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)，被廣泛用于無塵室空間分隔、潔凈設(shè)備、觀察窗及設(shè)備罩、電子測試治具等應(yīng)用場景，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，同時涂層還應(yīng)具有一定的抗劃傷和耐擦拭性能。
國標(biāo)GB50611《電子工程防靜電設(shè)計規(guī)范》將防靜電材料明確定義為長效型和短效型兩種，長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]。長效抗靜電劑（如納米碳材料、金屬氧化物等無機(jī)材料）具有優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性，非常適合用于對防靜電壽命有較高要求的應(yīng)用領(lǐng)域。
但目前尚無明確的測試方法來評價防靜電制品的壽命。本文結(jié)合實(shí)際應(yīng)用中的問題，創(chuàng)新性的對兩種典型的復(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)境加速老化對比研究，為長效型防靜電涂層的壽命評價提供依據(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)場影響的種類來確定。對防靜電材料的使用壽命有較高要求的應(yīng)用領(lǐng)域如無塵室透明隔斷、高端設(shè)備防護(hù)外罩等，在生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸和使用過程中均容易接觸濕熱和光照環(huán)境。本文主要通過在實(shí)驗(yàn)室模擬上述環(huán)境中的濕熱和光照環(huán)境，對防靜電涂層進(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：耐水煮測試、高溫高濕測試、氙燈老化測試和QUV老化測試。上述環(huán)境條件對產(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估方法。如下將耐水煮測試、高溫高濕測試、氙燈老化測試和QUV老化測試的具體實(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，試驗(yàn)中應(yīng)避免試驗(yàn)過程中試件相互接觸和竄動，試驗(yàn)結(jié)束進(jìn)行附著力和表面電阻測試。
2）高溫高濕
將樣品在溫度50℃±2℃，濕度85%RH下，168小時。試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行附著力和表面電阻測試。
3）氙燈老化
黑板溫度為55℃±3℃，相對濕度為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，累計輻照時長24小時，試驗(yàn)后測量表面電阻。
4）QUV老化
UVB-313nm（0.71W/m2），50℃輻照暴露4小時，50℃無輻照冷凝暴露4小時，測試5個循環(huán)，試驗(yàn)后測量表面電阻。
2.4 試驗(yàn)儀器
上述測試所用儀器見表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加速老化四個項(xiàng)目上的測試結(jié)果。不同測試項(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試條件下均有明顯影響，表面電阻衰減嚴(yán)重。
3.1 濕熱對防靜電涂層的加速老化
3.1.1 水煮測試
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，表面電阻和附著力均無明顯變化，說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試條件下，表面電阻變化上升明顯，說明導(dǎo)電高分子在濕熱環(huán)境中穩(wěn)定性差。
3.1.2高溫高濕測試
高溫高濕測試后，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明顯變化。導(dǎo)電高分子防靜電涂層在同樣的測試條件下，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 光照對防靜電涂層的加速老化
3.2.1 氙燈加速老化測試
氙燈加速試驗(yàn)造成材料老化的主要因素是陽光和潮濕，可以模擬由陽光，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)行測試，短時間即可重現(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，無防靜電功能，說明導(dǎo)電高分子對光線非常敏感。
3.2.2 QUV加速老化測試
QUV加速老化試驗(yàn)?zāi)軌蚰M陽光中的短波紫外光對涂層的破壞作用，并通過采用紫外光、冷凝和高溫暴露循環(huán)等條件來加速所模擬的陽光、雨和露對涂層的破壞，是涂料耐老化性能測試的重要手段。
將樣品放置在UVB-313nm（0.71W/m2），50℃輻照暴露，50℃無輻照冷凝暴露的條件下進(jìn)行測試中進(jìn)行測試，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)對空氣中的氧氣非常敏感，在濕熱情況下，氧氣對共軛雙鍵造成破壞；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)行會相對更靠近原子核，鍵長短，鍵能大，紫外線中高能光子無法對其結(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
本文通過對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)行加速老化測試，并對老化測試的結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)分析得出如下結(jié)論：可通過濕熱和光照等環(huán)境模擬測試來區(qū)分長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)，并提出了長效和短效防靜電的判定方法，具有較高的實(shí)用價值。