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2023-12-06
高性能防静电纸箱：为您的产品提供更好的保护
【摘要】：在原纸上实现不同量的防静电涂料涂布，通过测定瓦楞纸板的表面电阻率来确定防静电等级。图2-5-2不同涂布量与表面电阻率的关系2.温度对防静电性能的影响由图2-5-3可知，在23℃、38℃、60℃这3个温度环境中，随着温度的升高，防静电纸板的表面电阻率稍有升高，但不明显。
随着电子行业的迅猛发展，产品高度精细化、小型化、集成化，使其电磁感应敏感度越来越高，即越易受到电磁、静电的干扰，如电子管、集成电路板、电子连接元件等。
在生产、搬运、储存、运输、使用的过程中，由于摩擦、撞击、接触、分离产生的静电电压，极可能影响产品技术参数，降低稳定性甚至使产品失效，因此静电防护包装显得尤为重要。
美国静电放电协会从静电放电（ESD）防护原理及包装材料的导电性出发，将防ESD材料（防静电材料分类）分为下列几种：
（1）静电屏蔽材料（电阻小于1kΩ）；
（2）导静电材料（电阻小于10kΩ）；
（3）静电耗散材料（10kΩ≤电阻＜1000GΩ）；
（4）绝缘体（电阻≥ 1000GΩ）。
目前市场上的防静电瓦楞纸箱，基本上都是通过印刷机在纸箱表面印刷一层功能性油墨，它的缺陷是油墨与纸箱表面的结合力很差，印刷层不均匀，厚度不能控制。
这些油墨的主要导电成分为炭颗粒，印刷后油墨中的炭粒极易从纸箱表面脱落，触摸后双手粘黑，因此必须在纸箱表面再印刷一层“罩光油墨”，以减少油墨中炭粒的掉落，但这层“罩光油墨”的阻隔，使防静电性能明显下降，一般只可以达到1MΩ。此外，油墨本身含水，会出现瓦楞纸箱吸水后质量不稳定等问题。
基于此，笔者采用进口涂布机进行定量、高温、高压的防静电涂料涂布，达到了优异的效果。
陆运、海运及空运时，常常会遇到环境温湿度骤变，速度突变，颠簸引起包装件的相互撞击、跌落等情况，内装物与瓦楞纸箱内壁不断摩擦，也会引起防静电层的磨损与性能的衰减。为了清楚地掌握环境温湿度以及运输中振动、冲击产生的机械力摩擦对防静电性能的影响，本节就这些影响因素进行了分析、实验、研究。
采用美国MICHELMAN公司生产的STB 7009.S涂料，在精密涂布机上，对整卷原纸的表面定量涂上特种防静电涂料，经过多组可调压力的滚轮挤压，同时在160～170℃的高温瞬间烘干，涂料中水分瞬时蒸发，有效成分被嵌入纸张表面，在纸张的浅表层形成了一个新的物质层（不需要像印刷机上加工印刷油墨后，还要进行二次罩光油墨印刷），然后用涂布好的原纸生产成具备防静电性能的瓦楞纸板、纸箱。
在原纸上实现不同量的防静电涂料涂布，通过测定瓦楞纸板的表面电阻率来确定防静电等级。研究的涂布量分别为8g/m2、12g/m2、16g/m2。
电子、电器类产品包装，客户对瓦楞纸箱防静电的要求，主要在1～100kΩ范围内，因此，在符合防静电等级要求的瓦楞纸板上，实验分析不同温度、相对湿度及摩擦对防静电性能的影响，每组测试样本数为10件。
国内外包装运输环境不同，参考“国际安全运输协会”（ISTA）的测试标准，温度的实验值为23℃、38℃、60℃，相对湿度的实验值为50%、65%、85%。根据GB/T 11210—2014防静电材料表面电阻率的测试环境为温度23℃，相对湿度50%。在研究不同温度对瓦楞纸板防静电性能的影响时，相对湿度保持50%，研究不同湿度对瓦楞纸板防静电性能的影响时，温度保持在23℃。
运输中引起的振动、冲击，在防静电性能包装件上的表现，是内装物与纸箱内壁间的不断摩擦，为探索这些摩擦是否会对防静电纸箱的性能有影响，依据GB/T 7706—2008中的摩擦试验机，对防静电纸板进行摩擦试验，其中摩擦荷重为（20±0.2）N。以牛皮纸、符合GB/T 9258.1—2000的2500目（粒度5.4μm）、1000目（粒度12.4μm）砂纸分别与防静电样品形成一对摩擦副，模拟不同的摩擦强度对防静电性能的影响。
实验前后对样品进行表面电阻测定，均经过温度23℃，相对湿度50 %，24h的预处理。
摩擦次数：50、100、150、200、250，摩擦纸为牛皮纸。
摩擦强度：由牛皮纸、普通砂纸（2500目、 1000目），分别与防静电性能样品形成摩擦副，摩擦次数为50 。
测量时，按图2-5-1所示位置2次测量，分别记为R1，R2 ，则有：
RS =（RS1+RS2）/2
式中 RS——防静电纸板表面电阻率，Ω/cm2。
图2-5-1 表面电阻率测量
瓦楞纸板静电防护的等级，主要通过表面电阻率来区别。表面电阻率在数值上，等于表面为正方形材料的两对边电极间的表面电阻，与该正方形尺寸无关。
表面电阻率的主要测定方法包括使用静电仪直接测得和使用万能电表换算测得。本节利用万能电表按GJB 2604对表面电阻率进行测定，见图2-5-1，对角测试，测量电极采用尺寸为10mm×10mm的铜方块。
结果与讨论
1.涂布量与防静电等级对应关系
为了解不同涂布量瓦楞纸板的防静电性能，依据防静电材料等级的划分标准，测定不同涂布量的瓦楞纸板的表面电阻率，分析所达到的静电防护性能等级。
由图2-5-2可知，防静电瓦楞纸板的表面电阻率，随涂布量的增加而减少。主要原因是涂布量越多，单位面积内的导电粒子含量越高，导电能力越好，表面电阻率越低。
涂布量分别为8g/m2，12g/m2，16g/m2，具体的防静电等级均为导静电材料，可达103Ω/cm2，较印刷工艺的指标高很多，可满足高端电子产品静电防护的需要。
图2-5-2 不同涂布量与表面电阻率的关系
2.温度对防静电性能的影响
由图2-5-3可知，在23℃、38℃、60℃这3个温度环境中，随着温度的升高，防静电纸板的表面电阻率稍有升高，但不明显。
图2-5-3 温度对防静电性能的影响
主要原因：在研究的范围内，随着温度的升高，体积膨胀，导电粒子间的距离逐渐增大，则单位面积内的导电粒子数减少，导致电阻率有增大的趋势。3种涂布量纸板的防静电等级未发生变化，说明在实际物流运输中，随着温度的升高，其表面电阻率有增大的趋势，但是这种增大没有改变材料的防静电等级，不会影响防静电纸板对静电的防护能力。
3.相对湿度对防静电性能的影响
由图2-5-4可知，随着相对湿度增大，表面电阻率越大，其中相对湿度85%比65%的变化更明显。主要原因：高湿环境在涂层表面形成一层水膜，而温湿度测试室（房或厢），所用的水源是蒸馏水，严格意义上涂层上的水膜不可能是纯水，会有一定的导电性，但是导电性非常弱，远不如涂层中炭颗粒的导电性，因此，水膜起到了阻隔作用，使其导电性能变弱，表面电阻率变大。
图2-5-4 相对湿度对防静电性能的影响
原纸对水分的吸收，导致导电粒子间的距离变大，所以表面电阻率变大，而且随着相对湿度的增大，粒子间的距离继续变大。这种迁移有了阻碍的作用，导致电阻率稍微升高，因此电阻率的变化趋势不如相对湿度85%的明显。3种涂布量纸板的防静电等级未发生变化，说明随着相对湿度的升高，表面电阻率有增大的趋势，但是这种增大没有改变材料的防静电等级，不会影响防静电纸板对静电的防护能力。
此外，比较图2-5-3与图2-5-4可以发现，相对湿度的变化对防静电性能的影响比温度明显。
4.摩擦对防静电性能的影响
以每组10个涂布量为8g/m2的防静电纸板为样品，测定样品在实验摩擦前后的平均表面电阻率，来分析摩擦对防静电性能的影响。
由图2-5-5可知，以牛皮纸与用涂布方式加工的测试样品形成摩擦副，用20N力进行摩擦，50～250次的摩擦对瓦楞纸板的防静电性能稍有影响，但是纸板的防静电等级未发生变化，仍为导静电材料。主要是因为牛皮纸在20N的压力下，来回摩擦样品表面，只会引起原纸表面少量的涂料脱落，对静电性能指标影响很小。随着摩擦次数的增加，用涂布工艺加工的涂料脱落现象并不明显，因此它有很好的静电防护性能，仍属于导静电材料。
利用摩擦介质表面粒度的不同来模拟摩擦的强度，由图2-5-6可知，摩擦强度越大，表面电阻率越大。经2500目、1000目砂纸摩擦的样品，表面电阻均大于10kΩ，属于静电耗散型材料，仍然具备良好的静电防护性能。
图2-5-5 摩擦次数对防静电性能的影响
图2-5-6 摩擦50次情况下摩擦强度对防静电性能的影响
主要是因为砂纸表面不同大小的粒度在20N的压力下，在防静电纸板表面摩擦，虽然原纸外表层的防静电涂料大部分脱落，但是嵌入原纸浅表层的涂料没有被破坏，仍起到静电防护作用。
摩擦次数、强度分别模拟了运输中因振动、冲击等机械力引起的频率、强度变化。比较图2-5-5与图2-5-6可知，摩擦强度比摩擦次数对瓦楞纸板的防静电性能影响更为明显，但由于先进的涂布生产工艺，使得嵌入原纸纤维的涂料起到静电防护作用，仍然能够保护包装物免受静电的损坏。
基于定量涂布研制的防静电瓦楞纸板、纸箱，不仅能够保护内装物避免静电的伤害，而且性能稳定不易脱落。借助试验手段研究运输中温度、相对湿度及机械力引起的摩擦对其防静电性能的影响。
试验中发现随着温度、相对湿度的升高，表面电阻稍有增大，其中相对湿度的影响较为明显，但是不影响静电防护等级，仍具有很好的静电防护效果。此外，还发现摩擦对防静电性能的影响最为明显，但是仍为静电耗散型材料，能够有效保护内装物不受静电危害，而且加工成本低廉。
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