[发明专利]将离子传导性聚合物结合到聚合物制品中以实现抗静电性的方法

说明书

技术领域

本发明一般涉及聚合物，更具体涉及将离子传导性聚合物表面层结合到聚合物基质中以降低材料的表面电阻率，使其足以实现静电消散(抗静电性)的方法。

发明背景

由于热塑性聚合物具有的加工性和有用的机械性质，热塑性聚合物已经被发现广泛商业成功地用于消费品、军用品、包装材料、建筑业、汽车和电子产品。但是，大部分塑料是电绝缘体，可能导致静电(摩擦电)电荷累积的问题。在绝缘塑料表面上累积(摩擦起电或其它方式)的电荷很难在制品的表面上移动而重新结合。塑料上的静电累积会带来麻烦的用品包括飞机，电子产品和军用织物/设备。具有静电消散性质的聚合物用于各种用品中，特别是在发动机和涡轮中防止由于电荷累积造成爆炸(例如，美国公开专利申请2008/0237527和美国专利7,527,042)，以及用于保护电子产品(例如，美国专利5,916,486,5,997,773和6,015,509,美国专利6,687,097；6,344,412；6,534,422；和6,459,043)。

电子产品可能会因为静电放电而被破坏，易燃或高能材料可能分别被引燃或引爆。在消费品中，塑料静电消散材料可用于地板(例如瓷砖或地毯)和汽车座椅套，否则会由于与鞋或衣服的摩擦而累积静电电荷。如果使用电绝缘体，这些材料可能对消费者传递不利的“电击”，特别是在干燥环境下。尽管用于制备极佳静电消散材料的导电聚合物目前可以购得，其每公斤的价格明显高于商品塑料，它们在普通塑料加工设备中的加工性差，它们的机械性质也不能很好地适应许多应用。因此，常常将传统商品塑料与抗静电剂或导电填料掺混，以实现静电消散性质。

在下文中，称为具有静电消散特征的材料的表面电阻率为1x10⁵-1x10¹²Ω/□(或体积电阻率为1x10⁴-1x10¹¹Ω-cm)。许多未改性的塑料树脂的表面电阻率为1x10¹⁴-1x10¹⁶Ω/□，意味着它们是电绝缘体。为了将表面电阻率降低到静电消散范围，各种处理措施已有描述。

美国公开专利申请2009/0186254提供了一种无额外添加剂的酸固化甲阶酚醛树脂，该材料具有足够低的电阻率用于静电消散应用。美国专利6,841,646中揭示了基于聚(二甲基硅氧烷)的聚(脲-氨基甲酸酯)的合成，该材料在高湿度环境下表现出足以用于静电消散应用的电导率。

在聚合物骨架中引入能导电的部分也是用于静电消散材料的一种成功措施。美国专利6,586,041描述了一种在用作包装材料薄膜的由导电聚合物、可交联聚合物和交联剂制备的透明聚合物材料中实现静电消散的方法。美国专利7,041,374详细描述了在聚合物骨架中使用金属茂部分以赋予静电消散性质。

在另一类静电消散聚合物中，将化学添加剂施涂到制品表面上，或者将化学添加剂结合到制品表面之下。通常在加工过程中引入抗静电剂，抗静电剂通常是两性表面活性剂分子。抗静电剂通常具有离子头部基和长长的非极性尾部基。由于离子头部和塑料之间混合的热力学较差，抗静电剂在加工后迁移到表面，在表面形成高极性层。由于表面上大气湿度的吸附，表面电阻率明显降低。

由于塑料制品正常使用过程中表面上的磨损或摩擦，抗静电剂可能部分损失，但是抗静电剂能自补偿到一定程度，因为额外的抗静电剂能随时间退役而扩散到表面。虽然传统的抗静电剂可用于普通消费品，对于一些要求严格的应用如户外应用，抗静电剂可能会由于风化和/或机械磨损而损失。因此，优选包含固定的抗静电剂的方法。例如，美国专利5,571,472提供了通过在模塑过程中添加含氮化合物，然后对成形制品表面进行电晕放电处理而在成形树脂中实现静电消散性质，而不损害物理性质或导致脱色。

为了实现足够的电导率从而达到静电消散，也可以向聚合物制品中添加填料，例如金属颗粒或碳纤维。已经证明炭黑可以用于此目的，碳纳米管和金属纳米复合材料也可以。美国公开专利申请2009/0236132讨论了由非绝缘颗粒如金或炭黑和固有消散性聚合物在热固性树脂中的分散体构成的静电消散材料。美国公开专利申请2009/0281227揭示了一种聚合物组合物，该组合物由以下组分组成：聚(芳基醚酮)，聚(联苯醚砜)和具有静电消散性质的纤维碳纳米填料。