電 話：+86-755-83867315| 使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電極進(jìn)行材料導(dǎo)電均勻性評(píng)估 |
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在防靜電領(lǐng)域材料的導(dǎo)電性往往是防靜電物品有效性的關(guān)鍵：接地結(jié)構(gòu)/等電位連接結(jié)構(gòu)的電路導(dǎo)通完全依賴于此。而起電水平（摩擦電壓）雖然與此指標(biāo)并無直接關(guān)聯(lián)，但多數(shù)情況下，防靜電設(shè)施需要連接接地，因此導(dǎo)電性良好的情況下，靜電可以迅速泄放，難以測試和觀察到較高的靜電水平。按照靜電泄放速度的計(jì)算，在材料電阻（表面電阻或體積電阻）低于1*10e9Ω時(shí)，靜電會(huì)快速泄放，難以測試出明顯的靜電電壓——摩擦電壓為零。不過這不代表全部，有時(shí)材料電阻測試明明很好的情況下，摩擦電壓卻較高，這似乎讓導(dǎo)電性成為了防靜電性能的一種假象。另外還有一種奇怪的現(xiàn)象：兩個(gè)電阻值都合格的防靜電物品，在結(jié)合測試系統(tǒng)電阻值出現(xiàn)不合格，比如帶有接地鏈或?qū)щ娔_輪的推車或座椅，在防靜電地面上的系統(tǒng)電阻不合格；多層堆疊的托盤接地電阻不合格。這些匪夷所思問題的原因是什么呢？ 我們先看下材料的導(dǎo)電的測試方法。按照防靜電行業(yè)現(xiàn)行的材料導(dǎo)電性測試標(biāo)準(zhǔn)IEC61340-2-3、IEC61340-4-1、IEC61340-4-9、ANSI/ESD STM11.11~13、ANSI/ESD STM4.1、ANSI/ESD STM7.1、ANSI/ESD STM9.1、ANSI./ESD STM2.1，常用的材料導(dǎo)電性測試項(xiàng)目包括以下四項(xiàng)： 表面電阻：假定導(dǎo)電在材料表面實(shí)現(xiàn)，使用標(biāo)準(zhǔn)的同心環(huán)電極測試。被測物要放在絕緣墊上進(jìn)行（參考圖1），數(shù)據(jù)單位為Ω/□。
圖1 表面電阻測試示意圖 體積電阻：假設(shè)導(dǎo)電性可以體積導(dǎo)通，通常體積導(dǎo)通的防靜電材料相比僅有表面導(dǎo)通的材料（如涂覆防靜電劑的材料）更加有效，有效期也會(huì)更長。按照標(biāo)準(zhǔn)的描述也是使用同心環(huán)電極及金屬板將樣品夾在中間進(jìn)行測試（參考圖2），數(shù)據(jù)單位為Ω.m。
圖2 體積電阻測試示意圖 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電阻：通常用于具體的防靜電物品測試，僅評(píng)估其導(dǎo)電性，不確認(rèn)導(dǎo)電是通過表面還是體積導(dǎo)通。注意這個(gè)測試可能有兩種情況：對(duì)于較大的物品，如臺(tái)墊和地面使用標(biāo)準(zhǔn)重錘式電極按照25cm、1m或展開結(jié)構(gòu)的各點(diǎn)之間（如衣物）的間距測試點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電阻，這種電極的直徑為63.5mm，參見圖3。如遇小物件或異型物件，使用重錘點(diǎn)電極無法測試時(shí)，使用小的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電極測試點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電阻，該電極探針直徑為有3.2mm，參見圖4。
圖3 大點(diǎn)電極測試點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電阻示意圖
圖4 小電極點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電阻測試示意圖 點(diǎn)對(duì)接地點(diǎn)電阻：用于接地結(jié)構(gòu)的防靜電物品的接地實(shí)現(xiàn)時(shí)導(dǎo)電性的評(píng)估，不考慮不確認(rèn)導(dǎo)電是通過表面還是體積導(dǎo)通。歐姆表一極連接重錘電極放在在物品上，另一極連接所安裝的接地點(diǎn)上，測試二者間的電阻。 除了前面所講的問題外，還有一個(gè)現(xiàn)象也值得關(guān)注：在對(duì)同一塊樣品進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電阻測試時(shí)，兩個(gè)大電極之間和小的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電極測試的結(jié)果出現(xiàn)較大的偏差，往往是小的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電極的測試數(shù)據(jù)高，而且有時(shí)這個(gè)偏差會(huì)高若干個(gè)數(shù)量級(jí)。這可能直接影響材料合格性判斷。這是否是電極結(jié)構(gòu)所帶來的偏差呢？我們假設(shè)被測物品導(dǎo)電僅以表面方式導(dǎo)電，利用電極的大小及測試距離，可以計(jì)算兩種電極本身帶來的差異Rm/Rs≈5。大點(diǎn)電極測試的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電阻與標(biāo)準(zhǔn)同心環(huán)形電極所測試的表面電阻的差異為Rpp/Rs≈3.37，小電極的測試點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電阻與表面電阻約為17.即便如此這也無法解釋幾個(gè)數(shù)量級(jí)的數(shù)據(jù)差異。而且，如果我們以電極接觸樣品部分的長度和距離計(jì)算，小電極和大點(diǎn)電極點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電阻測試結(jié)果應(yīng)當(dāng)Rm/Rs≈0.51，也就是小電極測試值比大電極低。 所有這些現(xiàn)象背后的主要原因是材料導(dǎo)電均勻性存在問題，既同一塊材料的不同區(qū)域或位置電阻不同，甚至有些地方導(dǎo)電，有些地方絕緣。實(shí)際上，從防靜電材料的制作工藝看，這一點(diǎn)也不奇怪：高分子材料（防靜電物品絕大多數(shù)是高分子材料）想獲得比較好的導(dǎo)電性由絕緣變成防靜電材料，最簡單的辦法就是添加導(dǎo)電填充物。然而這種方式容易遇到兩個(gè)難題： 首先，材料的導(dǎo)電性并不隨導(dǎo)電成分的加入呈現(xiàn)出線性下降的規(guī)律，往往是突變方式——在達(dá)到臨界值時(shí)阻值突然下降，因此控制在比較小的阻值范圍非常困難，往往需要復(fù)雜的復(fù)合配方的方式解決； 其次，使用添加導(dǎo)電成分高分子原料制作防靜電物品時(shí)，物品表面會(huì)因各種因素，特別是脫模劑的使用，形成致密層包裹住導(dǎo)電成分，導(dǎo)致這個(gè)區(qū)域的不導(dǎo)電——這就是我們所說的導(dǎo)電盲區(qū)。這個(gè)問題在注塑成型的防靜電物品中非常普遍。 除此之外，如果添加的導(dǎo)電物如顆粒度太大，分散性不好的情況下導(dǎo)電物之間形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)不夠密集也同樣會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)電盲區(qū)。 那么我們能不能多加些導(dǎo)電填充物，保證導(dǎo)電效果呢？這條路也走不通：過多加入量會(huì)破壞材料原有的分子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致材料強(qiáng)度出現(xiàn)問題，還可能衍生出析碳問題，給電子產(chǎn)品特別是半導(dǎo)體、光電和顯示類的產(chǎn)品帶來致命的問題。而且過低的電阻所帶來的CDM風(fēng)險(xiǎn)也是我們不希望看到的。 正是這些導(dǎo)電不均勻問題和導(dǎo)電盲區(qū)問題，會(huì)讓材料材料局部電阻值超標(biāo)，也會(huì)讓絕緣部分的靜電無法快速泄放，這也就導(dǎo)致了前面所說的明明電阻值合格摩擦電壓卻過高的現(xiàn)象。 對(duì)于有接地要求的防靜電物品來說，非均勻?qū)щ娞貏e是存在導(dǎo)電盲區(qū)往往會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)有這樣缺陷的材料，形成導(dǎo)電連通難度要比均勻?qū)щ姷牟牧想y很多。在這方面最典型的例子是防靜電地面：接地鐵鏈或非均勻?qū)щ娔_輪的推車在防靜電地面上難以測試合格，而在鐵板上可以測試合格；使用大的點(diǎn)電極測試合格的地面，行走電壓卻降低不下來。
當(dāng)然，近些年來材料技術(shù)突飛猛進(jìn)，讓這一問題開始得到解決：石墨烯、碳納米管、導(dǎo)電聚合物及復(fù)合配方的防靜電材料已經(jīng)開始嶄露頭角。一些材料可以將電阻值控制在理想的范圍內(nèi)的同時(shí)，導(dǎo)電均勻無任何導(dǎo)電盲區(qū)。然而現(xiàn)行的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)所定義的測試方法，特別是重錘電極的使用，很多時(shí)候無法發(fā)現(xiàn)問題，甄別良莠。而且標(biāo)準(zhǔn)基本對(duì)測試當(dāng)中的數(shù)據(jù)處理并無統(tǒng)計(jì)學(xué)處理要求，頂多確認(rèn)一下測試的算術(shù)平均值、幾何平均值、最大值和最低值。而對(duì)于數(shù)據(jù)的離散性并無確定或計(jì)算的要求，并且合格與否的判斷，也沒有明確是基于平均值還是最高值，在實(shí)踐中容易帶來許多爭論。 以上分析表明，防靜電行業(yè)特別需要一種能夠評(píng)價(jià)導(dǎo)電均勻性的方法用于評(píng)估材料的防靜電性能。這需要我們從兩個(gè)方面著手：電極選擇和評(píng)價(jià)方法。
電極選擇 從防靜電材料制作角度看，大的點(diǎn)電極及同心環(huán)電極接觸測試樣品的電極底面面積較大，雖然也能發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電不均勻問題，但相對(duì)于小電極難度較高。通過簡單的計(jì)算我們可以知道三種電極測試時(shí)的有效面積分別是：3167mm2、551mm2、8mm2，因此使用小電極發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電盲區(qū)最佳。不過，單純使用小電極可能無法測試出防靜電PVC貼面地板之類的點(diǎn)狀或針狀導(dǎo)電結(jié)構(gòu)材料的導(dǎo)電性。因此比較好的選擇是，在樣品比較大的情況下結(jié)合使用大的點(diǎn)電極和小電極測試材料的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電阻，再進(jìn)行利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算。
圖5同心環(huán)電極
圖6 點(diǎn)電極（大）
圖7 點(diǎn)電極（?。?/span> 評(píng)價(jià)方法 數(shù)理統(tǒng)計(jì)中均方差（標(biāo)準(zhǔn)差）和極差經(jīng)常用于評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的離散性。但在實(shí)際測試當(dāng)中難免出現(xiàn)問題：材料的電阻值波動(dòng)可能很大，高的時(shí)候超過8個(gè)數(shù)量級(jí)，這兩項(xiàng)指標(biāo)會(huì)顯示很高的數(shù)值，特別是極差，基本就是最高值了，這樣反倒不易直接反映數(shù)據(jù)的波動(dòng)性。有沒有辦法解決這一問題呢？其實(shí)統(tǒng)計(jì)學(xué)中還有現(xiàn)成的指標(biāo)可以使用——變異系數(shù)。由于是均方差與平均值的比值，它不受量綱影響，是一項(xiàng)理想的指標(biāo)。我們很容易得到結(jié)論，變異系數(shù)越低數(shù)據(jù)離散性越小，材料的導(dǎo)電均勻性越好。另外，對(duì)于極差來講，我們也可調(diào)整下方法，不用差值，比值（極值比extremes ratio）對(duì)數(shù)計(jì)算，就可以比較直觀地反映最大最小值之間的波動(dòng)性。 除導(dǎo)電均勻性外，評(píng)價(jià)材料時(shí)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中的指標(biāo)也不能省略，所以將所有這些指標(biāo)總結(jié)一下，防靜電材料的導(dǎo)電性能指標(biāo)應(yīng)包含以下項(xiàng)目： Mins=大電極測試的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電阻的最低值：指標(biāo)反映材料可以達(dá)到的最佳導(dǎo)電指標(biāo) Maxm=小電極測試的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電阻的最高值：指標(biāo)反映材料可能出現(xiàn)的最高絕緣狀態(tài) Avs=大電極測試的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電阻數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值：指標(biāo)反映材料較大面積接觸條件下導(dǎo)電性的平均水平 Avm=小電極測試的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電阻數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值：指標(biāo)反映材料均勻?qū)щ娦缘钠骄健?/span> CV=小電極測試的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電阻數(shù)據(jù)的變異系數(shù)：偏差與平均值的比值，反映阻值的波動(dòng)性。
REV=lg 這套指標(biāo)現(xiàn)在已經(jīng)在一些企業(yè)得到應(yīng)用，且收到了良好的效果。通過控制導(dǎo)電均勻性，有效地保證了防靜電物品的品質(zhì)和耐用性。以下是幾款材料實(shí)際測試的效果
圖8某防靜電環(huán)氧彩砂
圖9 某防靜電透明膠墊
圖10 某防靜電板材樣品
圖11 某臺(tái)墊樣品
圖12 某防靜電地坪樣品 |
