裁马克斯·莱克(Max Lake)&俄亥俄州Cedarsville的D公司。他说,与铝一样,这种微小的高纵横比纳米颗粒具有非凡的强度和重量。在塑料中,纳米碳还可以显着增强导电性和导热性。

供应商 of nano-carbons include 海波龙 Catalysis, the sole commercial supplier in North America; Japan's Mitsui and Showa Denko; and an Applied Sciences affiliate, Pyrograf 产品展示. The latter's developmental graphite nano-fiber is 100-200 nm in diam. x 100 microns long, giving it a 500-1000:1 aspect ratio. It's available in sample quantities at $70/lb. (A semi-works plant is being built.) At loadings of 0.5% to 5% by volume, Pyrograf's PF24 carbon nano-fiber boosts stiffness of plastics by 500% and drops their surface resistivity to the range of 1 to 1010 ohm/sq.

海波龙's multi-wall graphite nano-tubes have 10-nm OD and are 10 to 100 microns long, for at least a 1000:1 aspect ratio. The small size and curvilinear shape of these “fibrils” makes them difficult to disperse in plastics. To 恩 sure satisfactory dispersion, 海波龙 supplies the 原纤维 in pelletized masterbatches containing 15-20% 原纤维, which can be let down to as little as 0.5% by weight.

帕特·科林斯(Hyperion)’的市场经理说,基于原纤维的化合物可以覆盖整个电频谱,其负载比碳纤维(在物理尺寸上比原纤维大)低至少50%。纳米管的韧性和延展性据报道远远超过了最好的传统导电化合物。 海波龙说,粘度受到的影响最小,因此其原纤维非常适合薄壁成型,并在外观部件中提供出色的表面质量。与常规填充胶料相比,差异收缩和零件翘曲更少。

海波龙’尼龙6和66,PBT和PC母料的初始种类最近已扩展到PEEK,PEI(GE’的Ultem聚醚酰亚胺),PPS,尼龙12和PS。接下来是PP,PET和EVA母粒。当前的用途包括代替汽车燃料管线中的金属的尼龙12。它结合了出色的ESD性能和增强的韧性,从而转化为更高的安全性,即增加了抗断裂性。基于纳米管的可电子喷涂化合物在2-3%的载荷下即可提供必要的导电性,同时提供A级表面质量。

Cost is the major limit on nano-tube use, as 海波龙’s 原纤维 are priced at around $50/lb. Over the long haul, Collins argues, the start-up of world-scale plants will bring prices down.

RTP提供了在4-7%的负载下提供104至109 ohm / sq表面电阻率的基于纳米管的化合物。 RTP导电化合物产品经理Scott Koberna说,RTP’s NTC-series compounds minimize occurrence of 热 and 冷 spots and are suitable for high-purity ESD and 电子绘画 compounds. RTP puts nano-tubes into HIPS, acetal, and other 恩 gineering resins. NTC grades are priced 25% to 100% higher than comparable PAN-fiber compounds.

LNP ’用于高纯度应用的ESD材料的超清洁Stat-Kon板将PEEK和PEI化合物中的纳米管用于晶圆载体和磁盘驱动器组件。据说离子污染比碳纤维化合物低65%至90%。

泰科纳(Ticona)提供利用非常规碳基导电材料的导电PPS等级。据说这种新型成分可以以相当低的成本提供纳米管的许多好处。据说这种添加剂和专有的混合技术可确保精确“tuneability”ESD性能。这些材料也被描述为干净的—不脱落,离子污染和放气低—使它们适用于液晶显示器,电子存储介质和微电子托盘。


沥青纤维的新品种

由Conoco 进化开发的新型沥青基碳纤维将在俄克拉荷马州庞卡市的一家年产400万磅/年的工厂生产,该工厂将于今年第二季度投入生产。已提供样品。电气/电子行业经理Eduardo Romero说Cevolution’中间相沥青纤维的导电性比PAN型碳纤维高一个数量级,并且刚度也明显更高。刚度可以根据特定的最终用途进行调整。其他好处是出色的纯度和高导热性。这些纤维的价格将在某些应用中与PAN纤维竞争。罗梅罗(Romero)在ESD,EMI屏蔽,可电子喷漆的汽车零部件和燃料电池板中看到了潜力。

进化’s的纤维将采用连续工艺制造,该工艺能够实现很高的生产率,并使用成本相对较低的原料。原始形式是随机取向的连续丝垫,但是正在开发用户友好的形式(切碎和碾碎的纤维以及针刺垫)。

 

创意复合

普立万全球市场开发总监Jeff Frankish’s Compounds &颜色部门表示,导电化合物的OEM用户是“提高绩效标准”这些材料。“Multi-functionality”他说,越来越多地将其纳入配方中。例如,他列举了PolyOne的ESD和EMI等级,这些等级也经过润滑,部分基于再生树脂,或者经过修改以在特定设备上加工。

普立万’s Stat-Tech slate includes some 20 base resins and spans a range from 1 to 1012 ohm/sq surface resistivity. Some of the less conventional matrices now being used include nitrile-rubber-modified PVC, polysulfone, and various TPEs. 普立万 is exploring use of metalized glass fiber to 恩 hance electrical and thermal conductivity and provide reinforcement.

Teknor Apex的塑料部门。最近推出了一系列具有稳定ESD和EMI性能的柔性乙烯基化合物。炭黑填充的Vidux PVC在洁净室,医院和工厂中使用的电缆护套,地板,接地垫,屏蔽层和其他物品中提供100至108 ohm-cm的体积电阻率。据称,它们的价格低于2美元/磅,比基于碳或钢纤维的替代产品更具成本效益。

 

导电剂上路

汽车燃料输送系统是ESD化合物制造商关注的焦点。易受气流快速或湍流影响的零件(例如,加注管线的凹穴或管线接头)需要导电性以阻止静电积聚以及火花和爆炸的危险。这就是为什么大量应用如加油管线,底盘管道和燃油泵壳仍以钢制造的主要原因。

杜邦是一家致力于扩大塑料业务的公司’这些应用程序中的机会。杜邦开发了用于注射成型的一对缩醛化合物。 Delrin 300AS和300AT利用碳纤维提供ESD功能(106 ohm / sq)和增强的刚度。 Delrin 300AT的韧性是标准乙缩醛的两倍。它针对油箱盖和加油口。 Delrin 300AS具有比标准乙缩醛高300%的刚度,旨在用于储罐内部—例如发送器模块上的支撑法兰(用于给燃油泵加注的设备)。杜邦还推出了尼龙66 ESD等级,其中有些是玻璃填充的,并且计划推出ESD版本的Zytel HTN高温尼龙。

泰科纳(Ticona)最近推出了用于汽车燃油管路部件的ESD乙缩醛等级。 Celcon CF802使用新颖的增容剂技术将增强纤维粘合到基质上。据说可以最大程度地减少机械性能的折衷,并提高抵抗燃料侵蚀的能力。

Electrostatic paintability without need for a conductive primer is another property that makes conductive plastics attractive to auto makers. GE Plastics is taking a new tack in formulating Noryl PPO alloys for 电子绘画 auto parts. Five years ago, GE was one of the first to adopt 海波龙’在Noryl 990E中使用的碳纳米管,用于镜子外壳。该等级由于未阐明的原因已被停产,但成本无疑在决定中发挥了作用。

GE has now shifted its attention to 电子绘画 PPO compounds for automotive body panels like fenders. It is using carbon-black powder and a high-temperature PPO that can withstand 400 F bake temperatures for the E-Coat anticorrosion treatment. This 电子绘画 PPO is due to be commercialized this summer.

GE is also focusing on fuel filler doors, 78% of which are made of steel and painted on-line with other steel parts. GE sources believe that conversion of this application to plastics requires on-line 电子绘画 compounds. GE is proposing a nylon-modified PPO (Noryl GTX) made electrically conductive with carbon black.

Bayer has concluded that blends of various carbon-based conductive additives, including 海波龙’纳米管是解决电子绘画需求的一种经济有效的方法。的确,新的30%玻璃尼龙6和TP聚酯模塑料中使用了相容的碳添加剂混合物,据报道它们在门把手,燃油箱盖和大型外部汽车零件中提供了卓越的表面光滑度。

EMI保护是汽车导电塑料的另一个主要增长潜力领域。 EMS-Grivory的电子市场经理David Riffer表示,刺激因素是汽车中越来越多地使用敏感的电子产品,即将转换为42伏电池电源以及需要保留引擎盖下的空间。他的公司长期以来一直将碳和不锈钢放入其ESD版本的尼龙6、66和12化合物中,以用于汽车燃油管和引擎盖下。现在,该公司正在使用以不锈钢为导电成分的尼龙EMI屏蔽化合物。这些产品针对汽车电子产品以及商用机外壳和同轴电缆连接器。

EMS-Grivory还将镍和锌铁氧体粉末混入尼龙12和高温尼龙中,以用于“soft”磁铁。这些成型设备在电流的作用下会磁化,从而为气囊连接器和其他敏感控制元件提供EMI保护。聚合物磁体比其替代的烧结磁体更耐用,并且还提供了更大的设计自由度以及降低制造和组装成本的潜力。 Riffer说,高分子磁体还可以为计算机和设备提供EMI保护。

LNP 最近从DSM获得了EMI屏蔽化合物的Faradex系列产品中的主要成分是不锈钢纤维。它们更多地面向消费电子产品和商用机器,即用于手机和计算机设备的薄壁外壳。与碳添加剂不同,不锈钢不限制着色性,但是纤维在熔融加工中容易损坏。 LNP 使用特殊的复合技术来保留光纤长度,以实现良好的屏蔽。

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