导电涂碳纤维制造技术

本发明专利技术公开了一种组合物，制备该组合物要使得该组合物的电阻率低，从而可用于静电放电操作。该组合物包括涂碳纤维。所述纤维的特征在于其本身是路易斯碱，而碳粉是路易斯酸。涂碳纤维可由粘合剂（如胶乳或树脂）粘合在一起。粘合剂可以是中性或酸性的。也可用树脂制造刚性静电放电物品。当使用树脂时，树脂也应是中性的，最好是酸性的。（*该技术在2008年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
在电子工业中多年来已认识到静电控制问题。随着半导体器件向小型化发展，这些器件对电场的敏感性也增加了。静电荷是由不同种材料之间的摩擦运动产生的。往往几百伏特的静电放电就可以损坏一个敏感的电路片，而人只需在地毯上走路身上就可以积累超过三万伏的静电。为了防止静电的产生，需造成由能使电荷消耗的材料构成的总的复合环境，并要求所有工作人员与设备之间实现电学上的共地连接以防止静电荷积累。因此人们需要各种能有效率地消耗电荷的产品。我们发现，在有机纤维上涂以碳粒(碳粉)，随后把它们压制成纸带或混入一种塑料基质中，可制得各种能有效消耗电荷的高导电性材料。而且这些材料在较低碳浓度下的导电性高于其它市售材料。本专利技术提供具有导电性的涂碳纤维以及用这种涂碳纤维制成的各种材料;这些材料的碳浓度较低，其电阻率在碳浓度仅为百分之几的情况下即可低达1×107欧姆/平方(ohm/square)或更低。降低碳浓度、而提高导电性的优点是可以减少碳消耗，还可以得到各种产品，例如加碳纸(carbon-filledpaper)，这种纸的脱落值较低(即从纸上脱落的颗粒数目减少)。颗粒脱落率的降低使得这种纸可应用于各种对颗粒物污染敏感的场合。尽管本说明书讨论若干能降低碳浓度，却同时使导电性增加的因素，但本文所述的一个重要因素是碳与纤维之间的路易斯酸/路易斯碱关系。用来制造本专利技术导电材料的来源很广的碳粉都略带酸性。按照本专利技术，纤维必须选用一种路易斯碱。这样就可以在碳与纤维之间产生一种酸-碱相互作用;这种相互作用能促使碳附聚在纤维上，并使这种聚附达到最佳的程度。为此可将酸性的碳粉、碱性的纤维和水相混合制成一种水浆;甚至在不用粘合剂或絮凝剂的情况下也可以使99%(重)的碳固定在纤维上。我们还发现，通过控制纤维与碳所在介质的酸-碱性，甚至可以进一步提高导电性。我们发现，尽管可利用含有碱性粘合剂、碱性树脂、碱性填料、碱性颜料的溶液和/或材料来制造导电的涂碳纤维及含有这种纤维的导电产品，但选用带路易斯酸性或至多是中性至酸性(阳离子性)的材料可以提高导电性。在不得不使用碱性材料的情况下，这些材料的碱性应低于纤维的碱性。因此，为了增加导电性，本专利技术组合物中所含的其它材料和在制造本专利技术的纤维及组合物的过程中使用的溶液和材料都应至少是中性，最好是酸性的。如果在制造本专利技术的涂碳纤维时使用粘合剂，则可采用絮凝方法，以改善机械性能、使颗粒与纤维之间的结合稳固，并改善粘合剂的留着率。这里所用“絮凝”一词指下述一种工艺，在此工艺中，用称为絮凝剂的一种或多种化学物质可以使悬浮或分散的颗粒失去稳定性并聚集起来。把粘合剂絮凝在涂碳纤维上，可以使碳与纤维结合得稳固。在絮凝工艺完成后，对所得涂碳纤维进行压制处理，可将这些涂碳纤维制成高导电性的碳纸(carbonpaper)。其它应用方法有，可将这些纤维混入树脂中制造导电塑料。在这类情况下，根据本专利技术，为了抑制对形成碳涂覆层的干扰，树脂、填料和其它成分以及在制造过程中使用的所有材料(如水溶液和溶剂)都应至少是中性的，最好是酸性的。按照本专利技术，这样做可获得具有最佳导电性的产品。改进产品的其它可控制因素包括碳的粒径和纤维的纵横比(长度与直径之比)。为获得最佳效果，碳粒的粒径应小一些，而纤维的纵横比应大一些。导电碳纸和导电塑料组合物都能有效地消耗电荷，因而是可用于静电放电(ESD)的优良材料。为制造本专利技术的涂碳纤维，可制备含碳粉、可制备含碳粉、可按需要加入的粘合剂和所选用的有机纤维的均匀水浆。如果不用粘合剂，可将水浆中的小泄干，涂好的纤维即可使用。碳对纤维的酸-碱亲合力可减少碳脱落并有助于碳留在纤维上。如果采用粘合剂，可在制成纤维与碳的水浆后将粘合剂混入。使用粘合剂时，最好同时还使用一种絮凝剂。如果使用酸性粘合剂，尤其是阳离子胶乳，则这种粘合剂在不使用絮凝剂时也易于向纤维聚集，所以在这种情况下可省去絮凝剂。但即使在使用酸性粘合剂的情况下，也最好同时使用絮凝剂。絮凝剂在把粘合剂加到碳-纤维水浆中之前或之后加入都可以。充分混合水浆，随后在需要时，把水浆的稠度调节到约0.5～5%固体的优选范围内。此后可将水浆中的水排干，并收集产品。尽管用弱碱性(最大PH为9)水浆已能制得导电纤维，但我们发现，若使用中性或酸性水浆(即PH值在约7.5至约3.5的范围)，碳与纤维会结合得更好，产品导电性更高。采用这种中性或酸性水浆以及碱性纤维和酸性碳，甚至在不加粘合剂或树脂的情况下，也可以制得固定有99%碳的纤维，导电性也很好。由碱性水浆和碱性树脂造成的碱性环境对酸性碳和碱性纤维之间的酸-碱亲合力有干扰。这些碱性水浆和树脂倾向于同碱性纤维争夺碳粒。已附在纤维上的碳粒与纤维之间结合得不牢固，并且达不到最佳导电性。介质虽然可以是中性的，但最好把水浆的PH调至酸值。优选的酸性PH范围是约3.5至约6.5。可使用无机酸或多价金属盐调节PH值。较好的酸例如可选自以下一组酸盐酸、氢溴酸、氢氟酸、磺酸、亚硫酸、硝酸和亚硝酸。特别优选的是盐酸。多价金属盐较好的有铝盐、钙盐和锌盐。尽管碳粒吸附在纤维上后，无需添加固定助剂(如絮凝剂)也可以使99%的碳固定，但搅拌下的水浆仍可以用阳离子金属盐或阳离子聚电解质进行处理;阳离子金属盐例如有氯化钙、硫酸铝和硫酸锌;阳离子聚电解质例如有Kymene(这是Hercules公司一种氯化季铵型聚电解质产品的商标)。阳离子性材料有助于将介质酸化和提高碳的固定程度。阳离子盐的用量按混合物总重量(不包括水)计一般为约5～约30%(重)。阳离子聚电解质的用量按总重(不包括水)计一般是0.01～4%。向水浆中加入絮凝剂后，可再加入足量的碱性化学物质使水浆变为中性(如果需要的话)。这种碱性化学物质最好是碳酸氢盐。需要时，还可以在此时加入粘合剂，而不在加絮凝剂前加粘合剂。在加粘合剂的情况下，必须使用固定助剂或其它絮凝剂使粘合剂絮凝在涂碳纤维上。也可先制成涂碳纤维，然后在以后的某个时间使之与粘合剂和/或树脂相结合，制造纸、毛布或其它产品时需要这样做。本说明书所指的酸-碱性应这样理解路易斯酸是电子接受体;路易斯碱是电子给予体;所有元素和化合物基本上都可以按照这个概念划分为酸性、碱性或中性。这个问题在下列文章里有更详细的说明FredrickM.Fowkes的“Acid-baseInteractiontoPolymer-filledInteractions”，见RubberChemistryandTechnology，Vol.57，No2，1984年5～6月;以及P.C.Stair的“TheConceptofLewisAcidandBasesAppliedtoSurfaces”，见美国化学会会志(1982)。如Fowkes的文章所述，具有带正电荷并成为电子接受体倾向的物质是路易斯酸。与此相似，路易斯碱倾向于带负电荷。路易斯碱或酸的强度可用其化学势大小来衡量。路易斯碱具有负的化学势。关于化学势测量可详见Fowkes的文章。本专利技术的最佳方案是将碱性纤维与酸性碳粉相混合，并采用酸性水浆(6.5～3.5PH)，其中可含有或不含酸性粘合剂和/或树脂。可以将得到的涂碳纤维干燥，例如先用真空手抄纸模将水排干，随后用烘箱烘干纤维。干燥的涂碳纤维例如可在Waring混合器中经轻度击打本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有低电阻率的组合物，其特征在于该组合物包含：（ａ）一种纤维、（ｂ）碳粉涂层和（ｃ）一种粘合剂，其中粘合剂（ｃ）是把碳粉涂层固定在纤维上，（ａ）、（ｂ）和（ｃ）材料的路易斯酸－碱特性如下：纤维是碱性的，碳粉是酸性的，粘合剂是中性或酸 性的。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：肯尼思库恩一英科，诺瓦夫哈洛特，罗纳德谢弗伦诺克斯，
申请(专利权)人：阿姆斯特朗世界工业公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]