前言

 

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）由丙烯腈、丁二烯与苯乙烯三者共聚而成，ABS材料具有良好的加工性能和力学性能，可用于电子、电器等材料领域。但这类材料由于不具备导电性能，在某些特殊场景中使用容易产生静电聚集现象，可能会引发火灾爆炸等安全事故。这类塑料可以通过表面喷涂或内添加等方式获得一定的抗静电性能。抗静电ABS通过内添加抗静电剂达到一定的抗静电效果，具有抗静电效果好、时效长、对力学、加工等性能影响小等特点，近年来被广泛应用。

 

电阻性能是评价材料抗静电性能的主要指标之一，在日常检测中常使用电桥、高阻计等对其性能进行测量，不同类型的设备及电极对于材料的电阻取值会产生一定的影响，特别是不同电极对于结果影响较大，这与材料形状、尺寸及表面接触情况均有密切关系。由于部分塑料及相关产品的不同标准对于测试的细节描述不清晰，容易造成分歧。除电极本身的差异外，环境温湿度、测试电压及样品的接触情况等均会对某些材料的测试结果造成一定的影响。为探究外部测量因素对抗静电ABS材料电阻取值的影响，本文主要通过对调节时间、温度、湿度、测量电压及外施压力等影响因素的分析，为抗静电ABS改性塑料的电阻性能测试及使用提供参考。

 

1、实验部分

 

1.1主要样品与仪器

 

1.1.1  样品

 

ABS：ABS-606

 

抗静电剂：PELESTAT6500

 

1.1.2  仪器

 

双螺杆挤出机：RT-58

 

注塑机：BM-90E

 

高绝缘电阻仪：ZC-90E

 

恒温恒湿试验箱：QY-A-150C

 

1.2  试验方案

 

1.2.1试样制备

 

取90份ABS树脂、8-10份抗静电剂及1-2份其他添加物按比例混合均匀。挤出机各段温度控制在170 ℃-230 ℃，通过双螺杆挤出机中挤出、造粒后，在80 ℃条件下烘干3h。注塑机料筒温度设置在180 ℃-220 ℃，注塑压力为45 MPa-75 MPa，将粒子在注塑机上注塑成长100mm、宽100mm、厚2mm的表面光滑、无缺陷的抗静电ABS-1#、ABS-2#方板样品。

 

其中，其他添加物主要为抗氧剂1010、168和相容剂等，主要用于稳定加工及注塑过程，对样品电阻性能无影响，可根据实际需求选择添加。

 

1.2.2 测试方法

 

电阻性能测试时，可根据测试样品种类及测试要求的差异，选择使用不同的电极，抗静电ABS属于硬质聚合物树脂，一般注塑成平板进行电阻测试，电阻值在106Ω-1012Ω之间，常使用同轴三电极进行测试。如图1所示，试样置于测量电极、保护电极和被保护电极之间，在施加测量电压时，可以有效排除外来寄生电压引起的测量误差，仅测量施加在试样上的两测量电极之间的绝缘电阻，具有更高的准确性。

 

参考标准GB/T 31838.2-2019和GB/T 31838.3-2019进行体积电阻和表面电阻的测试，选择同轴三电极，设定100V测量电压，样品置于上、下三电极之间，当样品出现接触不良时，部分测试人员会通过向绝缘保护套上施加外部压力增加试样与电极的接触面进行测试。样品电化1min后读取样品的电阻性能数据。

 

 

图1 同轴三电极测试方法示意图

 

1.2.3 方案设计

 

为探究标准环境下不同调节时间、温度、湿度、测试电压及外施压力对表面电阻及体积电阻的影响，设计如下表1所示影响因素的试验方案。在直流电源电压为100 V，电化时间60 s的条件下，测试样品不同测试条件下的表面电阻及体积电阻性能，其中每组样品测试3个，取平均值数据。

 

表1 不同影响因素试验方案

 

 

2、结果与讨论

 

2.1调节时间的影响

 

样品在温度（23±2）℃、湿度（50±5）%的标准环境下分别调节1 h、4 h、8 h、12 h、16 h、20 h、24 h、2 d、3 d、4 d后测试表面电阻及体积电阻性能，测试结果如图2、图3所示。

 

 

图2 标准环境下调节不同时间的表面电阻

 

 

图3 标准环境下调节不同时间的体积电阻

 

由图2，图3可知：调节初期由于环境因素的突然变化，样品电阻值波动较大。随着调节时间的推移，样品内部分子运动状态趋于“稳定”，样品电阻性能波动减小。不同产品类型的标准对于样品的调节时间要求不一致，一般在24小时至4天之间。但样品在标准环境下放置调节8 h后，性能值波动减小，调节24 h后，电阻性能即可趋于稳定。

 

2.2温度调节环境的影响

 

取样品置于湿度为50%的恒温恒湿箱中，分别设置0 ℃、10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃的温度条件下调节24 h，取出测试表面电阻及体积电阻，测试结果如图4、图5所示。

 

 

图4 不同温度环境下的表面电阻

 

 

图5 不同温度环境下的体积电阻

 

由图4，图5可知：环境温度对于样品的电阻性能有一定的影响，样品的表面电阻及体积电阻均随温度的升高而呈现下降趋势。随着温度的升高，两种样品的表面电阻和体积电阻的下降幅度基本一致，均未超过10倍。这是由于所使用的抗静电剂为聚合物型抗静电剂，与树脂基体相容性较好，能均匀分布到样品中，且热稳定性好，受到环境温度的影响有限。低温环境会抑制电子“活性”，静电释放速度变缓，电阻增大。随着温度的升高，电子运动加剧，静电释放速度增大，导电性能也会呈现一定的上升趋势，导致样品整体电阻性能的下降，这种趋势相对平缓。

 

2.3湿度调节环境的影响

 

样品置于温度为23 ℃的恒温恒湿箱中，分别设置15 %、30 %、40 %、50 %、60 %、70 %、80 %、90 %的湿度条件。并另取一组置于蒸馏水中浸泡，模拟进行100 %湿度的调节条件，调节24 h后取出测试表面电阻及体积电阻。测试前使用干净的无纺布擦净表面有水渍的样品，测试结果如图6、图7所示。

 

 

图6 不同湿度环境下的表面电阻

 

 

图7 不同湿度环境下的体积电阻

 

由图6，图7可知：环境湿度能较大程度地影响材料的电阻性能，随着湿度的增加，样品的表面电阻和体积电阻均呈下降趋势，且样品在低湿度区域下降幅度大于高湿度区域。这一般是由于在湿度较低的环境下，样品的静电聚集，释放速度缓慢，整体电阻增大。ABS材料具有一定的吸水性，随着湿度的增加，会逐渐在样品表面形成水膜，样品的静电流通性增强，增加材料导电性，导致电阻性能下降。

 

而聚合物抗静电剂属于高分子材料，其吸水性较高，混合后均匀分布在样品中，会增加样品表面附着的水分，使样品表面电阻发生了较大程度地降低，达到了10-100倍。除去材料本身的吸水性会影响材料在不同湿度下测试的电阻性能以外，抗静电剂充分与树脂基体混合后，会在材料内部形成导电网络结构，便于电荷的疏导。而这些网络结构，也更加利于水分的附着，导致材料的体积电阻随环境湿度变化更加敏感。在湿度15%至100%（浸水）环境下调节24h，样品的体积电阻的下降幅度达到了10000倍。

 

2.4不同电压条件的影响

 

样品在温度（23±2）℃、湿度（50±5）%的标准环境下调节24 h，分别使用100 V、250 V、500 V和1000 V的测试电压，测试其表面电阻及体积电阻，测试结果如下：

 

 

图8 不同测试电压下的表面电阻

 

 

图9 不同测试电压下的体积电阻

 

由图8，图9可知：随着测量电压的增加，样品的表面电阻和体积电阻整体均呈下降趋势，这是由于在保持环境因素不变的情况下，超过一定电压后，测试电压的增大会急剧增强样品的带电粒子运动，使其导电性能增强，且电导电流的增强的影响程度大于测试电压增大的影响程度，导致样品整体电阻性能呈下降趋势。当测试电压在100V至250V变化时，电压的增大激活材料大部分带电粒子运动，样品的电阻性能下降较大。在500V到1000V变化时，材料无法产生更多的带电粒子，电阻测量值下降趋势有一定变缓。

 

2.5不同外施压力的影响

 

样品在温度（23±2）℃、湿度（50±5）%的标准环境下调节24 h，分别使用标准砝码统一放置于测试电极上模拟施加0 N（不施力）、5 N（约510g）、10 N（约1020g）、15 N（约1530g）、20 N（约2040g）的压力，测试其表面电阻及体积电阻，测试结果如下：

 

 

图10 不同外施压力下的表面电阻

 

 

图11 不同外施压力下的体积电阻

 

由图10，图11可知：随着外施压力的增大，样品的表面电阻和体积电阻整体均呈下降趋势。这是由于现有工艺很难达到电极与样品表面的绝对平整，在外施压力的作用下，能一定程度上增大电极与样品的接触面，样品电阻测试值呈现下降趋势。在日常生产过程中，需要考虑抗静电剂等添加物与材料本身的相容性。混合较差的材料无论是在注塑、测试或成型过程中，都有可能会出现表面不均匀或接触不良的情况。在测试一些样品表面缺陷导致接触不良的样品时，外施压力能作为一种加大样品与电极接触面的常用手段，进行辅助测量。

 

由于产品的实际使用条件不稳定，且与标准环境差异较大，不同的调节环境和测试条件对于样品的电阻测试值影响较大。样品的表面电阻和体积电阻性能总体随着温度、湿度和电压的增大而减小，同时也随着样品外施压力的增大而减小，在实际测试过程中须严格按照标准要求执行。而在实际应用场景中，抗静电ABS材料的实际使用过程也需要充分考虑这些因素的影响，在温度和湿度偏高的环境下，材料会表现出更好的抗静电效果。

 

3、结论

 

本文通过探究电阻测量的一些外在影响因素，可以发现，抗静电ABS材料表面电阻和体积电阻的大小除由材料本身性能相关外，测试环境因素影响也很大。调节时间的长短、温度、湿度、测量电压及外施压力的大小均会对样品整体电阻性能产生了一定影响，具体如下：

 

1)调节时间的长短会影响电阻测试数据的稳定性，测试过程中需要严格按照标准要求的调节时间进行执行。对于无规范要求或无法达到规定调节时间的样品，一般建议在标准环境下调节至少24 h，对于紧急样品的测试，建议调节时间不低于8 h。

 

2)环境温度对于样品电阻测试数据影响幅度不大，样品的表面电阻及体积电阻均随温度的增加而呈现下降趋势，且下降幅度基本一致。

 

3)湿度对于样品的电阻性能影响最大。在测试及实际的生产使用过程中需要充分考虑湿度对材料电阻性能的取值影响。

 

4)测量电压增大会使样品电阻减小，在测试过程中需要严格按照标准要求进行测量，选择合适的电压。

 

5)部分测试人员会选择外施压力辅助测量表面接触不良的样品，但这也会在一定程度上影响电阻测试取值，因此需要综合考虑测试需求，在保障设备安全的情况下，选择合适的外施压力。