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用于最佳静电防护（106～109Ω/□）的本征导电聚合物ICPs 的最新进展
陈湘宁
（上海汇普工业化学品有限公司）
1 介绍
在电子工业中，ESD（静电释放）是一种很普通的现象。据估计，在电子零件中有8％到33％的产品
会由于ESD的存在产生致命或潜在性的破坏。这相当于一年电子产品销售总额的5%,即每年近几十亿美元。
因此，十多年来人们进行了许多努力以便最大限度的减少ESD所带来的
影响。
通过开发各种静电防护技术来降低ESD的影响，如接地、空气离子
化、使用吸静电材料等。使这一问题更加严重的就是，塑料已成为电子
设备包装及运输的主要材料，其原因就是塑料与金属相比具有更好的经
济效益和更广泛的设计自由度。不幸的是，塑料是绝缘体。因此为了提
供一种静电安全塑料，必须在塑料中加入一定的消静电物质。
表面电阻可用于对塑料的电气特性进行测量与分类，并确认其是否
能消除静电。表面电阻通常以Ω/□表示，即测量塑料的单位面积的电
阻的大小。根据表面电阻的不同可把塑料分为导电、抗静电和绝缘三类，
如图1 所示。当塑料的表面电阻大于1012Ω/□时，属于绝缘材料，小
于105Ω/□时为导电材料，在105～1012Ω/□之间时则为抗静电材料。
在这一范围内，ESD可以被最有效的控制，因为在这一范围内不会产生
电荷，电荷也不会聚集在某一局部表面之上。此外，在这范围内材料只
有很微弱的导电性，从而提供了一条接地的电阻通道，以实现对静电的
受控释放。
有许多方法可用于消除塑料中的静电，其中两种较常见的方法是使用导电涂料或使用导电填料。涂料
的应用有其自身的缺点，由于要对溶剂进行回收及控制挥发性有机物（VOC）排放，所以它需要进行后序
处理。相反，填充式热塑性混合物则可以进行铸模、挤压成型而没有以上这些缺陷，并且已在一些ESD 控
制中成功运用。事实上，这种材料是增长最快的特殊热塑性塑料之一，这些工业材料通常是通过将一些吸
湿剂或导电填充物如金属颗粒、碳粉、碳纤维、不锈钢纤维或消除静电的高分子材料加入主体聚合物中，
经过混炼来制备。最后的电性能取决于所用导电填充物的尺寸及性质、添加量以及所用的主体树脂。这些
填充物在抗静电区内的上限或下限时的性能最好，但要将其导电率控制在106 ～109Ω/□这一最佳静电防
护范围内却是十分困难的。
本征导电聚合物ICPs（Inherently Conductive Polymers）代表着另一种ESD 防护方法。由于ICPs
加入主体树脂后加工处理十分困难，且电性能的热稳定性差，到目前为止ICPs 在热塑性塑料中很少得到
运用。最近的技术发展突破了以上限制，使用ICPs 的混合物有聚丙烯、聚乙烯和聚苯乙烯等。这些材料
的主要优点是能提供最优的且可调的ESD防护，它能将表面电阻控制在106～109Ω/□范围内，并且具有一
定的热稳定性，有多种颜色可供选择，具有与主体树脂相似的机械性能，加工也简单。
2 ICPs 的背景
ICPs在1977 年被Heeger,MacDiarmid 和Shirakawa发现，人们曾为此而异常兴奋，因为它将很快成
为“人造金属”。不幸的是糟糕的市场策略及从实验室转到工厂生产的漫长时间使得这种兴奋显得有点过
于乐观。
过去，ICPs的发展一直受到很多限制。最主要的是其加工困难且环境稳定性差，此外，机械性能差、
成本高对新材料的应用范围窄使得这问题更加严重。而加工性能差是最关注的问题，如果不能将ICPs 加
工成成品，就不可能实现其应用。另外，稳定性也是很重要的，因为一旦制造出产品后必须确保当它们暴
图1 基于表面电阻的材料分类
及防静电范围
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露在周围环境时具有足够长的有效使用期限。
最早进行研究的ICP是聚乙炔。由于加工及稳定性问题，它很可能只能成为一种实验室的摆设品。另
外一些ICPs 已经被证明有更为广泛的商业价值。聚乙炔及其它一些较常见的ICPs，如图2 所示。聚对苯
乙炔及它们的衍生物在光学应用中如发光二极管十分有
用。对于ESD 应用，聚噻吩、聚吡咯及聚苯胺有较好的前
景。
3 新ICP 混合物性质
ICPs通常是一种难加工的材料，因为它既不能被熔化，
也不能溶解。虽然π共轭结构与掺杂能提高导电性，但同
时也使得链的稳定性增加以及链之间的相互作用力变大从
而变得难以加工。有几种较好的方法可用来克服因π共轭
结构而带来的加工困难的缺点。第一种方法，直接聚合成
最终形状。第二种方法，使用原始聚合物。也有使用衍生
物和共聚物的。从商业角度看，直接合成及使用原始聚合
物或衍生物都是没有实际价值的。
由于经过掺杂后ICPs 变得更加难于加工，因此掺杂步
骤通常在把物品加工成最终形态如薄膜、纤维或铸模之后再进行。例如，在掺杂前，聚（3-辛基噻吩）是
可以进行溶解与熔融加工处理的，而经过掺杂后，它就变得不溶或在熔融状态下出现交联。ICPs 通常是通
过将其暴露在液态或气态掺杂剂下来进行掺杂的，因此作为第二步的掺杂是很难实现的，因为需要很长时
间才能将掺杂剂扩散到物体中去。所以为了使用ICPs 作为ESD 用途的添加物，需要有其他掺杂方法或系
统配方。
ICPs 的应用在最近的研究中得到了显著的改善。ICPs 的分
散液已经在防腐蚀的涂敷系统中大量运用。此外，通过新的掺杂
方法，ICPs的熔融加工性能及热氧化稳定性都得到了改善。这些
优点使得热塑性塑料ICP 合金的发展突破了ICPs 先前的各种限
制，具有传统的改性材料所不具备的独特优点。
3.1 最佳的ESD防护
用于ESD 控制的普通填充式材料，通常使用吸湿剂或碳黑来
消除静电。虽然也取得了成功，但它们仍有一些不足之处，每一
种填充物都有其自身的缺陷。对于吸湿剂来说，它们要依赖于一
定的湿度才能正常工作，因此在低的湿度环境下它们将失去防护
性能。同时，由于它们会迁移，所以会产生污染和持久性问题。
因为它们容易被洗掉和擦掉，因此在一定时间后将失去作用。这
些添加物只能取得防静电区内的上限（1010～1012Ω/□）。消静电
聚合物IDPs（Inherently dissipative polymer）是另一类可
以同样达到这一范围的材料。它们的特点是不迁移，且不受湿度
影响。不足之处是它们同样只能取得防静电区内的上限，然而对
于大多数ESD应用而言，最佳的表面电阻是在106 ～109Ω/□之
间。
采用含碳黑之类的导电颗粒的系统认为有一定渗透性。在这
类材料中，只有添加量达到一定的值时（即称之为渗透阈值），
才能形成导电路径。渗透阈值随添加物类型与聚合物基材的不同
而有所不同。这类体系具有很高的导电性，但通常来说在ESD防
图3 渗透系统在热塑性塑料中的体积
电阻变化（碳黑在尼龙中）
图4新ICP 合金在热塑性塑料（聚丙
烯）中的体积电阻变化
图2常见的几种ICP 聚合物
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延伸率（%）
护中是不希望有很高的表面导电性的，因为一般在防静电范围内有一定的表面电阻来控制电荷释放更有利
些。
当使用此类材料时，要在最佳防静电范围内提供一个能
再现的表面电阻是很难的。这些混合物常常不是导电性太好
就是导电性太差，因为它们从绝缘到导电的转变只是发生在
很窄的范围内，如图3、图5 所示。这个效应的一个现象就是
由于混合物浓度的变化使物体某些地方出现炽热点或冷点。
另一方面，ICP 混合物则能有效的将导电电阻控制在最佳
防静电区域内，如图4、图5所示。与在碳黑混合物中看到的
急剧变化相反，ICP混合物开始时曲线要平缓的多，导电性低，
随着添加量的不断增加，其在最佳防静电区内的变化更趋近
于线性变化。这是因为它具有细小的网络及较高的ICP 相网
络密度（见图6）。因为添加量对导电性的影响减小，所以其
性能的一致性和可重复性都很好。
碳黑（球状） 金属纤维（杆状） ICP（网状）
图6 使用不同填充材料的塑料混合物的内部结构图
如图5、图7所示，在最佳防静电区域内具有对导电性的调
节能力。这种变化特性对更加灵敏的电子设备是很重要的，在这
些设备中对电荷释放必须进行更加严格的控制。高线性使得能将
电阻调节在最佳防静电范围内的某一特定区域内，并使得将表面
电阻控制在某两个数量级内成为可能。
3.2 机械特性
表一所列是用于ESD控制的添加ICP和添加碳黑的聚乙烯混
合物之间的数据对比。ICP 混合物的机械特性包括强度、硬度、
缺口冲击强度都与原聚合物基材非常相似。另一方面，碳黑之类
的填充物能增加硬度，但会显著的降低抗冲击强度。同时还必须
注意到这种碳黑混合物的电性能变化范围很大，这是由于使之到
达最佳抗静电范围时它的不连续渗透曲线之故。
ICP 的另外一个突出优点就是当它受到拉伸时，它仍可保持
很高的导电性，如图8所示，即使它延伸率达到400%时，它的导
电性仍然没有什么变化，与此相反，碳黑之类的填充混合物一般
在延伸率达到4～5%左右时就将失去导电性，这是由于ICP 合金
内形成了高密度的导电网络的缘故（见图5），这一点在进行深度
吸塑成型时非常重要。
3.3 颜色
另外，ICP 合金不会像表一所列只能是黑色。这些混合物具
有多种颜色，包括黑色、绿色、蓝色、灰色、棕色和紫色。这有
导电网络
图7 新的ICP 合金在热塑性塑料（高
密度聚乙烯）中的表面电阻变化
0
1
2
0 10 200 30 400
10 %
15 %
相
对
导
电
率
0.5
1.5
图8 ICP 拉伸时导电率的变化(Panipol
公司聚苯胺-SEBS合金)
图5 典型的碳黑和ICP的表面电阻特性
——ICPs 混合物 –––碳黑
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利于和通常只能是黑色的材料区分开来。
3.4 热稳定性
新ICP混合物热稳定如图9 所示。在20℃ 的条件下经过
300天后，表面电阻没有变化。在60℃时，经过200天后表面
电阻上升两个数量级。在80℃时，经过25天后表面电阻上升
两个数量级，经过150天后则上升四个数量级。因此，在不超
过60℃的条件下，ICP 混合物能将表面电阻控制在最佳ESD
范围内，而在80℃时实用性有限。其热稳定性比以前的ICP
要好很多，早期的ICP 的稳定性即使在60℃下也只有短短的
几分钟。对于后面谈到的大多数用途而言，新的ICP 的热稳定
性已经足够。
3.5 加工性
通常，在树脂内使用填充物将会提高混合物的粘度。这种
影响对于表面积大的添加物如碳黑来说是很严重的。这将使加
工变得十分困难，有时甚至是不可能进行加工处
理的。
相反，ICPs却可以降低粘度并提高流动性，
如表2 所列。正如所预计的，碳黑混合物明显的
降低了熔融流动指数MFI 及螺旋流动度，与此相
反的是ICPs提高了熔融流动指数MFI及螺旋流动
度，因此，ICPs 混合物能更容易、更快地加工成
更大、更复杂的部件。
3.6 清洁度
理论上ICP 混合物可以获得更高的清洁度，因为这些ICPs 是采用熔融加工的，并在整个树脂基材内
形成细小的网络。在碳黑或碳纤维混合物中，
不连续的高导电颗粒的丢失或脱落的情况是不
会在ICP 上发生的。脱落的颗粒除了污染外，
还有一些有害的影响，比如在一些敏感的电子
设备上造成短路。
另外一些可能的污染源包括离子析出，不
挥发残余物和来自可挥发有机物中的挥发气体。离子污染是电子工业关注的对象，因为在加工过程中离子
会从材料中浸出并腐蚀电子设备。在这些离子中，氯离子与硫酸根离子是最为关注的。表三所列数据是这
些阴离子在运用于“非常洁净”的ESD防护用途的材料和在ICP 混合物中的对比。正如所看到的，ICPs在
氯离子方面和其它两种差不多，而硫酸根离子则偏高，一般在1000～6000ppb 之间。这方面已经取得了很
大进展，因为早期的ICPs 的硫酸根离子含量还要高100 倍。目前还在进行许多努力以进一步减小这一数
值。
表四 各种聚丙烯混合物中气体析出量
(条件:85℃,16 小时)
添加剂 μg/g
抗静电(IDP) 16.9
碳黑 6.8
ICP 7.7
表 一 不同聚丙烯材料的性能对比
性质 未改性 ICP 碳黑
颜色 Natural 绿色 黑色
抗张强度（MPa） 31-34 31 34
抗弯模量（GPa） 1.4-1.7 1.6 1.9
缺口冲击强度（J/m） 40-55 41 27
体积电阻（ohm-cm） >1012 105 103-109
表面电阻(ohm/sq) >1012 106-107 104-1012
表 二 不同聚丙烯材料的流动性对比
材料 MFI 螺旋流动度
基体树脂 5 13
碳黑 0.8 9
ICP 11 19
表 三 聚丙烯混合物中可滤掉的离子
(条件:85℃,1 小时)
添加剂 氯离子 硫酸根离子
抗静电剂(ICP) 1187 41
碳黑 146 138
ICP 929 3158
图9 新的ICP 合金在热塑性塑料（高密度
聚乙烯）中的表面电阻变化
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气体主要来自于材料中挥发性物质的挥发。这些污染物质沉积在表面，从而引起污染、腐蚀、粘结。
表四所列数据是“非常洁净”ESD材料与ICPs的气体析出值的对比。由表可看出，ICP的气体析出量和目
前使用的其它较好的材料相当，比绝大多数的标准塑性混合物好上5～10 倍。
4 ICP混合物的应用领域
用于最佳ESD 控制的热塑性ICP 混合物比较容易进行注塑与挤出成型。目前，ICP 可在聚丙烯、聚乙
烯、聚苯乙烯中使用，主要用于对静电敏感的电子部件的存储、包装、搬运。ICP 已经被证明在任何需要
ESD 防护的地方，不管是用于电子工业还是其它领域，它都是十分有效的。例如，一个特殊的应用领域就
是用于处理易爆、易燃物质，在这种环境中任何ESD事件都可能导致灾难性的结果。
可注塑成型的产品包括存储箱、工具箱、隔离物、导轨、容器、箱子、机架、传输系统、架子等等。
典型的挤压成型的产品包括热成型片、纤维、丝线、带、吹塑容器用于透明ESD袋子的薄膜。另外一些可
能使用挤压成型的领域有光缆护套和传送带。
5 几种已经商品化的ICPs 及特点
Panipol®是芬兰Panipol公司开发的导电聚苯胺（Conductive Polyaniline,CPANi），Panipol公司是1998
年从原Neste Oyj公司分离出来的专门从事ICPs研发和生产的一家高技术公司，目前，Panipol公司已经
成功解决导电聚苯胺的吨级生产、溶液与熔融加工难题，并率先进入工业化生产，其聚苯胺合成装置的产
量居世界领先地位。其主要规格及应用见表五
表五Panipol 公司产品规格及用途
规格 特点 用途
Panipol® PA 非导电聚苯胺粉末 金属防腐，特殊用途掺杂
Panipol® F 导电聚苯胺粉末，溶于几种有机溶剂 溶液加工
Panipol® FB 导电聚苯胺粉末; p-TSA掺杂 溶液加工
Panipol® T 溶解于甲苯的导电聚苯胺溶液(~4% 固含量) 涂料、油墨及其它溶液加工
Panipol® D 溶解于邻苯二甲酸二辛酯（DOP）的导电聚苯胺
溶液(~13% 固含量)
PVC涂层及其它PVC 配方
Panipol® W
导电聚苯胺的水分散液/浆料(~6% 固含量)，也
可以提供粉末
水性涂料及其它水性配方
Panipol® CX
导电聚苯胺颗粒，共3个级别a) 注塑CXH， b)
吹膜 CXM， c) 挤出 CXL
熔融加工
Panipol® BL
Panipol CX +其它聚合物基材，颗粒
根据不同用途来选择CX的添加量及聚合物基材
熔融加工
Panipol®可以单独使用也可以和许多普通树脂进行共混改性，如PE、PP、PS、软PVC、PMMA、苯酚
甲醛、三聚氰胺甲醛，环氧树脂及热塑性弹性体SEBS 等。其应用领域包括：电子工业上的注塑成型的防
静电产品、防静电膜（袋）、导电油墨或粘合剂；汽车工业上的静电喷涂的底涂层，电致变色汽车后镜；
建筑工业上的电致变色“智能”窗户及抗静电地板，工作台；纺织工业上的导电织物等。
Baytron®:这是德国Bayer 公司开发成功的新一代导电聚合物，化学名称聚乙烯二氧噻吩（PEDT 或
PEDOT），它具有以下突出优点：
l 导电率高（最小表面电阻可达200Ω/□）
l 透明性好
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l 稳定性高（这是目前公认的热稳定性最好的一种ICPs）
l 加工容易
Baytron在很多领域都得到了成功应用，如固体电解电容器、有机发光器件（OLED）、静电喷涂、印刷电
路板（PCB）、及静电防护等。在静电防护领域，应用的产品规格有Baytron P 及Baytron PH 二种，这
是PEDT 的水分散液，它们能够通过各种涂敷方法在玻璃、塑料等基材表面进行涂敷，其中Baytron PH
是根据旋涂工艺要求而开发的低粘度产品，目前Baytron P 及Baytron PH 在显像管及防静电包装上都
有非常成功的应用。此外，Bayer 公司根据不同的性能要求及不同的基材，有许多推荐配方免费供客户参
考。
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