前言
塑料制品具有外觀優(yōu)美、質(zhì)量輕、電絕緣性好、易于成型等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于無(wú)塵室空間分隔、潔凈設(shè)備、觀察窗及設(shè)備罩、電子測(cè)試治具等應(yīng)用場(chǎng)景，涉及半導(dǎo)體工業(yè)、LCD、電子裝備及微電子設(shè)備、電子電氣、通訊制造、精密儀器、光學(xué)制造、醫(yī)藥工業(yè)及生物工程等行業(yè)。然而，塑料制品的高絕緣性使其在摩擦?xí)r會(huì)產(chǎn)生靜電累積，導(dǎo)致吸塵、電擊、放電，給工業(yè)生產(chǎn)和應(yīng)用帶來(lái)傷害[1]。為了在實(shí)際應(yīng)用中避免靜電效應(yīng)的發(fā)生，塑料制品必須進(jìn)行防靜電處理[2]。防靜電涂層是一種最常見的處理方式，通常情況下，表面電阻10^6~10^9Ω即可保證塑料的防靜電效果，同時(shí)涂層還應(yīng)具有一定的抗劃傷和耐擦拭性能。
國(guó)標(biāo)GB50611《電子工程防靜電設(shè)計(jì)規(guī)范》將防靜電材料明確定義為長(zhǎng)效型和短效型兩種，長(zhǎng)效型防靜電材料指其防靜電性能與材料壽命同步，在使用期限內(nèi)防靜電性能應(yīng)保持穩(wěn)定，并且防靜電性能不受濕度等環(huán)境因素的影響。
防靜電涂層的壽命受防靜電劑類型影響較大，目前常見的抗靜電劑的種類有多種[3]，如表面活性劑、離子液體、石墨烯、碳納米管、碳纖維、導(dǎo)電炭黑、導(dǎo)電高分子、金屬氧化物等。按防靜電機(jī)理來(lái)分，防靜電涂料可分為表面遷移型和復(fù)合型，根據(jù)使用壽命又可分為短效型和長(zhǎng)效型。短效抗靜電劑（如表面活性劑、導(dǎo)電高分子等有機(jī)材料）的環(huán)境耐受性差，使用壽命較短（一般小于兩年）[4]。長(zhǎng)效抗靜電劑（如納米碳材料、金屬氧化物等無(wú)機(jī)材料）具有優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性，非常適合用于對(duì)防靜電壽命有較高要求的應(yīng)用領(lǐng)域。
但目前尚無(wú)明確的測(cè)試方法來(lái)評(píng)價(jià)防靜電制品的壽命。本文結(jié)合實(shí)際應(yīng)用中的問(wèn)題，創(chuàng)新性的對(duì)兩種典型的復(fù)合防靜電涂層（導(dǎo)電高分子型和碳納米管型）進(jìn)行環(huán)境加速老化對(duì)比研究，為長(zhǎng)效型防靜電涂層的壽命評(píng)價(jià)提供依據(jù)。
1 試驗(yàn)原理
模擬環(huán)境加速老化試驗(yàn)的種類要依據(jù)試樣受到的現(xiàn)場(chǎng)影響的種類來(lái)確定。對(duì)防靜電材料的使用壽命有較高要求的應(yīng)用領(lǐng)域如無(wú)塵室透明隔斷、高端設(shè)備防護(hù)外罩等，在生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸和使用過(guò)程中均容易接觸濕熱和光照環(huán)境。本文主要通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室模擬上述環(huán)境中的濕熱和光照環(huán)境，對(duì)防靜電涂層進(jìn)行加速老化，可有效鑒別防靜電涂層的壽命能否達(dá)到長(zhǎng)效[5]。
綜上，本試驗(yàn)采用的具體試驗(yàn)項(xiàng)目包括：耐水煮測(cè)試、高溫高濕測(cè)試、氙燈老化測(cè)試和QUV老化測(cè)試。上述環(huán)境條件對(duì)產(chǎn)品可能的影響包括：涂層老化，附著力異常、電阻衰減等。這些結(jié)果會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量（失效、可靠性等）下降。
2 試驗(yàn)方案
2.1 試驗(yàn)樣品
試驗(yàn)樣品：碳納米管透明防靜電聚氯乙烯（PVC）板（樣品A），碳納米管透明防靜電亞克力（PMMA）板（樣品B），碳納米管透明防靜電聚碳酸酯（PC）板（樣品C），導(dǎo)電高分子透明防靜電PVC板（樣品D），尺寸為148mm×210mm×5mm，數(shù)量各8片。
2.2 試樣基本性能
試樣的基本性能見表1。
2.3 試驗(yàn)項(xiàng)目及方法
環(huán)境加速老化可以加快不同材質(zhì)的防靜電涂層的老化，是一種有效的壽命評(píng)估方法。如下將耐水煮測(cè)試、高溫高濕測(cè)試、氙燈老化測(cè)試和QUV老化測(cè)試的具體實(shí)驗(yàn)條件列舉如下：
1）耐水煮性
將樣品浸沒在98℃±2℃蒸餾水中恒溫2小時(shí)，試驗(yàn)中應(yīng)避免試驗(yàn)過(guò)程中試件相互接觸和竄動(dòng)，試驗(yàn)結(jié)束進(jìn)行附著力和表面電阻測(cè)試。
2）高溫高濕
將樣品在溫度50℃±2℃，濕度85%RH下，168小時(shí)。試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行附著力和表面電阻測(cè)試。
3）氙燈老化
黑板溫度為55℃±3℃，相對(duì)濕度為40％±5％，箱體溫度50℃，輻照強(qiáng)度0.75W/m2（340 nm），干循環(huán)102分鐘，濕循環(huán)18分鐘，累計(jì)輻照時(shí)長(zhǎng)24小時(shí)，試驗(yàn)后測(cè)量表面電阻。
4）QUV老化
UVB-313nm（0.71W/m2），50℃輻照暴露4小時(shí)，50℃無(wú)輻照冷凝暴露4小時(shí)，測(cè)試5個(gè)循環(huán)，試驗(yàn)后測(cè)量表面電阻。
2.4 試驗(yàn)儀器
上述測(cè)試所用儀器見表2。
3 結(jié)果與比較
經(jīng)上述試驗(yàn)條件后，不同防靜電涂層的測(cè)試結(jié)果如下表3。
表3結(jié)果顯示了碳納米管透明防靜電PVC板（樣品A），碳納米管透明防靜電PMMA板（樣品B），碳納米管透明防靜電PC板（樣品C），導(dǎo)電高分子透明防靜電PVC板（樣品D）四種防靜電板材在耐水煮性、高溫高濕、氙燈老化、QUV加速老化四個(gè)項(xiàng)目上的測(cè)試結(jié)果。不同測(cè)試項(xiàng)目下，三種碳納米管防靜電板材的防靜電性能非常穩(wěn)定，而導(dǎo)電高分子材料防靜電板的防靜電性能在四種測(cè)試條件下均有明顯影響，表面電阻衰減嚴(yán)重。
3.1 濕熱對(duì)防靜電涂層的加速老化
3.1.1 水煮測(cè)試
如表4所示，碳納米管防靜電涂層在98℃±2℃的蒸餾水中恒溫2小時(shí)，表面電阻和附著力均無(wú)明顯變化，說(shuō)明碳納米管防靜電涂層在沸水狀態(tài)下穩(wěn)定性良好。導(dǎo)電高分子防靜電涂層在同樣的測(cè)試條件下，表面電阻變化上升明顯，說(shuō)明導(dǎo)電高分子在濕熱環(huán)境中穩(wěn)定性差。
3.1.2高溫高濕測(cè)試
高溫高濕測(cè)試后，不同防靜電涂層的附著力均未受影響。由圖1可以看出，碳納米管防靜電涂層在高溫高濕環(huán)境中表面電阻和附著力均無(wú)明顯變化。導(dǎo)電高分子防靜電涂層在同樣的測(cè)試條件下，表面電阻變化上升明顯，48h后表面電阻上升至10次方，說(shuō)明導(dǎo)電高分子的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)在高溫高濕環(huán)境中受到破壞。
3.2 光照對(duì)防靜電涂層的加速老化
3.2.1 氙燈加速老化測(cè)試
氙燈加速試驗(yàn)造成材料老化的主要因素是陽(yáng)光和潮濕，可以模擬由陽(yáng)光，雨水和露水造成的傷害。將樣品放置在一定溫度下的光照和潮氣交替的循環(huán)程序中進(jìn)行測(cè)試，短時(shí)間即可重現(xiàn)戶外數(shù)月乃至數(shù)年出現(xiàn)的危害，不同防靜電涂層氙燈加速老化試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。
由表4可以看出，碳納米管防靜電涂層的表面電阻在氙燈照射下非常穩(wěn)定，但導(dǎo)電高分子防靜電涂層在氙燈輻照4小時(shí)后，電阻上升至11次方，繼續(xù)輻照后表面電阻大于12次方，無(wú)防靜電功能，說(shuō)明導(dǎo)電高分子對(duì)光線非常敏感。
3.2.2 QUV加速老化測(cè)試
QUV加速老化試驗(yàn)?zāi)軌蚰M陽(yáng)光中的短波紫外光對(duì)涂層的破壞作用，并通過(guò)采用紫外光、冷凝和高溫暴露循環(huán)等條件來(lái)加速所模擬的陽(yáng)光、雨和露對(duì)涂層的破壞，是涂料耐老化性能測(cè)試的重要手段。
將樣品放置在UVB-313nm（0.71W/m2），50℃輻照暴露，50℃無(wú)輻照冷凝暴露的條件下進(jìn)行測(cè)試中進(jìn)行測(cè)試，不同防靜電涂層QUV加速老化試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6。
由表6可以看出，碳納米管防靜電涂層的表面電阻在QUV照射下非常穩(wěn)定，但導(dǎo)電高分子防靜電涂層在輻照8小時(shí)候，電阻上升至11次方，繼續(xù)輻照后表面電阻達(dá)到12次方，說(shuō)明導(dǎo)電高分子在紫外線曝露的條件下分子結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，導(dǎo)電性能受到嚴(yán)重影響。
3.3 結(jié)果分析
導(dǎo)電高分子在濕熱和光照條件下的穩(wěn)定性差，而碳納米管的導(dǎo)電性能不受環(huán)境因素影響。導(dǎo)電高分子材料受濕熱和光照影響的主要原因分析如下：1）導(dǎo)電高分子中存在大量共軛雙鍵，這些不飽和基團(tuán)對(duì)空氣中的氧氣非常敏感，在濕熱情況下，氧氣對(duì)共軛雙鍵造成破壞；2）200~400nm波段的紫外線，能夠提供高能量的紫外光子（波長(zhǎng)為200nm的光子能量是6.2eV）能夠切斷導(dǎo)電高分子材料中共軛雙鍵，形成自由基。而碳納米管為晶體結(jié)構(gòu)，sp2雜化軌道的電子運(yùn)行會(huì)相對(duì)更靠近原子核，鍵長(zhǎng)短，鍵能大，紫外線中高能光子無(wú)法對(duì)其結(jié)構(gòu)造成破壞，在空氣中耐溫高達(dá)450℃，性能非常穩(wěn)定[6]。
4 結(jié)論
本文通過(guò)對(duì)碳納米管防靜電透明硬涂層和導(dǎo)電高分子防靜電透明硬涂層進(jìn)行加速老化測(cè)試，并對(duì)老化測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)分析得出如下結(jié)論：可通過(guò)濕熱和光照等環(huán)境模擬測(cè)試來(lái)區(qū)分長(zhǎng)效和短效防靜電涂層；導(dǎo)電高分子防靜電產(chǎn)品不適合應(yīng)用于有濕熱或紫外線曝露的環(huán)境中，在該環(huán)境下導(dǎo)電高分子的化學(xué)鍵容易發(fā)生破壞，影響防靜電效果。本文為對(duì)防靜電持久性有較高的高端制造領(lǐng)域提供了產(chǎn)品鑒別依據(jù)，并提出了長(zhǎng)效和短效防靜電的判定方法，具有較高的實(shí)用價(jià)值。