防静电包装材料分类及研究进展

■ 文/天津科技大学 包装与印刷工程学院 李冬娜、马晓军

近年来, 随着人们对静电危害认识的深化，防静电包装发挥了越来越重要的作用。防静电包装，就是采取一系列措施，通过减少或消除包装件在搬运和使用中产生的摩擦电荷，防止静电放电造成对产品及人身安全的危害，以达到防护的目的[1]。目前防静电包装已在微电子产品、电器产品、军事安全、航天等多个领域得到了广泛应用。

防静电包装的防护能力主要取决于防静电包装材料的性能高2低，抗静电、静电逸散、静电导电、静电屏蔽等包装材料的电阻率是不同的（如表1），所以其应用也不同。一般来说，包装材料的电阻越低，防静电性能越好。材料表面电阻率与静电防护程度的关系如图1所示。

表1 防静电包装材料的电阻率分布

图1 材料表面电阻率与静电防护程度的关系

防静电包装材料的分类有多种方法。按照包装分类，可分为一次包装材料、接近包装材料、二次包装材料，具体见表2。按照材料获得防静电功能的工艺方法不同，可以分为导电填料填充型和纳米型防静电包装材料等。

表2 防静电包装按包装分类

一、防静电包装材料的研究进展

（一）导电填料填充型

导电填料填充型是指在材料的生产过程中,添加能提高材料导电性能的填料,包括金属填料、碳系填料、金属氧化物填料金属化纤维系填料和有机高分子系等。添加导电填料形成导电的高分子混合物，可明显降低材料的电阻系数，最主要的优势就是能在很宽的范围内（体电阻ρv = 106-10-3Ω·m ）加以控制，最终达到避免静电积累的目的。其中碳黑以其原料易得、成本低廉、性能持久稳定等优势得到广泛应用。研究显示，由炭黑填料填充获得的导电材料是目前抗静电及电磁屏蔽上用途最广、用量最大的一种导电材料[2]。

导电填料填充的具体方法是通过向材料中添加一定比例的导电填料，经过混合、熔炼、塑化、造粒等制得复合型的导电材料[3]。若要使复合材料达到良好的导电效果，形成导电回路，制备时需要将加入的导电粒子与材料基体分散均匀，否则最终产品是不具备导电效果的。

导电填料填充是目前最简单有效的防静电方法，多数学者对其进行了研究，张晓玉等[4]对填料填充后的导电高分子导电的机理进行了介绍，指出导电的原因是最初孤立分散的填料粒子在体积分散达到某一临界量以后，形成连续的导电通路，填料粒子较好的分散在材料中，形成网状结构，材料才具有良好的导电性。导电填料填充型高分子材料的发展主要集中在提高材料的综合性能与降低电阻率两个方面[5]。因此，目前研究的重点是导电填料的改善及合成树脂的选择。赵云飞等[2]介绍了一种新型的具有良好导电性的涂料--碳纤维，使用此种填料具有镀层均匀、牢固、粘结性好等优点。另外，镀金属的碳纤维比一般碳纤维的导电性提高50～100倍，即使填充量很少，也可获得较高导电率的复合材料。但也存在一定缺陷，如价格高，金属纤维在加工时易折断、易被氧化[6]。

宋广成[7]分析了轻质石油贮罐导静电涂料防腐性能失效的原因，讨论了防静电涂层结构、导电填料种类及漆层抗渗透性对贮罐防锈寿命的影响。根据不同油品的使用要求和贮罐的结构类型，对油罐内壁导静电防腐涂层设计了配套方案：无机富锌作为底漆，以炭黑、石墨为导电填料的防静电中间漆，以金属氧化物为导电填料的聚氨酯或环氧防静电面漆，这样设计出来的导静电涂层，可明显延长涂层的防静电和防腐蚀寿命，具有一定的实用价值。

庞瑜[8]发明了一种防静电包装材料，以金属膜为内层，与PMMA、PP或PET次内层形成抗静电层，并同时与具有抗震的次外层（发泡硅胶）和防滑阻燃（PVC）的外层有机结合，制得的材料具有防静电、防震、防干扰、防滑功能。选材环保，制作工艺简单，可应用于电子元器件、半导体、集成电路、精密电子仪器设备的包装。黄晖[9]也发明了一种防静电包装材料，通过在包装基材表面涂敷导电层实现，导电层由碳粉、聚胺酯、添加剂、溶剂按一定比例构成，可赋予包装材料防静电功能，由于碳粉材料价格低廉，性能优良，具有广泛的应用前景。Mao等[10]通过不相容的共连续聚合物共混和溶解工艺制备了以多孔PP为基材，沉积纳米碳黑的复合材料。结果显示，共聚物共混后形成的多孔结构和碳黑的纳米孔明显增加了电导率。与传统双渗法制备的碳复合材料比较，PP/碳黑材料的电导率提高了10个数量级，渗滤阈值降低了约80%，为制备多孔导电材料提供了潜在的参考价值。Ma等[11]研究了动态硫化过程对碳黑填充的PP/EPDM共混物电性能的影响。结果显示，随着碳黑的加入，未交联和动态硫化复合材料的电性能表现出明显的差异性，主要由于动态硫化过程中碳黑颗粒的分布不同引起的。正是这种选择性分布，使得热塑性弹性体复合材料的导电网络的形成是由双逾渗效应引起的，而对于未交联复合材料的导电网络的形成是通过排除体积效应引起的。

（二）纳米型防静电包装材料的研究进展

金属纳米微粒具有消除静电的特殊功能，纳米防静电包装材料就是以金属纳米微粒为导电介质，在生产时只需加入少许纳米颗粒，就可以起到很好的防静电效果，使包装材料表面不再受静电的干扰，同时也解决了印刷表面的静电吸附问题，提高了印刷速度和印刷效果[12]。

国内外对金属纳米微粒作为消除静电的介质做了大量研究。傅敏等[13]以纳米掺锑二氧化锡（ATO）作为导电介质，并用物理与化学结合法对其进行预处理，以NH-50脂肪族聚氨酯弹性树脂为基体，通过添加超分散剂，制备出了含纳米ATO聚氨酯弹性抗静电涂料（工艺流程图如图2）。制得的涂料具有良好的防静电性、装饰性、耐候性和力学性能，是一种极具发展潜力的新型多功能抗静电涂料。张明等[14]以纳米天然鳞片石墨作为导电介质，聚酰胺树脂为基材，经超声、搅拌、抽滤、干燥一系列工艺制备了高导电性聚酰胺/石墨纳米导电复合材料。本方法制得的复合材料有较低的渗滤阈值，较高的电导率，在防静电材料、电磁屏蔽材料、微波吸收等领域可得到广泛的应用。

图2 纳米ATO聚氨酯弹性抗静电涂料制备流程

董庆丰等[15]通过熔融共混法制备了PLA/PBAT/CNTs-COOH防静电包装材料，将CNTs-COOH引入PLA/PBAT体系中，有效提高了材料的冲击强度，降低了表面电阻率。此防静电包材料具有优异的力学和导电性能，并且可生物降解，可用于静电敏感产品的防静电包装。Liu等[16]通过化学还原方法制备了纳米银掺杂的活性椰壳炭粒子，经湿法纺丝获得粘胶短纤维。结果显示，该纤维有望用于抗菌、保暖、吸味、防静电等用途。以此为原料制得的织物具有抗菌和抗静电性能，复合JIS和AATCC标准要求，具有潜在的应用前景。Nootsuwan等[17]通过氧化法，以碳黑为载体涂敷纳米银粒子。结果显示，纳米银粒子均匀的分布在碳黑表面，电导率测试结果表明，纯PLA的电导率很低，但加入纳米银涂层的碳黑后，复合材料的电导率大幅增加。加入15%纳米银涂层碳黑的PLA电导率是只加入碳黑PLA电导率的9倍。

从国外情况看，目前已有多个国家在防静电包装领域的研制、生产等均处于世界领先地位。近年来抗静电材料受到国内外的广泛关注，这也意味着新型抗静电包装材料时代的到来。

二、防静电包装的发展方向

防静电包装目前已经在多个领域得到了广泛应用，由于容易产生静电的产品较多，对抗静电性能的要求也越来越高，因此防静电包材发展的势头不可挡，这也就对今后防静电包装的设计提出了更严格的要求，不仅要充分发挥防静电的作用，更重要的是能最大程度降低成本，而且要考虑包装材料外表的美观，吸引消费者。然而，防静电包装也存在一定弊端，在获得防静电能力后，会影响材料的二次加工，造成擦伤、纹路等缺陷。有时对防静电包装材料的综合性能要求也比较苛刻，需要同时满足物理、化学、力学、电学等多种性能，所以防静电包装材料是防静电包装的基础, 开发新的集多种防护功能、环保易回收、低成本为一体的包装材料是防静电包装的发展方向[18]。

参考文献

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