導電塑料發展綜述

摘 要：2000年，諾貝爾化學獎的獲得者美國科學家艾倫·黑格、艾倫·馬克迪爾米德和日本科學家白川英樹通過研究發現：塑料是可以導電的。他們的研究成果挑戰了人們的傳統觀念，同時在近年來導電塑料在現實中得到了廣泛的運用。

關鍵詞：導電塑料；發展；前景

導電塑料是指將樹脂和導電類的物質混合，通過塑料加工方式加工而成的功能型高分子材料。被廣泛地運用于電子、集成電路包裝、電磁波屏蔽等領域。

導電性高分子材料通常分為結構型和復合型兩類。結構型導電高分子聚合物是有機聚合摻雜后的聚乙炔，在1977年被發現，它具有類似金屬的導電率。其它導電聚合物通常必須通過離子化、電化學、氧化還原等方法加工處理后才能具備高導電性。另一種熱分解導電高分子是把聚酰亞胺和聚丙烯等物質在高溫下進行熱處理以獲得與石墨結構類似的物質，從而產生導電性這種熱分解導電高分子的特性是不需要進行摻雜處理，具有較好的穩定性。復合型高分子材料是由高分子材料和導電性物質復合而成的，應用較為廣泛。復合型高分子材料按照樹脂形態的不同可分為導電塑料、導電橡膠、導電膠粘劑、導電涂料等。其中，本文所論及的導電塑料其主要用途為：

（1）作為中、高壓電纜中的半導電屏蔽料。

（2）作為防爆產品的外殼和結構件，如煤礦、油船等場合中使用的電器產品外殼及結構件。

（3）作為電子產品的集成電路、晶片等精密電子元器件生產過程中所需的防靜電薄膜袋、IC封裝、IC及LCD托盤等。

（4）作為電訊、電動化系統、消費電子產品、車載電子產品等電器產品的EMI屏蔽外殼。

導電塑料除了在抗靜電添加劑、計算機抗電磁屏幕及智能窗等領域得到高速的發展，在太陽能電池、發光二極管、微型電視屏幕等領域也被廣泛看好。人類在未來不僅能通過導電塑料提高計算機的運行速度，而且還能減小計算機的體積。

1 國內外對導電塑料的研究成果

塑料向來被視作導電性極差的物質，因而被廣泛地用作導線的絕緣外皮。然而兩位來自澳大利亞昆士蘭大學的專家領導（保羅·麥里迪斯（Paul Meredith）教授和助理教授本·鮑威爾（Ben Powell），新南威爾士大學的亞當·米考林（Adam Micolich） 教授取得的一項研究發現，將一層薄金屬膜覆蓋在絕緣層上面，通過離子束把它融入高分子聚合體表面，能夠生成一種新的塑料膜，價格低、強度高、韌性好、可導電。

離子束技術應用于塑料膜，這一舉措是從上世紀八十年代開始的，近幾年取得顯著成效。該領域的專家介紹“這個小組所作的工作，簡單說，是借助離子束技術改變塑料膜材料的性質，使它具備類似于金屬的功能，像導線那樣導電，甚至變成超導體，當溫度降低到一定程度使電阻為零。”在應用方面，該小組參照工業標準，利用這種材料制作了電阻溫度計。這種電阻溫度計相對于鉑電阻溫度計具有更優越的性能：機械柔韌性、低成本、高強度、易導電。

這種新型材料相比傳統的高分子半導體材料具有更高的抗氧化能力，并且可以利用微電子工業使用的常見設備進行生產加工。可見，諸多的優勢將是這種借助離子束處理高分子聚合物所得的薄膜材料具有光明的未來。

1.1 抗靜電劑填充型

由于其中低分子型抗靜電劑表面電阻為1010-1013Ω，對產品性能影響不大，故抗靜電劑填充型產品的優點是制品的著色不受限制，但低分子抗靜電劑填充型產品的電性能會隨著使用年限的增加而漸漸減弱。高分子型抗靜電劑主要分為聚醚型、季氨鹽型、酸的接枝共聚物、離子型、磺酸型。生產廠家主要是日本的三洋化成、住友科學工業、第一工業制藥、住友精化。瑞士的科萊恩、汽巴精化等。在我國，目前主要研發低分子型抗靜電劑，生產廠家主要是北京市化工研究院、杭州塑料研究所等。

1.2 碳系填充型

碳系填充型產品的填充物主要是石墨、碳纖維、導電炭黑。導電炭黑填充是當前的主流，之所以如此是因為：其一、導電炭黑價格低廉；其二、炭黑能根據導電要求的不同而有不同的選擇，余地較大；其三、導電炭黑導電性持久且穩定。綜上三點，炭黑無疑是理想的抗靜電材料。其缺點是制成品顏色受限，只能是黑色，并且對材料的性能影響較大，在技術方面需要作出相應調整和改進。國外的碳系填充型導電塑料市場已十分成熟，其中的大廠商有美國的卡伯特公司、原聯碳公司、3M公司；日本的住友酚醛塑料、東芝化學、東麗、東洋油墨制造、神戶制鋼所等。碳系填充品種在國內的市場需求極大，其中高壓電纜材料基本依靠進口。

1.3 金屬填充型

金屬填充型產品主要用于需要電磁波屏蔽的場所。隨著集成電路和大規模集成電路技術的成熟，數字化電子器械已經走向民用品發展的方向，其電子線路和元件日趨集成微型化和高速化，信號水平減小，從外部侵入的電磁波與控制信號接近，這就大幅度的提高了金屬填充型產品的處理能力。由于塑料作為外殼具有輕巧但強度高、耐腐蝕、易加工、成本低等優勢，八十年代后，電子機器的外殼普遍使用塑料替代金屬。然而由于塑料是絕緣體，電磁波將完全透過塑料制品。如何使塑料殼題具有屏蔽電磁波的能力是一個有待研究的問題。

在國外，金屬填充型導電塑料發展成熟，已經進入規模化工業生產程序，但由于此類材料價格昂貴，成本高，在我國并未進行工業化生產，只是在北京化工研究院、中科院、中山大學等個別單位開展了相關研究工作。

2 導電塑料發展前景展望

高分子材料取代金屬材料將導致導電性聚合物的市場需求增長，這一發展趨勢也將對導電性聚合物提出更多和更高的要求。為滿足市場需求，必須首先解決阻礙導電性聚合物進一步實現實用化的問題。

2.1 穩定性不足

導電性高分子中的氧原子遇水不穩定，如何增加穩定性是實現高分子材料實用化的關鍵問題。

2.2 摻雜劑有毒

高分子材料的形成過程需融入摻雜劑，而一些摻雜劑如AsF5、I2等有毒，會產生安全問題。

2.3 成本高。高分子材料的價格相對金屬和普通材料高出很多，加之工藝復雜，短期內難以普及，實現實用化。

2.4 工藝復雜，成型難。導電聚合物主鏈中的共軛結構意味著分子鏈僵硬，難溶、難融，使得自由成型困難，加工工藝復雜。

導電塑料的特性使其有著廣闊的應用前景。作為日用產品，它主要用于靜電的消除、電磁干擾屏蔽、吸收微波等。隨著計算機通訊網絡進入日常生活的方方面面，亟待解決的是計算機的電磁輻射問題，用導電塑料作為機房內壁、對計算機殼體進行屏蔽，可有效減輕電磁的輻射泄漏。

導電塑料還可制作微型接插件，應用于小型計算機、電子表和其他儀表中，其他需要屏蔽的儀器如打印機、磁盤驅動器、數字化儀等都可以用導電塑料進行屏蔽。另外，對能屏蔽電磁波干擾（EMI）的導電塑料的開發也成為國內外重點關注的科研課題。導電塑料除了在屏蔽方面的運用，在發光二極管的光電性質、二次電池的電化學氧化還原性質等領域也嶄露頭角。由于導電塑料具有優良的光學級電化學性能，它在分子電路、電子膜等領域同樣成績卓著。

在我國，導電塑料的研究開發遠不如國外成熟。1984年，導電塑料在我國作為科技攻關項目進行了重點研發，隨后在電子行業和煤炭行業得到了應用和推廣。1990年，電磁波屏蔽材料又作為“八五”重點科技攻關項目在集成電路行業得到應用和推廣。由于技術難度大和生產成本高，我國對該材料的使用主要依賴進口，但隨著近年來我國電子工業的快速前進，防靜電類產品在工業生產領域需求十分迫切，用塑料制品代替金屬制品進行電磁波屏蔽成為大趨勢，也成為我國進一步研發導電塑料的契機。

參考文獻

[1]僚德新.導電聚臺物走上前臺[N].科學時報，2000-10-17（3）.

[2]安鵬.神奇材料為他們贏得了諾貝爾化學獎IN].

[3]方鯤，曹傳寶，朱鶴孫，等.不銹鋼纖維填充熱塑性導電塑料研究進展[J].化工新型材料，2006，34（1）：5-7.

[4]謝長生.人類文明的基石一材料科學技術[M].武漢：華中理工大學出版社，2000：105.