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前言

 

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）由丙烯腈、丁二烯與苯乙烯三者共聚而成，ABS材料具有良好的加工性能和力學(xué)性能，可用于電子、電器等材料領(lǐng)域。但這類材料由于不具備導(dǎo)電性能，在某些特殊場(chǎng)景中使用容易產(chǎn)生靜電聚集現(xiàn)象，可能會(huì)引發(fā)火災(zāi)爆炸等安全事故。這類塑料可以通過(guò)表面噴涂或內(nèi)添加等方式獲得一定的抗靜電性能?？轨o電ABS通過(guò)內(nèi)添加抗靜電劑達(dá)到一定的抗靜電效果，具有抗靜電效果好、時(shí)效長(zhǎng)、對(duì)力學(xué)、加工等性能影響小等特點(diǎn)，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用。

 

電阻性能是評(píng)價(jià)材料抗靜電性能的主要指標(biāo)之一，在日常檢測(cè)中常使用電橋、高阻計(jì)等對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)量，不同類型的設(shè)備及電極對(duì)于材料的電阻取值會(huì)產(chǎn)生一定的影響，特別是不同電極對(duì)于結(jié)果影響較大，這與材料形狀、尺寸及表面接觸情況均有密切關(guān)系。由于部分塑料及相關(guān)產(chǎn)品的不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于測(cè)試的細(xì)節(jié)描述不清晰，容易造成分歧。除電極本身的差異外，環(huán)境溫濕度、測(cè)試電壓及樣品的接觸情況等均會(huì)對(duì)某些材料的測(cè)試結(jié)果造成一定的影響。為探究外部測(cè)量因素對(duì)抗靜電ABS材料電阻取值的影響，本文主要通過(guò)對(duì)調(diào)節(jié)時(shí)間、溫度、濕度、測(cè)量電壓及外施壓力等影響因素的分析，為抗靜電ABS改性塑料的電阻性能測(cè)試及使用提供參考。

 

1、實(shí)驗(yàn)部分

 

1.1主要樣品與儀器

 

1.1.1  樣品

 

ABS：ABS-606

 

抗靜電劑：PELESTAT6500

 

1.1.2  儀器

 

雙螺桿擠出機(jī)：RT-58

 

注塑機(jī)：BM-90E

 

高絕緣電阻儀：ZC-90E

 

恒溫恒濕試驗(yàn)箱：QY-A-150C

 

1.2  試驗(yàn)方案

 

1.2.1試樣制備

 

取90份ABS樹(shù)脂、8-10份抗靜電劑及1-2份其他添加物按比例混合均勻。擠出機(jī)各段溫度控制在170 ℃-230 ℃，通過(guò)雙螺桿擠出機(jī)中擠出、造粒后，在80 ℃條件下烘干3h。注塑機(jī)料筒溫度設(shè)置在180 ℃-220 ℃，注塑壓力為45 MPa-75 MPa，將粒子在注塑機(jī)上注塑成長(zhǎng)100mm、寬100mm、厚2mm的表面光滑、無(wú)缺陷的抗靜電ABS-1#、ABS-2#方板樣品。

 

其中，其他添加物主要為抗氧劑1010、168和相容劑等，主要用于穩(wěn)定加工及注塑過(guò)程，對(duì)樣品電阻性能無(wú)影響，可根據(jù)實(shí)際需求選擇添加。

 

1.2.2 測(cè)試方法

 

電阻性能測(cè)試時(shí)，可根據(jù)測(cè)試樣品種類及測(cè)試要求的差異，選擇使用不同的電極，抗靜電ABS屬于硬質(zhì)聚合物樹(shù)脂，一般注塑成平板進(jìn)行電阻測(cè)試，電阻值在106Ω-1012Ω之間，常使用同軸三電極進(jìn)行測(cè)試。如圖1所示，試樣置于測(cè)量電極、保護(hù)電極和被保護(hù)電極之間，在施加測(cè)量電壓時(shí)，可以有效排除外來(lái)寄生電壓引起的測(cè)量誤差，僅測(cè)量施加在試樣上的兩測(cè)量電極之間的絕緣電阻，具有更高的準(zhǔn)確性。

 

參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31838.2-2019和GB/T 31838.3-2019進(jìn)行體積電阻和表面電阻的測(cè)試，選擇同軸三電極，設(shè)定100V測(cè)量電壓，樣品置于上、下三電極之間，當(dāng)樣品出現(xiàn)接觸不良時(shí)，部分測(cè)試人員會(huì)通過(guò)向絕緣保護(hù)套上施加外部壓力增加試樣與電極的接觸面進(jìn)行測(cè)試。樣品電化1min后讀取樣品的電阻性能數(shù)據(jù)。

 

 

圖1 同軸三電極測(cè)試方法示意圖

 

1.2.3 方案設(shè)計(jì)

 

為探究標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下不同調(diào)節(jié)時(shí)間、溫度、濕度、測(cè)試電壓及外施壓力對(duì)表面電阻及體積電阻的影響，設(shè)計(jì)如下表1所示影響因素的試驗(yàn)方案。在直流電源電壓為100 V，電化時(shí)間60 s的條件下，測(cè)試樣品不同測(cè)試條件下的表面電阻及體積電阻性能，其中每組樣品測(cè)試3個(gè)，取平均值數(shù)據(jù)。

 

表1 不同影響因素試驗(yàn)方案

 

 

2、結(jié)果與討論

 

2.1調(diào)節(jié)時(shí)間的影響

 

樣品在溫度（23±2）℃、濕度（50±5）%的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下分別調(diào)節(jié)1 h、4 h、8 h、12 h、16 h、20 h、24 h、2 d、3 d、4 d后測(cè)試表面電阻及體積電阻性能，測(cè)試結(jié)果如圖2、圖3所示。

 

 

圖2 標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下調(diào)節(jié)不同時(shí)間的表面電阻

 

 

圖3 標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下調(diào)節(jié)不同時(shí)間的體積電阻

 

由圖2，圖3可知：調(diào)節(jié)初期由于環(huán)境因素的突然變化，樣品電阻值波動(dòng)較大。隨著調(diào)節(jié)時(shí)間的推移，樣品內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)趨于“穩(wěn)定”，樣品電阻性能波動(dòng)減小。不同產(chǎn)品類型的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于樣品的調(diào)節(jié)時(shí)間要求不一致，一般在24小時(shí)至4天之間。但樣品在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下放置調(diào)節(jié)8 h后，性能值波動(dòng)減小，調(diào)節(jié)24 h后，電阻性能即可趨于穩(wěn)定。

 

2.2溫度調(diào)節(jié)環(huán)境的影響

 

取樣品置于濕度為50%的恒溫恒濕箱中，分別設(shè)置0 ℃、10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃的溫度條件下調(diào)節(jié)24 h，取出測(cè)試表面電阻及體積電阻，測(cè)試結(jié)果如圖4、圖5所示。

 

 

圖4 不同溫度環(huán)境下的表面電阻

 

 

圖5 不同溫度環(huán)境下的體積電阻

 

由圖4，圖5可知：環(huán)境溫度對(duì)于樣品的電阻性能有一定的影響，樣品的表面電阻及體積電阻均隨溫度的升高而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。隨著溫度的升高，兩種樣品的表面電阻和體積電阻的下降幅度基本一致，均未超過(guò)10倍。這是由于所使用的抗靜電劑為聚合物型抗靜電劑，與樹(shù)脂基體相容性較好，能均勻分布到樣品中，且熱穩(wěn)定性好，受到環(huán)境溫度的影響有限。低溫環(huán)境會(huì)抑制電子“活性”，靜電釋放速度變緩，電阻增大。隨著溫度的升高，電子運(yùn)動(dòng)加劇，靜電釋放速度增大，導(dǎo)電性能也會(huì)呈現(xiàn)一定的上升趨勢(shì)，導(dǎo)致樣品整體電阻性能的下降，這種趨勢(shì)相對(duì)平緩。

 

2.3濕度調(diào)節(jié)環(huán)境的影響

 

樣品置于溫度為23 ℃的恒溫恒濕箱中，分別設(shè)置15 %、30 %、40 %、50 %、60 %、70 %、80 %、90 %的濕度條件。并另取一組置于蒸餾水中浸泡，模擬進(jìn)行100 %濕度的調(diào)節(jié)條件，調(diào)節(jié)24 h后取出測(cè)試表面電阻及體積電阻。測(cè)試前使用干凈的無(wú)紡布擦凈表面有水漬的樣品，測(cè)試結(jié)果如圖6、圖7所示。

 

 

圖6 不同濕度環(huán)境下的表面電阻

 

 

圖7 不同濕度環(huán)境下的體積電阻

 

由圖6，圖7可知：環(huán)境濕度能較大程度地影響材料的電阻性能，隨著濕度的增加，樣品的表面電阻和體積電阻均呈下降趨勢(shì)，且樣品在低濕度區(qū)域下降幅度大于高濕度區(qū)域。這一般是由于在濕度較低的環(huán)境下，樣品的靜電聚集，釋放速度緩慢，整體電阻增大。ABS材料具有一定的吸水性，隨著濕度的增加，會(huì)逐漸在樣品表面形成水膜，樣品的靜電流通性增強(qiáng)，增加材料導(dǎo)電性，導(dǎo)致電阻性能下降。

 

而聚合物抗靜電劑屬于高分子材料，其吸水性較高，混合后均勻分布在樣品中，會(huì)增加樣品表面附著的水分，使樣品表面電阻發(fā)生了較大程度地降低，達(dá)到了10-100倍。除去材料本身的吸水性會(huì)影響材料在不同濕度下測(cè)試的電阻性能以外，抗靜電劑充分與樹(shù)脂基體混合后，會(huì)在材料內(nèi)部形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，便于電荷的疏導(dǎo)。而這些網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，也更加利于水分的附著，導(dǎo)致材料的體積電阻隨環(huán)境濕度變化更加敏感。在濕度15%至100%（浸水）環(huán)境下調(diào)節(jié)24h，樣品的體積電阻的下降幅度達(dá)到了10000倍。

 

2.4不同電壓條件的影響

 

樣品在溫度（23±2）℃、濕度（50±5）%的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下調(diào)節(jié)24 h，分別使用100 V、250 V、500 V和1000 V的測(cè)試電壓，測(cè)試其表面電阻及體積電阻，測(cè)試結(jié)果如下：

 

 

圖8 不同測(cè)試電壓下的表面電阻

 

 

圖9 不同測(cè)試電壓下的體積電阻

 

由圖8，圖9可知：隨著測(cè)量電壓的增加，樣品的表面電阻和體積電阻整體均呈下降趨勢(shì)，這是由于在保持環(huán)境因素不變的情況下，超過(guò)一定電壓后，測(cè)試電壓的增大會(huì)急劇增強(qiáng)樣品的帶電粒子運(yùn)動(dòng)，使其導(dǎo)電性能增強(qiáng)，且電導(dǎo)電流的增強(qiáng)的影響程度大于測(cè)試電壓增大的影響程度，導(dǎo)致樣品整體電阻性能呈下降趨勢(shì)。當(dāng)測(cè)試電壓在100V至250V變化時(shí)，電壓的增大激活材料大部分帶電粒子運(yùn)動(dòng)，樣品的電阻性能下降較大。在500V到1000V變化時(shí)，材料無(wú)法產(chǎn)生更多的帶電粒子，電阻測(cè)量值下降趨勢(shì)有一定變緩。

 

2.5不同外施壓力的影響

 

樣品在溫度（23±2）℃、濕度（50±5）%的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下調(diào)節(jié)24 h，分別使用標(biāo)準(zhǔn)砝碼統(tǒng)一放置于測(cè)試電極上模擬施加0 N（不施力）、5 N（約510g）、10 N（約1020g）、15 N（約1530g）、20 N（約2040g）的壓力，測(cè)試其表面電阻及體積電阻，測(cè)試結(jié)果如下：

 

 

圖10 不同外施壓力下的表面電阻

 

 

圖11 不同外施壓力下的體積電阻

 

由圖10，圖11可知：隨著外施壓力的增大，樣品的表面電阻和體積電阻整體均呈下降趨勢(shì)。這是由于現(xiàn)有工藝很難達(dá)到電極與樣品表面的絕對(duì)平整，在外施壓力的作用下，能一定程度上增大電極與樣品的接觸面，樣品電阻測(cè)試值呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。在日常生產(chǎn)過(guò)程中，需要考慮抗靜電劑等添加物與材料本身的相容性?；旌陷^差的材料無(wú)論是在注塑、測(cè)試或成型過(guò)程中，都有可能會(huì)出現(xiàn)表面不均勻或接觸不良的情況。在測(cè)試一些樣品表面缺陷導(dǎo)致接觸不良的樣品時(shí)，外施壓力能作為一種加大樣品與電極接觸面的常用手段，進(jìn)行輔助測(cè)量。

 

由于產(chǎn)品的實(shí)際使用條件不穩(wěn)定，且與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境差異較大，不同的調(diào)節(jié)環(huán)境和測(cè)試條件對(duì)于樣品的電阻測(cè)試值影響較大。樣品的表面電阻和體積電阻性能總體隨著溫度、濕度和電壓的增大而減小，同時(shí)也隨著樣品外施壓力的增大而減小，在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中須嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求執(zhí)行。而在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，抗靜電ABS材料的實(shí)際使用過(guò)程也需要充分考慮這些因素的影響，在溫度和濕度偏高的環(huán)境下，材料會(huì)表現(xiàn)出更好的抗靜電效果。

 

3、結(jié)論

 

本文通過(guò)探究電阻測(cè)量的一些外在影響因素，可以發(fā)現(xiàn)，抗靜電ABS材料表面電阻和體積電阻的大小除由材料本身性能相關(guān)外，測(cè)試環(huán)境因素影響也很大。調(diào)節(jié)時(shí)間的長(zhǎng)短、溫度、濕度、測(cè)量電壓及外施壓力的大小均會(huì)對(duì)樣品整體電阻性能產(chǎn)生了一定影響，具體如下：

 

1)調(diào)節(jié)時(shí)間的長(zhǎng)短會(huì)影響電阻測(cè)試數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，測(cè)試過(guò)程中需要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求的調(diào)節(jié)時(shí)間進(jìn)行執(zhí)行。對(duì)于無(wú)規(guī)范要求或無(wú)法達(dá)到規(guī)定調(diào)節(jié)時(shí)間的樣品，一般建議在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下調(diào)節(jié)至少24 h，對(duì)于緊急樣品的測(cè)試，建議調(diào)節(jié)時(shí)間不低于8 h。

 

2)環(huán)境溫度對(duì)于樣品電阻測(cè)試數(shù)據(jù)影響幅度不大，樣品的表面電阻及體積電阻均隨溫度的增加而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且下降幅度基本一致。

 

3)濕度對(duì)于樣品的電阻性能影響最大。在測(cè)試及實(shí)際的生產(chǎn)使用過(guò)程中需要充分考慮濕度對(duì)材料電阻性能的取值影響。

 

4)測(cè)量電壓增大會(huì)使樣品電阻減小，在測(cè)試過(guò)程中需要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行測(cè)量，選擇合適的電壓。

 

5)部分測(cè)試人員會(huì)選擇外施壓力輔助測(cè)量表面接觸不良的樣品，但這也會(huì)在一定程度上影響電阻測(cè)試取值，因此需要綜合考慮測(cè)試需求，在保障設(shè)備安全的情況下，選擇合適的外施壓力。