Rellenos conductores - Polímeros termoplásticos, elastómeros y aditivos

Las partículas de relleno inherentemente conductoras en un polímero, en una concentración adecuada, pueden crear una red conductora estable en todo el volumen total del polímero que permite que fluya la electricidad. Sin embargo, deben tener el grado correcto de dispersión; pequeñas “islas” o conglomerados de partículas conductoras en la matriz aislada, o partículas demasiado dispersas, agregan poco o nada a la conductividad debido a la falta de conexiones de red. La conductividad útil también requiere niveles de carga adecuados hasta un nivel de umbral de percolación (por encima del cual las cargas adicionales no aumentan significativamente la conductividad). Obviamente, la conductividad de un material de relleno es un factor clave, así como su forma. Los rellenos que son mucho más largos que anchos (en otras palabras, que tienen una relación de aspecto alta) tienen más probabilidades de entrar en contacto entre sí y, por lo tanto, reducir la resistividad. Estos aditivos son típicamente metales en forma de escamas o fibras conductoras, que son más útiles en aplicaciones de blindaje EMI de alta conductividad. Al ser polímeros semicristalinos no polares con distintas regiones amorfas, las poliolefinas tienen algunas ventajas cuando se utilizan cargas conductoras de baja relación de aspecto, ya que las partículas tienden a concentrarse dentro de la fase amorfa en lugar de distribuirse uniformemente por todo el material a granel, lo que ayuda a crear las trayectorias de conductividad necesarias y minimizando el umbral de percolación. CB es un material de relleno relativamente estandarizado, económico y fácilmente procesable que puede proporcionar propiedades ESD. Los CB se forman quemando hidrocarburos en un entorno de oxígeno limitado, dejando un residuo de partículas finas de carbono del 98%. Las partículas pueden tener un diámetro de 10-70 nm, agrupadas en agregados de 60-500 nm. Para la conductividad, los compuestos que contienen CB deben cargarse para alcanzar un umbral de percolación suficientemente alto con un nivel de carga volumétrico CB adecuado y una dispersión que permita que la carga eléctrica pase a través del material. Las cargas de CB requeridas para la percolación pueden ser tan bajas como 5-6% en peso, pero las cargas a menudo deben ser más altas, dependiendo del procesamiento. La estructura de los agregados de CB puede crear diferentes umbrales de percolación (al igual que la modificación de la superficie de CB, que crea diferentes resistencias entre partículas). Las partículas de los denominados grados CB "conductores" o "extraconductores" se agregan en estructuras de ramificación tridimensionales, lo que permite la conductividad eléctrica a cargas bajas. Un equilibrio entre las propiedades eléctricas necesarias, otras propiedades deseadas y los costos determina si se elige un grado de CB altamente cargado y fácil de dispersar frente a una carga más baja de un CB "extraconductor" altamente estructurado y endurecido a dispersar.  En general, CB es un relleno de diseño flexible con múltiples formas y usos, y los grados CB para ESD están disponibles en varios grados para cumplir con varios criterios de rendimiento de compuestos y costos. Estos criterios son la conductividad, la dispersabilidad, la suavidad de la superficie, la rigidez a la flexión y la resistencia al impacto. La alta conductividad en el CB tiende a deprimir las últimas tres propiedades de esta lista. Algunos grados maximizan solo una calidad, como la conductividad, a su nivel más alto, y las otras propiedades solo son equivalentes o peores que el CB estándar. O, por ejemplo, el CB de gama alta optimiza los cinco criterios a la vez. La resistividad con CB puede llegar desde niveles antiestáticos hasta incluso por debajo de lo que normalmente se requiere para el rendimiento de ESD, hasta niveles casi conductores (10⁴ ohmios/m2), pero las opciones de coloración para una poliolefina con alto contenido de CB son obviamente limitadas. Se han propuesto otras formas de carbono a escala nanométrica, como los nanotubos y los grafenos, como rellenos ESD, aunque sus primeros usos comerciales pueden venir más en polímeros de ingeniería que en poliolefinas. Los nanotubos de carbono (CNT), en diámetros de 10-100 nm, pueden inducir la conductividad necesaria para los paneles de carrocería de automóviles de plástico que se pueden pintar electrostáticamente. También se dice que están reemplazando CB y fibras conductoras en aplicaciones electrónicas pequeñas y detalladas. Los CNT son rellenos de muy alto costo, aunque sus altas relaciones de aspecto mejoran la conductividad a cargas más bajas que los CB. Pero deben estar adecuadamente dispersos en el polímero para obtener una conductividad de percolación superior a la de los compuestos que contienen CB. El procesamiento lo es todo; La dispersión se puede lograr mediante la adición de CNT dispersos en un masterbatch precompuesto o, según se informa, de manera más eficaz, la mezcla directa de CNT mediante un proceso de mezcla especializado. Por ejemplo, el 3.5% de CNT dispersos en HDPE usando un proceso de mezcla especial proporciona niveles de resistividad iguales a aquellos con un masterbatch disperso de CNT cargado al 7%.