劉 瑤, 龐承煥, 李衛(wèi)領(lǐng), 吳 博

(1.國高材高分子材料產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心有限公司, 廣州 510663；2.金發(fā)科技股份有限公司企業(yè)技術(shù)中心, 廣州 510663；3.塑料改性與加工國家工程實(shí)驗(yàn)室, 廣州 510663)

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、電器等領(lǐng)域[1]。該類材料不具備導(dǎo)電性能，在某些特殊場景中使用其容易產(chǎn)生靜電聚集現(xiàn)象，甚至可能引發(fā)火災(zāi)、爆炸等安全事故。該類材料可以通過表面噴涂或內(nèi)添加等方式獲得一定的抗靜電性能。通過內(nèi)添加抗靜電劑，ABS可達(dá)到一定的抗靜電效果，其具有抗靜電效果好、時(shí)效長，對力學(xué)、加工等性能影響小等特點(diǎn)，近年來被廣泛應(yīng)用[2-5]。

電阻是評價(jià)材料抗靜電性能的主要指標(biāo)之一，在日常檢測中，常使用電橋、高阻計(jì)等對電阻進(jìn)行測試，不同類型的設(shè)備及電極對于材料的電阻會產(chǎn)生一定的影響，特別是不同電極對結(jié)果影響較大，這與材料的形狀、尺寸及表面接觸情況等均有密切關(guān)系[6]。除電極本身的差異外，環(huán)境溫度和濕度、測試電壓及試樣的接觸情況等均會對結(jié)果造成一定的影響[7-9]。為了探究外部測試因素對抗靜電ABS材料電阻的影響，筆者主要對調(diào)節(jié)時(shí)間、溫度、濕度、測量電壓及壓力等影響因素進(jìn)行分析，為抗靜電ABS材料的電阻性能測試及使用提供參考。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

試驗(yàn)材料與儀器為：金發(fā)科技股份有限公司的ABS-606材料；PELESTAT6500型抗靜電劑；RT-58型雙螺桿擠出機(jī)；BM-90E型注塑機(jī)；ZC-90E型高絕緣電阻儀；QY-A-150C型恒溫恒濕試驗(yàn)箱。

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 試樣制備

將ABS樹脂、抗靜電劑及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 ℃，在雙螺桿擠出機(jī)中擠出、造粒后，在80 ℃條件下烘干3 h。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)上注塑成尺寸為(長×寬×高)為100 mm×100 mm×2 mm的表面光滑、無缺陷的抗靜電ABS-1#、ABS-2#方板試樣。其他添加物主要為抗氧劑1010、抗氧劑168和相容劑等，主要用于穩(wěn)定加工及注塑過程，對樣品的電阻性能無影響，可根據(jù)實(shí)際需求選擇添加。

1.2.2 測試方法

測試電阻時(shí)，可根據(jù)試樣的種類及測試要求的差異，選擇使用不同的電極?？轨o電ABS屬于硬質(zhì)聚合物樹脂，一般注塑成平板進(jìn)行電阻測試，電阻為106～1012Ω，常使用同軸三電極進(jìn)行測試。同軸三電極測試方法如圖1所示，將試樣置于測量電極、保護(hù)電極和被保護(hù)電極之間，在施加測量電壓時(shí)，就可以有效地避免外來寄生電壓引起的測量誤差，而僅測量施加在試樣上的兩測量電極之間的絕緣電阻具有更高的準(zhǔn)確性。

圖1 同軸三電極測試方法示意

參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31838.2—2019 《固體絕緣材料 介電和電阻特性 第2部分:電阻特性(DC方法) 體積電阻和體積電阻率》和GB/T 31838.3—2019《固體絕緣材料 介電和電阻特性 第3部分：電阻特性(DC方法)表面電阻和表面電阻率》進(jìn)行體積電阻和表面電阻的測試，選擇同軸三電極，設(shè)定100 V測量電壓，試樣置于上、下三電極之間，當(dāng)試樣出現(xiàn)接觸不良時(shí)，部分測試人員會向絕緣保護(hù)套上施加外部壓力，以增加試樣與電極的接觸面。試樣電化1 min后，讀取其電阻。

1.2.3 測試方案

為研究標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下不同調(diào)節(jié)時(shí)間、溫度、濕度、測試電壓及外加壓力對表面電阻及體積電阻的影響，設(shè)計(jì)了不同影響因素試驗(yàn)方案(見表1)。在直流電源電壓為100 V，電化時(shí)間為60 s的條件下，測試試樣(ABS-1#、ABS-2#試樣)在不同條件下的表面電阻及體積電阻，其中每組試樣測試3次，取平均值。

表1 不同影響因素試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 調(diào)節(jié)時(shí)間的影響

在溫度為(23±2) ℃，濕度為(50±5)%的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下，調(diào)節(jié)時(shí)間分別為1,4,8,12,16,20,24，48，72，96，120 h，測試試樣的表面電阻及體積電阻，結(jié)果如圖2，3所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下不同調(diào)節(jié)時(shí)間的表面電阻測試曲線

圖3 標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下不同調(diào)節(jié)時(shí)間的體積電阻測試曲線

由圖2，3可知：在調(diào)節(jié)初期，由于環(huán)境因素的突然變化，試樣電阻的波動較大；隨著調(diào)節(jié)時(shí)間的推移，試樣內(nèi)部分子運(yùn)動狀態(tài)趨于“穩(wěn)定”，電阻波動減小。不同標(biāo)準(zhǔn)對于試樣的調(diào)節(jié)時(shí)間要求不一致，一般為24～96 h。試樣在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下放置，調(diào)節(jié)時(shí)間為8 h后，電阻波動減小，調(diào)節(jié)時(shí)間為24 h后，電阻即可趨于穩(wěn)定。

2.2 溫度的影響

將試樣置于濕度為50%的恒溫恒濕箱中，溫度分別設(shè)置為0，10，20，30，40，50 ℃，調(diào)節(jié)時(shí)間為24 h，測試試樣的表面電阻及體積電阻，結(jié)果如圖4，5所示。

圖4 不同溫度環(huán)境下的表面電阻測試曲線

圖5 不同溫度環(huán)境下的體積電阻測試曲線

由圖4，5可知：環(huán)境溫度對于試樣的電阻有一定影響，試樣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。隨著溫度的升高，兩種試樣的表面電阻和體積電阻的下降幅度基本一致，均未超過10倍。這是因?yàn)樗褂玫目轨o電劑為聚合物型抗靜電劑，與樹脂基體相容性較好，能均勻分布到試樣中，且其熱穩(wěn)定性好，受到環(huán)境溫度的影響有限。低溫環(huán)境會抑制電子“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)動加劇，靜電釋放速度增大，導(dǎo)電性能也會呈現(xiàn)一定的上升趨勢，導(dǎo)致試樣整體電阻性能下降，這種趨勢相對平緩。

2.3 濕度的影響

將試樣置于溫度為23 ℃的恒溫恒濕箱中，濕度分別設(shè)置為15%，30%，40%，50%，60%，70%，80%，90%。另取一組試樣置于蒸餾水中浸泡，模擬100%濕度的調(diào)節(jié)條件，調(diào)節(jié)24 h后取出試樣，測試其表面電阻及體積電阻。測試前使用干凈的無紡布擦凈表面有水漬的試樣，結(jié)果如圖6，7所示。

圖6 不同濕度環(huán)境下的表面電阻測試曲線

圖7 不同濕度環(huán)境下的體積電阻測試曲線

由圖6，7可知：環(huán)境濕度能較大程度地影響材料的電阻，隨著濕度的增加，試樣的表面電阻和體積電阻均呈下降趨勢，且試樣在低濕度區(qū)域的下降幅度大于高濕度區(qū)域的下降幅度。這是由于在濕度較低的環(huán)境下，試樣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，會逐漸在試樣表面形成水膜，試樣的靜電流通性增強(qiáng)，材料的導(dǎo)電性增強(qiáng)，電阻性能下降。

聚合物抗靜電劑屬于高分子材料，其吸水性較強(qiáng)，混合后均勻分布在試樣中，隨著試樣表面附著水分的增多，試樣表面電阻也較大程度地降低。除去材料本身的吸水性會影響其在不同濕度下測試的電阻性能以外，抗靜電劑充分與樹脂基體混合后，會在材料內(nèi)部形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，便于電荷的疏導(dǎo)。這些網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也更加利于水分的附著，材料的體積電阻隨環(huán)境濕度的變化更加敏感。在濕度為15%～100%的環(huán)境下，調(diào)節(jié)時(shí)間為24 h，試樣的體積電阻大幅度下降。

2.4 電壓的影響

在溫度為(23±2) ℃，濕度為(50±5)%的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下，調(diào)節(jié)時(shí)間為24 h，測試電壓分別為100，250,500,1 000 V，測試試樣的表面電阻及體積電阻，結(jié)果如圖8,9所示。

圖8 不同測試電壓下的表面電阻測試曲線

圖9 不同測試電壓下的體積電阻測試曲線

由圖8，9可知：隨著測試電壓的增加，試樣的表面電阻和體積電阻整體均呈下降趨勢，這是因?yàn)樵诒３汁h(huán)境因素不變的情況下，超過一定電壓后，試樣的帶電粒子劇烈運(yùn)動，使其導(dǎo)電性能增強(qiáng)，且電導(dǎo)電流增強(qiáng)的影響程度大于測試電壓增大的影響程度[4]，試樣整體電阻性能呈下降趨勢。當(dāng)測試電壓為100～250 V時(shí)，電壓的增大使材料大部分帶電粒子運(yùn)動，試樣的電阻性能下降較快。在電壓為500～1 000 V時(shí)，材料無法產(chǎn)生更多的帶電粒子，電阻測量值的下降趨勢有一定變緩。

2.5 外加壓力的影響

在溫度為(23±2) ℃，濕度為(50±5)%的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下，調(diào)節(jié)時(shí)間為24 h，分別使用標(biāo)準(zhǔn)砝碼統(tǒng)一放置于測試電極上，模擬施加壓力分別為0，5，10，15，20 N，測試其表面電阻及體積電阻，結(jié)果如圖10，11所示。

圖10 不同外加壓力下的表面電阻測試曲線

圖11 不同外加壓力下的體積電阻測試曲線

由圖10，11可知：隨著外加壓力的增大，試樣的表面電阻和體積電阻整體均呈下降趨勢。這是因?yàn)楝F(xiàn)有工藝很難使電極與試樣表面保持絕對平整，在外加壓力的作用下，能在一定程度上增大電極與試樣的接觸面，試樣的電阻呈現(xiàn)下降趨勢。在日常生產(chǎn)過程中，需要考慮抗靜電劑等添加物與材料本身的相容性。混合較差的材料在注塑、測試或成型的過程中，都有可能會出現(xiàn)表面不均勻或接觸不良的情況。在測試一些表面缺陷導(dǎo)致接觸不良的試樣時(shí)，外加壓力能作為一種加大試樣與電極接觸面的常用方法。

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)境和測試條件對于試樣的電阻測試結(jié)果影響較大。試樣的表面電阻和體積電阻總體隨著溫度、濕度和電壓的增大而減小，同時(shí)也隨著試樣外加壓力的增大而減小，在實(shí)際測試過程中，必須嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求執(zhí)行。在實(shí)際應(yīng)用場景中，抗靜電ABS材料的實(shí)際使用過程也需要充分綜合核查結(jié)果，確認(rèn)核查的設(shè)備仍可以繼續(xù)使用，最好對該設(shè)備進(jìn)行一次維修保養(yǎng)，找出波動度較大的原因。

考慮這些因素的影響，在溫度和濕度偏高的環(huán)境下，材料會表現(xiàn)出更好的抗靜電效果。

3 結(jié)論

(1) 調(diào)節(jié)時(shí)間會影響電阻測試數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，需要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求的調(diào)節(jié)時(shí)間進(jìn)行測試。對于無標(biāo)準(zhǔn)要求或無法達(dá)到規(guī)定調(diào)節(jié)時(shí)間的試樣，一般建議在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下調(diào)節(jié)至少24 h，對于緊急試樣的測試，建議調(diào)節(jié)時(shí)間不低于8 h。

(2) 環(huán)境溫度對于試樣電阻測試結(jié)果的影響幅度不大，試樣的表面電阻及體積電阻均隨溫度的增加呈現(xiàn)下降趨勢，且下降幅度基本一致。

(3) 濕度對于試樣的電阻測試結(jié)果影響最大。在測試及實(shí)際的生產(chǎn)使用過程中，需要充分考慮濕度對材料電阻的影響。