Aperçu des plastiques conducteurs
Aperçu
La plupart des plastiques sont des matériaux électriquement isolants, ils ne conduisent pas l’électricité. Dans certaines applications, la transmission de la conductivité électrique ajoute une valeur et une utilité significatives. Par exemple, conférer une conductivité électrique aux plastiques permet la peinture électrostatique dans les pare-chocs automobiles, réduit la collecte de poussière des articles moulés ménagers et facilite la fabrication de certains types de films plastiques; réduire le “télescopage” ou la création et le stockage d’électricité statique. Les composés en plastique électriquement conducteurs sont utilisés comme revêtements de gaine pour les câbles de transmission de haute puissance; réduisant les courants induits des câbles à proximité. De plus, des plastiques électriquement conducteurs sont utilisés pour protéger les composants électroniques sensibles.
Il existe trois régions de conductivité électrique dans les plastiques; 1) antistatique, 2) dissipation électrostatique (ESD) et 3) dissipation électromagnétique (EMI.) Les applications antistatiques impliquent des matériaux présentant une résistivité de surface de 10 ^ 12 à 10 ^ 6 ohm-cm, les applications ESD impliquent de conférer une conductivité suffisante aux plastiques pour réduire leur résistivité de surface dans la plage de 10 ^ 6 à 10 ^ 4 ohm-cm. La gamme EMI est inférieure à 10 ^ 4 ohm-cm.
Les additifs Sterate sont généralement utilisés pour atteindre des niveaux de performance antistatiques. Le noir de carbone et les additifs spécialisés sont fréquemment utilisés pour obtenir des performances ESD. Pour obtenir des performances EMI, des poudres ou des fils métalliques sont nécessaires pour atteindre ce niveau de conductivité. Cet article sur les dispersions modernes se concentrera sur les composés utilisés pour obtenir des performances ESD et l’importance de la dispersion pour atteindre la conductivité électrique.
Facteurs influençant la conductivité
Divers facteurs influencent la conductivité des composés plastiques, notamment la conductivité inhérente du plastique, le niveau de dispersion atteint pour l’additif conducteur, la conductivité intrinsèque de l’additif et le potentiel électrique appliqué. Dans le cas des composés antistatiques, le mécanisme conducteur est la conductivité de surface à travers des ponts formés entre les molécules d’eau qui sont absorbées sur la surface du polymère, ce qui est possible grâce à l’utilisation d’agents tensio-actifs tels que les dérivés du glycérol.
Pour les performances ESD, le noir de carbone est fréquemment utilisé comme ingrédient actif et la conductivité est obtenue en formant des ponts conducteurs à travers une “zone de conduction” de structures électroniques qui se chevauchent, permettant le transfert d’électrons. Par conséquent, pour obtenir une conductivité à l’aide de noir de carbone, il faut qu’il y ait suffisamment de noir de carbone présent pour former des ponts conducteurs pour les électrons.
Percolation: Lorsqu’il est utilisé pour conférer une conductivité électrique aux plastiques, le noir de carbone présente un phénomène connu sous le nom de percolation – où le niveau de noir de carbone est suffisant pour provoquer une augmentation significative et brutale de la conductivité électrique. Au fur et à mesure que la charge du noir de carbone dans le composé augmente, le composé plastique reste initialement isolant, car la charge augmente la conductivité passe par une élévation brutale et brusque sur une plage de concentration (charge) de noir très étroite. De nouvelles augmentations de charge au-delà de ce seuil entraînent une faible augmentation de la conductivité. Cette plage étroite est connue sous le nom de seuil de percolation.
La structure influence la conductivité: La structure du noir de carbone, la surface et la charge ont des influences significatives sur la conductivité du composé. L’équation de Janzen, un modèle largement utilisé, peut être utilisée pour prédire la concentration seuil de percolation en fonction de la densité et de la structure (CDBP) d’un noir de carbone.
L’équation de Janzen est représentée comme suit: ϕcrit = 1/(1 + 4 ρυ)
- ritcrit = fraction volumique critique (concentration seuil)
- ρ = masse volumique du noir de carbone
- ν = absorption de DBP sur le noir de carbone broyé exprimée en cm^3/g.
L’efficacité de conductivité du noir de carbone est fonction de la taille, de la structure et de la porosité des particules primaires. Les noirs de petite taille ont une surface élevée et une force d’attraction interagrégante plus élevée, ce qui entraîne des agglomérats et une structure pseudo-secondaire.”Par conséquent, la pseudo-structure entraîne une conductivité plus élevée que ce qui aurait été prédit en fonction de la structure intrinsèque du noir de carbone naissant. Cependant, cette structure secondaire peut entraîner une réduction des propriétés mécaniques et une augmentation de la viscosité à l’état fondu.
Un composé de noir de carbone idéal pour les utilisateurs industriels devrait avoir les attributs souhaitables suivants:
- faible seuil de percolation (efficacité)
- dégradation minimale des propriétés mécaniques
- effet minimal sur la rhéologie en fusion des composés
- faible absorption d’humidité des composés (CMA)
- rentabilité
Atteindre l’équilibre souhaité des propriétés implique souvent des compromis.
Importance de la qualité de dispersion
Étant donné que la conductivité ESD est obtenue en créant des ponts entre les additifs conducteurs, une dispersion de haute qualité est essentielle pour répartir les additifs conducteurs de manière homogène dans la matrice polymère et maintenir l’équilibre des propriétés souhaitées par l’application finale. Des charges de noir de carbone supérieures à 20% sont fréquemment nécessaires pour obtenir des performances ESD dans la plupart des résines thermoplastiques. À ce niveau de charge, les propriétés physiques du polymère sont fréquemment compromises, de sorte que le choix du bon noir de carbone pour conférer une conductivité mais ne compromet pas les propriétés ou le traitement est critique. Les compétences et les connaissances acquises grâce à des années d’expérience sont essentielles au développement du composé approprié pour la résine spécifique et l’application finale spécifique.
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- Aperçu de la dispersion
- Principes fondamentaux du Noir de carbone
