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导电塑料完成从绝缘体到半导体再到导体的宏大变化

大部分塑料因自身高绝缘性，传统是被作为绝缘材料使用。随着电子工业的发展，抗静电、导电、抗电磁干扰屏蔽、电磁波吸收等技术越来越受到人们的关注，市场对塑料提出了高导电性能的要求。

导电塑料是将塑料作为基材和各种导电添加剂混合，用传统塑料的成型方法加工而成的功能型高分子材料，导电塑料实现了从绝缘体到半导体再到导体的巨大变化。与传统的金属材料相比，它具有重量轻、易成型、耐腐蚀、可回收、电阻率大范围调节等特点，并可以方便地通过配方设计复合成种类繁多，应用领域广泛的材料。导电塑料按照导电性能可分为：防静电体、导电体和高导电体;按制作方法可分为结构型导电塑料和复合型导电塑料;按用途可分为抗静电材料、导电材料和电磁波屏蔽材料。其中用途最广和使用量最大的，是以碳系导电物质为添加剂，用传统塑料的方式进行混炼加工的碳系物填充导电塑料。

可以用于导电塑料的碳系填充物，包括导电炭黑、乙炔黑、碳纳米管、石墨烯等。炉法导电炭黑和乙炔黑是最传统导电碳材料，光是中国国内每年生产量超过数万吨，生产厂家众多。炉法导电炭黑和乙炔黑为代表的炭黑导电塑料，因为价格低，用量最大。导电炭黑根据不同规格，价格在10-200元每公斤，进口普通导电炭黑在40-80元每公斤。目前我国电线电缆用导电炭黑的市场容量约为3.8万吨左右，导电涂料、电子元件、抗静电油墨、导电膜等领域导电炭黑的需求量约为2万吨左右。随着我国国民经济及各行业的不断发展，导电炭黑的应用水平不断提高，导电炭黑生产量每年都在增加。但是为了达到所需要的导电效果，通常国产导电炭黑需要填充15-30%在塑料里，进口导电炭黑需要填充10%左右在塑料里，导致塑料力学性能损失较大，而且表面容易掉炭黑颗粒。

碳纳米管和石墨烯是新一代碳系导电材料，突出优点是填充量比炭黑少，对塑料的力学性能损伤小。碳纳米管是由单层石墨片卷曲而成的无缝中空管子，管子的外径1-50纳米，长度几微米到上百微米。国产碳纳米管导电性和分散性比进口的差，导致填充量大，加工性能差，性价比低，处于价值链的低端。以使用量较大的欧洲某碳纳米管公司产品为例，使用通用的塑料加工方法和设备填充2%wt在PC塑料里，就可以达到表面电阻率104Ohm/sq，加工性能较好。其添加量，只要传统炭黑填料的1/5-1/15，性能突出。

碳纳米管应用于导电塑料存在的问题是，碳纳米管是一维材料，碳纳米管彼此之间有巨大的范德华力内聚力。通常在生产设备出来是高度团聚的纠缠状态，需要特殊技术才能分散开，获得所需的导电效果。国产低端碳纳米管通常需要添加3-8%在塑料里才能达到与国外公司相同效果，而且直接使用通用的塑料加工方法得到的国产碳纳米管导电塑料，表面不光滑，有凸点。国外公司有专利技术、专用设备、保密分散剂等对碳纳米管进行专业加工，所以国内碳纳米管导电塑料技术落后于外国。因为应用技术水平低、分散性难解决和价格等原因，在国内碳纳米管导电塑料的使用目前还较少见，还是以炭黑系的导电塑料为主。

石墨烯是顶着明星光环，闪耀登场的新一代导电碳材料。理论上石墨烯拥有奇异的物理结构，从而具有优异的力学、电学和热学特性。自2010年石墨烯的发现者获得诺贝尔奖后，石墨烯的研究与炒作在国内呈星火燎原之势，越烧越旺。此外，中国的石墨产量约占世界总产量的45%左右，我国的石墨储量、产量及出口量均居世界之首。基于简单的推理，联想到中国拥有世界最大的石墨矿产储量，以及石墨与石墨烯之间的理论关联，在国内的多个城市包括无锡、常州、青岛、西安、宁波和重庆，已经投入巨资建立了多个石墨烯产业园。不过，目前市场上还很少有石墨烯的大吨位工业应用，已经搭好的石墨烯产业园平台还得不到有效利用，已成立的石墨烯公司大部分处于亏损状态。实际上以通用石墨矿物为原料，很难大批量获得高品质、高导电性石墨烯材料，使用化学气相沉积法能获得高品质、高导电性石墨烯。

从技术上分析，通常石墨烯粉体因为是二维平面片层结构，受到外力挤压的时候，很容易片层之间二次叠合，恢复石墨的本性，从而丢失石墨烯的特性，这也导致石墨烯粉体很难和传统塑料加工兼容，不易通过双螺杆挤出机直接加工的方式，得到石墨烯填充导电塑料。笔者尝试过多家公司和多种类型石墨烯，直接和塑料一起混炼的话，通常需要3-8%填充量才能达到导电性。石墨烯价格比碳纳米管贵，填充量又比碳纳米管多，目前在导电塑料领域应用很少见。

只有具备高导电性石墨烯片层结构的纳米碳材料，才能具有理论预测的优异高导电特性，才有可能开发出巨大的下游应用市场。经过多年理论和工厂实践，通过借鉴传统碳材料――导电炭黑、碳纤维、活性炭等材料的工艺原理，赵社涛创新开发了超高导电性纳米碳材料量产工艺。通过一定工艺条件下，控制纳米碳材料生成三维石墨烯结构，即可大批量低成本制成超高导电性纳米碳材料。

使用目前塑料行业通用的加工工艺，添加少量自制的超分散剂ZT3000，270℃直接熔融共混含石墨烯片层结构超高导电性纳米碳材料粉体和PC塑料粒子，经混炼后加工成厚度1mm测试片，测试其导电性。

(超高导电纳米碳材料填充PC塑料表面电阻率数据，1mm厚度测试片)

添加0.2%重量比含三维石墨烯结构的纳米碳材料到PC塑料里，在超低添加量下，即可赋予PC塑料导电性。而且，加工过程可以兼容传统塑料工业的加工方式。在达到相同导电效果的情况下，其添加量大致是进口导电炭黑的50分之1，大致是欧洲公司进口碳纳米管的10分之1，大致是普通石墨烯粉体的10分之一到30分之一。这是令人非常吃惊的效果，是目前报道的最高水平之列，与理论预测的石墨烯片层所具有超高导电性相符合。极低的添加量，可以获得力学强度损失最少的导电塑料。超高导电纳米碳材料成本非常低，通过控制大分子碳氢化合物生成三维石墨烯片层结构即可低成本大批量获得。

(0.2%wt填充的1mm厚度PC塑料测试片) (0.3%wt填充的1mm厚度PC塑料测试片)

导电塑料制品主广泛应用于以下领域：(1)在电子、电器领域中作集成电路、晶片、传感器护套等精密电子元件生产过程中使用的防静电周转箱、IC及LCD托盘、IC封装、晶片载体、薄膜袋等;(2)防爆产品的外壳及结构件，如：煤矿、油船、油田、粉尘及可燃气体等场合中使用的电器产品外壳及结构件;(3)电热膜、电暖纤维、地暖等电热行业;(4)电线电缆;(5)电讯、电脑、自动化系统、工业用电子产品、消费用电子产品、汽车用电子产品等领域中的电器产品。多个应用领域加起来，具有每年百亿级的下游应用市场。尤其受电子工业的推动，每年都在增长。

具有三维石墨烯结构的纳米碳材料其添加量如此之低，而且其生产成本低，在获得导电性的时候，可以最大程度的保留塑料本身的力学强度，从而广泛应用在多种工业领域，淘汰传统导电炭黑、乙炔黑、通用碳纳米管、石墨粉、石墨烯粉体等导电碳材料，改变全球导电碳材料和导电塑料市场竞争格局。

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来源：赵社涛

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