防靜電透明硬涂層加速老化研究 輔朗光學FLOMC

發布:防靜電pc板 瀏覽:1270次 發布時間:2020-7-10

前言

塑料制品具有外觀優美、質量輕、電絕緣性好、易于成型等優點,被廣泛用于無塵室空間分隔、潔凈設備、觀察窗及設備罩、電子測試治具等應用場景,涉及半導體工業、LCD、電子裝備及微電子設備、電子電氣、通訊制造、精密儀器、光學制造、醫藥工業及生物工程等行業。然而,塑料制品的高絕緣性使其在摩擦時會產生靜電累積,導致吸塵、電擊、放電,給工業生產和應用帶來傷害[1]。為了在實際應用中避免靜電效應的發生,塑料制品必須進行防靜電處理[2]。防靜電涂層是一種最常見的處理方式,通常情況下,表面電阻10^6~10^9Ω即可保證塑料的防靜電效果,同時涂層還應具有一定的抗劃傷和耐擦拭性能。

國標GB50611《電子工程防靜電設計規范》將防靜電材料明確定義為長效型和短效型兩種,長效型防靜電材料指其防靜電性能與材料壽命同步,在使用期限內防靜電性能應保持穩定,并且防靜電性能不受濕度等環境因素的影響。

防靜電涂層的壽命受防靜電劑類型影響較大,目前常見的抗靜電劑的種類有多種[3],如表面活性劑、離子液體、石墨烯、碳納米管、碳纖維、導電炭黑、導電高分子、金屬氧化物等。按防靜電機理來分,防靜電涂料可分為表面遷移型和復合型,根據使用壽命又可分為短效型和長效型。短效抗靜電劑(如表面活性劑、導電高分子等有機材料)的環境耐受性差,使用壽命較短(一般小于兩年)[4]。長效抗靜電劑(如納米碳材料、金屬氧化物等無機材料)具有優異的環境穩定性,非常適合用于對防靜電壽命有較高要求的應用領域。

但目前尚無明確的測試方法來評價防靜電制品的壽命。本文結合實際應用中的問題,創新性的對兩種典型的復合防靜電涂層(導電高分子型和碳納米管型)進行環境加速老化對比研究,為長效型防靜電涂層的壽命評價提供依據。

1 試驗原理

模擬環境加速老化試驗的種類要依據試樣受到的現場影響的種類來確定。對防靜電材料的使用壽命有較高要求的應用領域如無塵室透明隔斷、高端設備防護外罩等,在生產、加工、運輸和使用過程中均容易接觸濕熱和光照環境。本文主要通過在實驗室模擬上述環境中的濕熱和光照環境,對防靜電涂層進行加速老化,可有效鑒別防靜電涂層的壽命能否達到長效[5]。

綜上,本試驗采用的具體試驗項目包括:耐水煮測試、高溫高濕測試、氙燈老化測試和QUV老化測試。上述環境條件對產品可能的影響包括:涂層老化,附著力異常、電阻衰減等。這些結果會導致產品質量(失效、可靠性等)下降。

2 試驗方案

2.1 試驗樣品

試驗樣品:碳納米管透明防靜電聚氯乙烯(PVC)板(樣品A),碳納米管透明防靜電亞克力(PMMA)板(樣品B),碳納米管透明防靜電聚碳酸酯(PC)板(樣品C),導電高分子透明防靜電PVC板(樣品D),尺寸為148mm×210mm×5mm,數量各8片。

2.2 試樣基本性能

試樣的基本性能見表1。

2.3 試驗項目及方法

環境加速老化可以加快不同材質的防靜電涂層的老化,是一種有效的壽命評估方法。如下將耐水煮測試、高溫高濕測試、氙燈老化測試和QUV老化測試的具體實驗條件列舉如下:

1)耐水煮性

將樣品浸沒在98℃±2℃蒸餾水中恒溫2小時,試驗中應避免試驗過程中試件相互接觸和竄動,試驗結束進行附著力和表面電阻測試。

2)高溫高濕

將樣品在溫度50℃±2℃,濕度85%RH下,168小時。試驗結束后進行附著力和表面電阻測試。

3)氙燈老化

黑板溫度為55℃±3℃,相對濕度為40%±5%,箱體溫度50℃,輻照強度0.75W/m2(340 nm),干循環102分鐘,濕循環18分鐘,累計輻照時長24小時,試驗后測量表面電阻。

4)QUV老化

UVB-313nm(0.71W/m2),50℃輻照暴露4小時,50℃無輻照冷凝暴露4小時,測試5個循環,試驗后測量表面電阻。

2.4 試驗儀器

上述測試所用儀器見表2。

3 結果與比較

經上述試驗條件后,不同防靜電涂層的測試結果如下表3。

表3結果顯示了碳納米管透明防靜電PVC板(樣品A),碳納米管透明防靜電PMMA板(樣品B),碳納米管透明防靜電PC板(樣品C),導電高分子透明防靜電PVC板(樣品D)四種防靜電板材在耐水煮性、高溫高濕、氙燈老化、QUV加速老化四個項目上的測試結果。不同測試項目下,三種碳納米管防靜電板材的防靜電性能非常穩定,而導電高分子材料防靜電板的防靜電性能在四種測試條件下均有明顯影響,表面電阻衰減嚴重。

3.1 濕熱對防靜電涂層的加速老化

3.1.1 水煮測試

如表4所示,碳納米管防靜電涂層在98℃±2℃的蒸餾水中恒溫2小時,表面電阻和附著力均無明顯變化,說明碳納米管防靜電涂層在沸水狀態下穩定性良好。導電高分子防靜電涂層在同樣的測試條件下,表面電阻變化上升明顯,說明導電高分子在濕熱環境中穩定性差。

3.1.2高溫高濕測試

高溫高濕測試后,不同防靜電涂層的附著力均未受影響。由圖1可以看出,碳納米管防靜電涂層在高溫高濕環境中表面電阻和附著力均無明顯變化。導電高分子防靜電涂層在同樣的測試條件下,表面電阻變化上升明顯,48h后表面電阻上升至10次方,說明導電高分子的導電結構在高溫高濕環境中受到破壞。

3.2 光照對防靜電涂層的加速老化

3.2.1 氙燈加速老化測試

氙燈加速試驗造成材料老化的主要因素是陽光和潮濕,可以模擬由陽光,雨水和露水造成的傷害。將樣品放置在一定溫度下的光照和潮氣交替的循環程序中進行測試,短時間即可重現戶外數月乃至數年出現的危害,不同防靜電涂層氙燈加速老化試驗數據見表5。

由表4可以看出,碳納米管防靜電涂層的表面電阻在氙燈照射下非常穩定,但導電高分子防靜電涂層在氙燈輻照4小時后,電阻上升至11次方,繼續輻照后表面電阻大于12次方,無防靜電功能,說明導電高分子對光線非常敏感。

3.2.2 QUV加速老化測試

QUV加速老化試驗能夠模擬陽光中的短波紫外光對涂層的破壞作用,并通過采用紫外光、冷凝和高溫暴露循環等條件來加速所模擬的陽光、雨和露對涂層的破壞,是涂料耐老化性能測試的重要手段。

將樣品放置在UVB-313nm(0.71W/m2),50℃輻照暴露,50℃無輻照冷凝暴露的條件下進行測試中進行測試,不同防靜電涂層QUV加速老化試驗數據見表6。

由表6可以看出,碳納米管防靜電涂層的表面電阻在QUV照射下非常穩定,但導電高分子防靜電涂層在輻照8小時候,電阻上升至11次方,繼續輻照后表面電阻達到12次方,說明導電高分子在紫外線曝露的條件下分子結構發生破壞,導電性能受到嚴重影響。

3.3 結果分析

導電高分子在濕熱和光照條件下的穩定性差,而碳納米管的導電性能不受環境因素影響。導電高分子材料受濕熱和光照影響的主要原因分析如下:1)導電高分子中存在大量共軛雙鍵,這些不飽和基團對空氣中的氧氣非常敏感,在濕熱情況下,氧氣對共軛雙鍵造成破壞;2)200~400nm波段的紫外線,能夠提供高能量的紫外光子(波長為200nm的光子能量是6.2eV)能夠切斷導電高分子材料中共軛雙鍵,形成自由基。而碳納米管為晶體結構,sp2雜化軌道的電子運行會相對更靠近原子核,鍵長短,鍵能大,紫外線中高能光子無法對其結構造成破壞,在空氣中耐溫高達450℃,性能非常穩定[6]。

4 結論

本文通過對碳納米管防靜電透明硬涂層和導電高分子防靜電透明硬涂層進行加速老化測試,并對老化測試的結果進行系統分析得出如下結論:可通過濕熱和光照等環境模擬測試來區分長效和短效防靜電涂層;導電高分子防靜電產品不適合應用于有濕熱或紫外線曝露的環境中,在該環境下導電高分子的化學鍵容易發生破壞,影響防靜電效果。本文為對防靜電持久性有較高的高端制造領域提供了產品鑒別依據,并提出了長效和短效防靜電的判定方法,具有較高的實用價值。

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