Проводит ли пластик электричество? Факты об изоляции и проводящем пластике

Проведите мультиметром по нейлоновой шестерне, фитингу трубы из ПВХ или пластиковому корпусу чистящей машины, и показания не изменятся. Итак, краткий ответ — нет: стандартный пластик не проводит электричество, и именно из-за этой изоляции его выбирают для оболочек кабелей, ручек инструментов и корпусов приборов.

У полного ответа есть вторая половина, имеющая значение в реальном производстве. Пластиковая сумка может удерживать достаточно статического заряда, чтобы повредить печатную плату, а щетка, сметающая тонер с барабана принтера, может зарядить саму поверхность, которую она должна очистить. В таких ситуациях простая изоляция становится проблемой, поэтому существуют проводящие и рассеивающие статическое электричество пластики, включая проводящие щеточные нити. В этой статье объясняется, почему пластик изолирует, как его можно сделать проводящим и что это означает, когда вы покупаете нить для щеток.

Почему стандартный пластик блокирует электрический ток

Электрический ток нуждается в подвижных носителях заряда, а в металлах их полно: внешние электроны в меди свободно дрейфуют через решетку, поэтому ток течет с небольшим сопротивлением. В нейлоне, ПБТ и большинстве других пластиков электроны заключены в прочные ковалентные связи вдоль молекулярной цепи. Свободных электронов, которые могли бы двигаться, не существует, а энергия, необходимая электрону для выхода, намного превосходит ту, которую обеспечивает любая обычная цепь.

Разрыв виден в цифрах. Объемное сопротивление меди составляет примерно 0,0000017 Ом-сантиметров, тогда как объемное сопротивление обычных пластмасс составляет около одного квадриллиона Ом-сантиметров, что примерно на двадцать порядков выше. Эта разница заключается в том, почему пластиковый корпус остается безопасным для прикосновения к частям, находящимся под напряжением, и почему пластиковая пленка работает как изолирующий барьер в электрических панелях.

Влага добавляет один нюанс. Нейлон поглощает воду из воздуха, а поглощенная вода несет следовые ионы, которые пропускают небольшие токи, поэтому сопротивление влажной детали ПА6 может быть в сотни раз ниже, чем у высушенной. По любому определению статического контроля он по-прежнему остается изолятором, но любой, кто записывает значения сопротивления, должен ожидать, что показания будут меняться в зависимости от погоды.

В таблице четыре класса материалов размещены на одной логарифмической шкале, где каждый шаг умножает сопротивление на десять. Медь находится в самом низу, ниже одного Ома, потому что ее свободные электроны движутся почти без сопротивления. Проводящий пластик, наполненный углеродом, имеет сопротивление около 10 000 Ом, что много по сравнению с металлом, но достаточно низко, чтобы быстро истощить заряд. Пластики, рассеивающие статическое электричество, занимают широкую среднюю зону, где заряд течет мягко, а не щелкает. Стандартные изоляционные пластмассы отстоят от металла на сопротивление более квадриллиона Ом, поэтому выбор места детали в этой шкале должен быть сделан сознательно.

Как инженеры измеряют и классифицируют проводимость

Поскольку значения охватывают двадцать порядков величины, отрасль работает с широкими классами, а не с точными цифрами. Поверхностное сопротивление, измеряемое в Омах, описывает, насколько легко заряд перемещается по поверхности, и является числом, которое определяет большинство программ контроля статики, тогда как объемное сопротивление описывает путь через тело материала. Стандартизированные методы семейств IEC 61340 и ANSI/ESD обеспечивают сопоставимость результатов лабораторий и поставщиков.

Две привычки защищают покупателей. Во-первых, спросите, какой метод испытаний и конфигурация электродов позволили получить какое-либо значение сопротивления, поскольку маркировка класса без указания метода представляет собой маркетинг, а не данные. Во-вторых, помните, что наполненные пластмассы изменяются в зависимости от влажности, износа и температуры, поэтому убедитесь, что значение сохраняется в среде, в которой деталь фактически будет служить.

Три способа заставить пластик проводить электричество

Проводящие наполнители и порог перколяции

Наиболее распространенным способом является смешивание смолы с проводящим наполнителем, таким как углеродная сажа, графит, углеродное волокно или металлические волокна. При низких нагрузках частицы остаются изолированными, а компаунд по-прежнему изолирует. Около критического процента, называемого порогом перколяции, частицы соединяются в связанные пути, и сопротивление падает на много порядков в пределах узкого окна. Карбоновые марки являются экономичной рабочей лошадкой, хотя они окрашивают детали в черный цвет и добавляют некоторую жесткость.

Внутренне проводящие полимеры

Второй путь меняет сам полимер. Некоторые сопряженные основные цепи, впервые продемонстрированные с помощью легированного полиацетилена в 1970-х годах и удостоенные Нобелевской премии по химии 2000 года, проводят электричество без какого-либо наполнителя. Эти собственные проводящие полимеры появляются в антистатических покрытиях и прозрачных пленках, хотя их стоимость не позволяет использовать их в большинстве товарных деталей.

Обработка поверхности

Третий способ обработки поверхности: местные антистатики, токопроводящие покрытия или тонкая металлизация. Эти варианты могут быть недорогими и эффективными, но многие из них зависят от влажности окружающей среды или изнашивания в результате истирания, что оттесняет прочные конструкции назад к наполненным соединениям.

Эта кривая объясняет, почему загрузка наполнителя контролируется так жестко. До примерно четырех процентов технического углерода сопротивление почти не меняется, и соединение по-прежнему ведет себя как изолятор. Приблизительно между шестью и восемью процентами линия сжимается на несколько порядков, отмечая порог просачивания, когда связанные пути наконец охватывают эту часть. Сразу после этой зоны небольшие изменения в рецептуре вызывают большие колебания сопротивления, поэтому контроль процесса должен быть строгим. За пределами десяти процентов кривая выравнивается, и дополнительный наполнитель в основном увеличивает стоимость и жесткость, а не проводимость.

Проводящие щеточные нити в повседневном оборудовании

Кисти — одна из тихих историй успеха. Нить проводящей щетки представляет собой моноволокно, обычно нейлон или ПБТ, смешанное с контролируемой дозой наполнителя на основе углерода и вытянутое до нужного диаметра. Готовая нить попадает в зону рассеивания статического электричества или проводимости, поэтому кисть сметает заряженную пыль и тонер, а не генерирует новый статический заряд. В число пользователей входят сборщики электроники, готовящие платы к нанесению покрытия, щетки для принтеров вокруг барабанов фотопроводника, инструменты для чистых помещений и линии, перемещающие заряженные пленки и порошки.

Большинство проводящих нитей начинается с базы ПА6 или ПА612. PA6 хорошо рисует, выдерживает миллионы циклов изгиба, равномерно принимает наполнитель и сохраняет низкую стоимость, поэтому он остается выбором по умолчанию для антистатических щеток общего назначения.

Нейлоновая нить PA6 для антистатических кистей общего назначения PA6 хорошо рисует, выдерживает миллионы циклов изгиба и равномерно принимает проводящий наполнитель при низкой стоимости, что делает его основным материалом по умолчанию для антистатических и чистящих щеток общего назначения. Посмотреть продукт →

Конкретные примеры того, где эти нити зарабатывают себе на жизнь, можно найти в этом обзоре примеры применения токопроводящих пластиковых щеток рассматривает реальные варианты использования в нескольких отраслях.

Выбор базовой смолы для проводящей нити

Выбор базовой смолы определяет, сохранятся ли эти показатели сопротивления на протяжении всего срока службы кисти, а влажность является самой большой переменной. Обычные смолы сильно различаются, как видно из таблицы ниже.

Столбцы позволяют легко увидеть риск выбора. PA6 и PA66 поглощают от восьми до девяти процентов своего веса воды в равновесном состоянии, поэтому их электрические показания так сильно колеблются в зависимости от времени года. PA610 сокращает этот показатель примерно до трех процентов, PA612 — примерно до двух, а ПБТ — ниже одного процента и почти не замечает влажности. Для проводящей нити более низкое поглощение означает более стабильное сопротивление, меньшее количество жалоб клиентов и меньшее количество повторных испытаний в течение года производства. Это единственное свойство объясняет, почему прецизионные антистатические щетки так часто используют PA612 или PBT, а не PA6.

PA612 впитывает лишь часть воды, которую поглощает PA6, поэтому его показания сопротивления остаются гораздо более постоянными при работе на сухом складе зимой и на влажной производственной линии летом.

Нейлоновая щетка PA612 с низким водопоглощением ПА612 поглощает лишь часть воды, которую принимает PA6, поэтому его показания сопротивления остаются одинаковыми как на сухих зимних складах, так и на влажных производственных линиях, а химическая стабильность продлевает срок службы. Посмотреть продукт →

PBT идет еще дальше, сочетая очень низкое водопоглощение с высокой термостойкостью для щеток, которые нагреваются или находятся рядом с двигателями.

Нейлоновая нить PBT для изготовления термостойких щеток ПБТ combines very low water uptake with strong heat resistance, holding its stiffness near motors and hot running conditions while offering the high strength and rigidity buyers compare across all three filaments. Посмотреть продукт →

Как смолы сравниваются по всей системе показателей

Влага – это еще не все. PA6 обеспечивает лучшее восстановление при изгибе для узких спиральных щеток, PBT сохраняет жесткость при повышенных температурах, а PA612 уравновешивает эти два фактора, поэтому он так хорошо подходит для прецизионных чистящих щеток. На диаграмме ниже все три балла оцениваются от одного до пяти в зависимости от того, какие покупатели недвижимости оценивают чаще всего.

Радарная диаграмма оценивает три смолы-кандидата по свойствам, которые имеют значение для нити, контролирующей статическое электричество. PA6 лидирует по гибкости и стоимости, что объясняет его доминирование среди антистатических щеток общего назначения для мягких сред. Его слабой стороной является устойчивость к влаге, поскольку поглощенная вода приводит к смещению показаний сопротивления между сухими и влажными условиями. PA612 сохраняет почти всю гибкость и износостойкость, при этом значительно приближаясь к PBT по устойчивости к влаге. ПБТ возглавляет рейтинг по влагостойкости и термостойкости и уступает некоторой гибкости, которая подходит для эксплуатации в жарких условиях или с высокими требованиями к размерам. Правильный выбор — это смола, которая наиболее прочна на той оси, на которую ваше применение оказывает наибольшее воздействие.

Контрольный список покупок для проектов с проводящей нитью

Прежде чем переходить к использованию проводящей нити, задайте следующие вопросы любому поставщику, включая нашу собственную команду инженеров:

1. Какое поверхностное сопротивление выдержит нить накала и какой метод испытаний и какой электрод позволили получить полученную цифру?
2. Насколько сильно смещаются показания между сухими и влажными условиями и после того, как кисть изнашивается?
3. Какая базовая смола и наполнитель были выбраны и почему они подходят для данного применения?
4. Каков компромисс между проводимостью, гибкостью и стойкостью к истиранию при требуемом диаметре?
5. Если цвет должен быть светлее черного, какой наполнитель заменяет уголь и какой проводимости он достигает?
6. Может ли поставщик разрабатывать продукцию по чертежу или образцу и какая документация о соответствии, например, проверка RoHS или SGS, поставляется вместе с заказом?

Поставщики, которые отвечают данными, а не прилагательными, — это те, чьи кисти год спустя все еще проходят аудит.

Итак, является ли пластик проводящим электричество? Стандартный пластик таковым не является, и его изоляция остается особенностью, на которую каждый день полагаются большинство продуктов. Проводящие наполнители, полимеры с внутренней проводимостью и обработка поверхности перемещают выбранные пластмассы на проводящую или рассеивающую статическое электричество часть весов, когда этого требует работа. Для производителей щеток это решение становится физическим в самой нити: правильная проводящая нить тихо и безопасно удаляет заряженную пыль, а неправильная превращает чистящую щетку в генератор статического электричества. Сопоставьте смолу и нагрузку с окружающей средой, с которой на самом деле будет сталкиваться щетка, и подтвердите каждое число данными испытаний, прежде чем приступить к серийному производству.