CN101277996A - 具有改进的抗静电性的抗静电聚合物膜 - Google Patents

具有改进的抗静电性的抗静电聚合物膜 Download PDF

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Abstract

在此公开了一种新的用于抗静电目的的导电聚合物膜或片的制备技术。特别地，该抗静电聚合物膜包括在单层或多层聚合物膜上使用导电聚合物作为活性组分的形成的抗静电层，表面电阻系数为10－10Ω/平方，衰减时间低于3秒，摩擦电压低于50伏特，充电电压低于所施加的电压。还公开了一种由这样的导电聚合物膜制备的抗静电产品。

Description

具有改进的抗静电性的抗静电聚合物膜
技术领域
本发明涉及一种具有改进的抗静电性的抗静电聚合物膜或片(以下称为“膜”)，更具体地，涉及一种新的抗静电聚合物膜，其中含有导电聚合物作为活性组分的抗静电层形成于具有体积电阻系数的单层或多层的聚合物膜表面上，因此抗静电聚合物膜的表面电阻系数为103-109Ω/平方，衰减时间低于3秒，摩擦电压低于50伏特，充电电压低于所施加的电压。
背景技术
为了能防止它们在输送过程中被静电破坏，像半导体集成电路芯片或各种模块等精确电子部件必须在抗静电处理容器中输送。例如，在输送或处理过程中，由于和电子部件的摩擦或与人体部位的接触，作为输送电子部件容器的盘在盘表面将聚集电荷。这种表面电荷产生所谓的静电，为了保护电子部件必须适当地释放这些表面电荷。
最近，半导体和应用半导体产品的集成密度和精度都提高了，因此也提高了输送这些电子部件的容器的抗静电性。例如，以前表面电阻系数仅约为1010Ω/平方，盘就足以履行指定用途，最近却要求表面电阻系数为103-109Ω/平方、衰减时间低于3秒、摩擦电压低于50伏特的抗静电性。如此提高的抗静电性严格地专用于输送精确电子部件的盘上，如电脑硬盘磁头。
能够抑制杂质产生同时满足这些抗静电性的技术一般包括使用导电聚合物的方法或增加具有特定程度导电性的有机材料即永久耗散型聚合物(inherently dissipative polymer，IDP)的方法。
过去曾使用过的输送电脑磁头的盘使用一种通过将电阻系数约为109-1010Ω/平方的称为IDP(永久耗散型聚合物)的聚合物即抗静电材料与聚合物材料混合而制得的膜，以使膜具有约109-1010Ω/平方的表面电阻系数或109Ω·厘米的体积电阻系数。此材料目前被广泛用作制备电脑磁头部件的几乎所有容器的抗静电材料。
该材料是一种既有表面电阻系数又有体积电阻系数的好材料，因为它由聚合物材料和称为IDP的材料的混合物组成。然而，这种材料在提高表面电阻系数时，产生一些局限(表面电阻系数的上限：108Ω/平方)，并且有时候摩擦电压会超过50伏特，因为在热成型过程中拉伸部分的表面电阻可能增加。随着集成密度的提高，这些问题可能变得更加严重。特别是，如果将所施加的电压施加到该材料时，该材料将显示能够被超过所施加的电压(applied volatge)的电压充电的特性，这已被指出是该材料的最大缺点。
因此，在本发明所属的领域，需求发明一种新抗静电材料，能够满足上述的要求，包括表面电阻系数为103-109Ω/平方，衰减时间低于3秒，摩擦电压低于50伏特，与此同时以低于所施加的电压的电压充电。
发明内容
本发明的目的是发明一种新的抗静电聚合物膜及其制备的抗静电产品，该抗静电聚合物膜的表面电阻系数能够在103-109Ω/平方范围内调整，衰减时间低于3秒，摩擦电压低于50伏特，并且充电电压远低于所施加的电压。
为了达到上述目的，本发明提供了一种具有体积电阻系数和表面电阻系数的抗静电聚合物膜，该抗静电聚合物膜包括：具有单层或多层结构的抗静电基体聚合物膜，该基体聚合物膜含有抗静电剂，因此具有抗静电性；在基体聚合物膜表面通过使用导电聚合物作为活性组分形成的抗静电层，所述抗静电聚合物膜具有优异的抗静电性，包括表面电阻系数为103-109Ω/平方，衰减时间低于3秒，摩擦电压低于50伏特，以及充电电压低于实际所施加的电压。
本发明也可以使用通过用含有导电聚合体和粘结剂作为活性组分的导电聚合体涂覆溶液涂覆在聚合物膜的两个表面，而使具有体积电阻系数的该膜具有包括表面电阻系数和体积电阻系数在内的抗静电性的方法，或者使用一种技术，包括使基体聚合物形成为由一层或更多层组成的结构，在基体聚合物结构的两个表面层加入抗静电剂，调整两个表面层的厚度为基体聚合物膜总厚度的5-50％，然后在该结构的最外层部分形成含有导电聚合物作为活性组分的抗静电层。当将基体聚合物形成为多层结构时，优选将基体聚合物形成为两个表面含有抗静电剂、中间层由绝缘材料形成的三层结构。
使用本发明技术能制备聚合物膜或片，该聚合物膜或片的表面电阻系数可在103-109Ω/平方的范围内调整，衰减时间低于3秒，摩擦电压低于50伏特，充电电压远低于实际施加于其表面的电压，因此具有非常良好的抗静电性。所制备的膜能用来制备输送精确电子部件的盘和其他产品。
附图说明
图1是根据本发明一种实施方式的具有改进的抗静电性的抗静电聚合物膜的横截面图；
图2是根据本发明的另一种实施方式的具有改进的抗静电性的抗静电聚合物膜的横截面图。
具体实施方式
使用以前开发的方法可以在基体聚合物材料表面形成含有导电聚合物和粘结剂作为活性组分的抗静电层。作为以前开发的方法，韩国专利申请10-1999-10982和10-2001-20546公开了通过将导电聚合物如聚苯胺、聚吡咯或聚噻吩，或者改性导电聚合物如聚(3，4-乙撑二氧噻吩)与含有选自丙烯酰基、聚氨酯、环氧、酰胺、酰亚胺、酯、羧基、羟基、硅烷、钛酸盐和硅酸盐的官能团的粘结剂中的至少一种粘结剂混合，以制备导电涂覆溶液，将该涂覆溶液施用于聚合物材料的表面，然后将涂覆溶液干燥，以在聚合物材料表面形成导电层的能够制备具有良好抗静电能力的透明聚合物膜和片的技术。
在上述专利申请中公开的发明涉及一种所谓的使用通过使用在粘结剂和溶剂中溶解导电聚合物而制备的涂覆溶液形成表面导电层的溶液涂覆方法，但通过使用所谓的界面聚合法或气相聚合法也能产生与上述专利申请相同的效果，对于所述界面聚合法或气相聚合法，其中用于制备导电聚合物的单体直接和聚合物表面接触，以直接在聚合物表面合成导电聚合物(例如，日本特开平5-320388)。
在上述专利申请中公开的发明还涉及通过在膜表面形成厚度小于几微米的抗静电层而赋予表面电阻系数的方法，并且膜表面显示优异的抗静电性。然而，因为形成膜材料的大部分的中间层，是由绝缘材料组成的基材形成的，因此中间基材本身，而不是涂层表面具有绝缘值，这样显示出高于1012Ω·厘米的体积电阻系数和高于几十秒的衰减时间，导致抗静电性减弱。
为了解决这个缺点，本发明使用方法如下：当基体聚合物层具有体积电阻系数或基体聚合物具有三层结构时，增加表面层的厚度来提高抗静电性。可以用各种方法来使基体聚合物具有体积电阻系数，其中可以使用颗粒填料如炭黑、碳纤维、掺杂金属氧化物或金属颗粒，并且也可以将有机化合物，所谓的具有抗静电特性的IDP(永久耗散型聚合物)，或有机物例如各种表面活性剂与基体聚合物混合。在这些物质中，最优选的是永久耗散型聚合物(IDP)和表面活性剂，所述永久耗散型聚合物没有颗粒杂质且不会极大地降低基体聚合物的物理性质，所述表面活性剂具有1010Ω/平方的高的表面电阻系数和具有随着时间它们能够迁移到聚合物的表面的特征，或者随着时间它们的性能消失的特征；然而，在所述聚合物表面形成的导电聚合物层能有效用于防止这种现象在聚合物表面发生。当炭黑和金属氧化物用于赋予基体聚合物抗静电性时，还可以观察到低表面电阻系数和体积电阻系数，但是涂覆在基体聚合物层的导电聚合物膜可以显示防止如炭黑或金属氧化物等异物被分离的有利效果。
在本发明中，在位于基体聚合物膜表面上的抗静电层的形成中合成的导电聚合物优选以与聚合物粘结剂的混合物使用，如果必要的话，更优选使用其它额外的成分形成抗静电层。对于如上所述的位于基体聚合物上的抗静电层的信息，可以参考现有的专利。作为导电聚合物，优选使用诸如聚噻吩、聚苯胺或聚吡咯的导电聚合物或者是例如聚(3，4-乙撑二氧噻吩)的改性导电聚合物。用于合成导电聚合物的单体优选也是改性单体，例如，噻吩、苯胺、吡咯或者3，4-乙撑二氧噻吩。
基体聚合物，作为上面描述的具有体积电阻系数的膜或片的聚合物材料，由聚酯聚合物、苯乙烯聚合物、烯烃聚合物、碳酸酯聚合物或者含有所述聚合物中的至少一种的共聚物组成，商购可得的抗静电片(例如，M690、Noveon，美国)不用任何进一步的处理可以直接使用。
如在这里使用的，术语“抗静电”表示主要发生在表面的现象，其中形成于与之接触的聚合物膜材料表面上的或在空气中形成的电荷会通过合适的方式减弱。这样，抗静电性必须主要表现在表面上，最有效的是促使穿透膜的残留电荷通过合适的方式消失。因此，对于赋予抗静电性的最有效的方法是制备一种能使它维持体积电阻系数约为109-1010Ω·厘米，同时维持表面电阻系数约为106-109Ω/平方的材料。
如上所述，所述的抗静电剂中的表面活性剂和永久耗散型聚合物(IDP)是最有利于使基体聚合物具有抗静电性的。能在本发明中使用的表面活性剂的例子包括盐，如硫酸铵和磷酸铵，在本发明中使用的IDP的优选例子包括聚醚酰胺、聚酯酰胺、聚醚酯酰胺和聚脲烷。可以将约1-50重量份的这些抗静电成分与用作基体聚合物的聚合物小球混合，然后挤出以制备膜或片。作为选择，最终产品也可以通过注模法直接制备。
在下文中，根据本发明的抗静电膜将参考附图详细描述。
图1是使用以下方法制备的膜的横截面图：在具有抗静电性的基体聚合物10的两个表面涂覆含有导电聚合物作为主要成分的导电性聚合物20，使基体聚合物10的两个表面具有表面电阻系数和体积电阻系数。根据图1所示的膜是根据本发明的最简单的结构。这样，因为生产方法简单，根据图1的膜是在大规模生产和降低生产成本方面最优选的结构，并且根据图1的膜具有表面电阻系数和体积电阻系数。
图2是使用如下方法制备的膜的横截面图：在具有三层结构的基体聚合物膜的表面形成含有导电聚合物作为主要成分的导电层涂层，所述三层结构是在具有多层结构的基体聚合物膜中的典型的层结构。在这种情况下，可以将抗静电剂加入到基体聚合物的中间层11、表面层12和表面层13来赋予它们体积电阻系数。即使只将抗静电剂加入到表面层12和表面层13，同时保持中间层11的绝缘特性，也能产生相同的效果。
特别地，制作多层结构的方法也能在制备具有体积电阻系数的基体聚合物中使用，并能进一步分为两种方法。第一种方法就是上述描述的将抗静电剂加入到如图2所示的三层结构的基本结构的各层来赋予各层体积电阻系数的方法。第二种方法是如下的技术：仅将抗静电剂加入到基体聚合物膜的表面层，同时赋予中间层以绝缘性，然后在基体聚合物膜的最外层形成如上所述的含有导电聚合物作为活性组分的抗静电层。这两种方法都能满足抗静电性的要求，包括表面电阻系数为103-109Ω/平方，衰减时间低于3秒，摩擦电压低于50伏特，并且充电电压低于所施加的电压。
为了赋予基体聚合物体积电阻系数，可以将一种上述抗静电剂或者两种或更多种选自上述抗静电剂的混合物加入基体聚合物中。基于基体聚合物的使用目的，在优选抗静电聚合物膜是不透明且具有颜色的情况下，可以使用着色的抗静电剂例如炭黑，因为形成的含有导电聚合物作为活性组分的抗静电层很薄。炭黑也能以与其它金属氧化物或IDP的混合物使用，以符合基体聚合物的特性和根据本发明的抗静电聚合物膜的使用目的。此外，当基体聚合物具有多层结构时，可以将不同的抗静电剂加入到多层结构的各层中，并且在三层结构的两个表面层的情况下，例如，可以将炭黑用于该结构的一个表面层，将IDP用于另一个表面层。特别是，抗静电剂能被设计和制备，使适合于基体聚合物的特性和根据本发明的抗静电聚合物膜的使用目的。
本发明的技术可以应用于大多数聚合物，包括酯聚合物、苯乙烯聚合物、烯烃聚合物、碳酸酯聚合物或它们的混合物，或者含有选自这些聚合物中至少一种的共聚物。
以下，参考实施例详细描述本发明。然而，需要理解的是本发明的范围并不局限于这些实施例。
比较例1
将10克作为导电聚合物的聚(3，4-乙撑二氧噻吩)分散体(Baytron PH，H.C.Starck，德国)、20克氨基甲酸乙酯粘结剂(U710，ALBERDINGK，德国)、1克乙二醇、1克N-甲基-2-吡咯烷酮和0.01克氟基润滑剂在67.99克水和异丙醇(15∶85)的混合溶剂中彼此混合，以制备抗静电涂覆溶液。将该涂覆溶液施用于无定形聚酯片的表面，以制备抗静电无定形聚酯片。
这样制备的无定形聚酯片的表面电阻系数为106Ω/平方，摩擦电压低于20伏特，在所施加的电压为1000伏特时测得的充电电压为约400伏特，充电电压较低，表明膜的表面抗静电性优异。另一方面，它的体积电阻系数高于1012Ω·厘米，衰减时间超过10秒。
比较例2
使用熔融捏合机(melt kneader)将3重量份的作为表面活性剂的硫酸季铵盐和高抗冲聚苯乙烯树脂在130℃下持续捏和10分钟，以制备抗静电聚苯乙烯，然后使用压缩模塑机制备成1毫米厚的薄片。
这样制备的抗静电聚苯乙烯薄片的体积电阻系数为1010Ω·厘米，衰减时间约为3秒，很好。然而，其表面电阻系数为1011Ω/平方，摩擦电压为750伏特，所施加的电压为1000伏特时的充电电压为1500伏特，均非常高。
比较例3
比较例3使用和比较例2一样的方式进行，不同的是，使用无定形聚酯作为聚合物材料，并且表面活性剂是在300℃的温度下混合的。
这样制备的无定形聚酯薄片的体积电阻系数为1010Ω·厘米，衰减时间约为3秒，这很好。然而，其表面电阻系数为1011Ω/平方，摩擦电压为350伏特，所施加的电压为1000伏特时的充电电压为1400伏特，均非常高。
实施例1
在实施例1中，将根据比较例1制备的导电涂覆溶液施用于比较例2中制备的抗静电聚苯乙烯薄片的表面上，然后干燥，以在薄片表面形成导电层。
这样制备的抗静电聚苯乙烯薄片的表面电阻系数为106Ω/平方，摩擦电压为25伏特，体积电阻系数为1010Ω·厘米，衰减时间低于0.5秒，所施加的电压为1000伏特时的充电电压约为400伏特，充电电压特别低。
实施例2
在实施例2中，将根据比较例1制备的导电涂覆溶液施用于比较例3制备的抗静电无定形聚酯薄片的表面上，然后干燥，以在薄膜表面形成导电层。
这样制备的抗静电无定形聚酯薄片的表面电阻系数为106Ω/平方，摩擦电压为20伏特，体积电阻系数为1010Ω·厘米，衰减时间低于0.1秒，所施加的电压为1000伏特时的充电电压约为400伏特。
实施例3
在实施例3中，将根据比较例1制备的导电涂覆溶液施用于商购得到的无定形聚酯薄片上，随后干燥，以在薄膜表面上形成导电层。
这样制备的无定形聚酯薄片的表面电阻系数为106Ω/平方，摩擦电压为20伏特，体积电阻系数为1010Ω·厘米，衰减时间低于0.1秒，所施加的电压为1000伏特时的充电电压约为400伏特，充电电压较低。
实施例4
在实施例4中，将三层共挤挤出机用于具有由中间层和两个表面层组成的三层结构的基体聚合物，其中中间层由绝缘高抗冲聚苯乙烯制成，表面层由使用比较例2的技术制备的抗静电剂/聚苯乙烯混合物制成，所述三层结构的厚度比为20(表面层)∶60(中间层)∶20(表面层)。然后，将使用比较例1的方法制备的涂覆溶液施用于所得结构的最外层表面，随后干燥，从而在该结构的表面形成导电层。
这样制备的抗静电无定形聚酯薄片的表面电阻系数为106Ω/平方，摩擦电压为20伏特，体积电阻系数为1010Ω·厘米，衰减时间低于0.1秒，所施加的电压为1000伏特时的充电电压约为400伏特，充电电压较低。
将比较例和实施例的结果进行比较可以看出，使用比较例1-3的技术制备的聚合物薄片具有良好的表面电阻系数，但体积电阻系数较差，或者具有良好的体积电阻系数，但表面电阻系数较差。然而，使用实施例1-4公开的技术制备的聚合物薄片可以满足输送精确电子部件的盘的要求，该要求要求表面电阻系数必须约为106Ω/平方，摩擦电压必须低于20伏特，衰减时间必须低于3秒，充电电压必须低。
工业实用性
如上所述，根据本发明的抗静电聚合物膜能用于制造容器，如能安全地存储和管理部件或产品如对于静电力敏感的半导体芯片的盘。

Claims (9)

1、一种具有体积电阻系数和表面电阻系数的抗静电聚合物膜，该抗静电聚合物膜包括：
具有单层或多层结构的抗静电基体聚合物膜，该基体聚合物膜含有抗静电剂，因此具有抗静电性；和
在所述基体聚合物膜表面使用导电聚合物作为活性组分而形成的抗静电层，
所述抗静电聚合物膜具有优异的抗静电性，包括表面电阻系数能够在103-109Ω/平方范围内调整，衰减时间低于3秒，摩擦电压低于50伏特，充电电压低于实际所施加的电压。
2、根据权利要求1所述的抗静电聚合物膜，其中，所述抗静电剂为选自表面活性剂、永久耗散型聚合物IDP、金属氧化物和炭黑中的至少一种。
3、根据权利要求1或2所述的抗静电聚合物膜，其中，在位于所述基体聚合物膜表面上的所述抗静电层的形成过程中合成的所述导电聚合物以与聚合物粘结剂的混合物的形式使用。
4、根据权利要求1-3中任意一项所述的抗静电聚合物膜，其中，所述导电聚合物选自包括聚噻吩、聚苯胺和聚吡咯在内的导电聚合物以及包括聚(3，4-乙撑二氧噻吩)在内的改性导电聚合物中。
5、根据权利要求1-4中任意一项所述的抗静电聚合物膜，其中，所述抗静电层是使用导电聚合物作为活性组分通过气相聚合法或直接聚合法形成的。
6、根据权利要求5所述的抗静电聚合物膜，其中，用于合成所述导电聚合物的单体选自包括噻吩、苯胺、吡咯和3，4-乙撑二氧噻吩在内的改性单体中。
7、根据权利要求1-6中任意一项所述抗静电聚合物膜，其中，所述基体聚合物由酯聚合物、苯乙烯聚合物、烯烃聚合物、碳酸酯聚合物、或含有这些聚合物中的至少一种的共聚物组成。
8、根据权利要求1-7中任意一项所述的抗静电聚合物膜，其中，所述基体聚合物膜具有由三层或更多层组成的层状结构，其中形成于所述层状结构的两个表面的层含有抗静电剂。
9、根据权利要求8所述的抗静电聚合物膜，其中，所述层状结构的两个表面的厚度为所述层状结构的总厚度的5-50％。
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