CN102884114B - 静电放电透明薄片 - Google Patents

Abstract

一种静电放电（ESD）薄片（10），包括导电薄片（11），所述导电薄片（11）由纤维素纸或多孔薄片组成，所述纤维素纤维或多孔薄片采用碳纳米管（CNT）溶液处理以获得期望的导电性，且通过渗透或浸透作用浸渍控制量的热固树脂材料（13）形成透明聚合物薄片。

Description

静电放电透明薄片

技术领域

本发明涉及防静电（static dissipative）静电放电（ESD，ElectrostaticDischarge）毯（mat）领域，该防静电静电放电鞋垫在于ESD敏感电子设备制造工作区接地时，能够有效地从地面或工作表面排出静电电荷，更具体地说，涉及一种透明防撕裂、柔软、轻质、耐热、抗化学腐蚀且提供卓越的防静电保护的改进的ESD毯的制造方法。

背景技术

众所周知的是，在静电放电控制（ESD）产业中，使用ESD毯排出有害静电电荷是在典型的ESD敏感电子设备制造环境中放置ESD的一种重要方法。

本领域中另一众所周知的事实是制造具有精确的范围从1x10⁵到1x10⁷ohm的永久电子特性、和一贯的杰出静电电荷放电性能的合用透明ESD毯绝非易事。以更加低廉的成本制造具有上述精确性能的透明ESD毯更富于挑战并且更加艰难。

这些年来，发明了各种类型的ESD毯。引用的一些现有技术如下。

美国专利申请4438174公开了包括玻璃强化嵌片的抗静电层压材料。该玻璃强化嵌片的操作表面或其下方设置有导电网格。该嵌片表面可以是平滑的或者是条纹的、防滑防眩配置的。然而，包括该导电网格的抗静电层压材料冗余在其平滑或条纹的精加工表面上形成很多绝缘热点。图A示出了这一行为或者现象。绝缘热点的出现意味着微量的静电电荷将潜伏在精加工表面上。由于新一代电路设计具有更多的密集晶体管的高密度特性，这将产生危及很多现代的高静电感应微芯片裸片（die）的潜在故障或者灾难性故障。

具有这一层叠结构的抗静电层叠材料缺乏可在需要柔软和高柔软度特性的产品（如防静电机器盖、防静电窗帘、鞋盖、防静电椅盖和其他柔软防静电带应用等）中所需要的物理柔软性。由于使用液体聚脂树脂的硫化过程不但缓慢还非常昂贵，因此本领域中强调的抗静电层叠材料缺乏商业吸引力。

在美国专利US4484250中，其公开了可洗集尘多层聚合材料，其由粘性防静电乙烯顶层、导电乙烯内层和作为衬背的防静电泡沫底层。然而，这一发明产品缺乏耐热性且是不透明的。

在美国专利US4491894中，公开了由半导体材料柔软叠层构成以获得较高强度的发明。然而该配置和材料设计是复杂的，且制造费用极高。

美国专利US4784908涉及将少量的离子盐用作湿润剂加入到三聚氰铵树脂中用于迪可薄片（décor sheet），塑料贴面板芯是具有离子盐的炭填充纸。然而，这一发明的迪可薄片缺乏柔软性且不透明。

美国专利US4804592涉及在热塑性薄膜上覆盖石墨或者碳材料，接着将其层压以形成防静电层压膜。然而，该发明的防静电层压膜缺乏视觉透明性。

美国专利US4885659涉及防静电表面覆盖材料，其包括热塑性聚合层和分散在该热塑性聚合层中或上的导电金属化材料（如真空铝覆盖玻璃纤维组织材料）以提供防静电表面覆盖材料。然而，这一发明的防静电表面覆盖材料缺乏耐热和耐化学腐蚀性能。

在电子产业使用的典型工作台上，电子部件的组装需要约10⁵-10⁷欧姆/平方的电阻系数的防静电表面（按照ANSI／ESD STM/S 11.11测试）。选择这一电阻系数范围可以排出静电电荷，但不足以造成微火花。同样重要的是，将在该工作环境中工人的人类环境改造方面纳入考虑范围。处于这些原因，软型ESD毯通常用于为如工作台表面提供衬套。软型ESD毯通常由橡胶或者柔软PVC制成。然而，当前市面上的软型ESD毯面临多项限制或妨害该技术的可靠性和全面发展的缺陷。

第一和主缺陷通常是软型ESD毯的耐用性。传统ESD毯主要包括两个或三个主聚合材料层（US4885659，US4804582）。结果，最终生产的毯相对较软且不能经受某些期望应用的任何物理压力。因此，这些ESD毯很容易被利器或组装印刷电路板切断、拉伸或损坏。甚至在聚合物层之间***石墨层处，在表面表层获得的机械强度仍然较弱，因而不足以实现工作台上的有效应用（US4804582）。类似地，在美国专利US4885659中，金属化玻璃纤维被建议作为独特中间层结合到聚合物层中，然而即使这样在表面表层的机械强度基本上还是很弱。另外，在数次使用后，ESD毯容易在其边缘发生卷曲。这将使得工作台操作非常不便且折叠或者卷曲的边缘将不仅使得表面不整洁并且也是不可接收的，其还使得工作场所更容易被灰尘或者残骸在卷曲边缘的聚集污染。对于本领域技术人员，避免该问题的逻辑技术方案是在毯中结合更多或更厚的聚合物层。然而，该方法将灾难性地增加这些毯的生产费用，接着使得该技术的商业吸引力下降。此外，该更厚的结构将在某种程度上影响ESD毯的柔软性。因此生产具有更好性能和更加耐用并保持商业吸引力的ESD毯的工业需求极为强烈。

对于使用注入碳的聚合物材料的ESD毯，通常需要较高的碳装载以获得所需的导电性。由于该较高的碳装载，如果在该表面产生摩擦或者碾磨工作流程，注入的碳粉容易从表面剥落，从而对工作地造成不希望的污染。对于使用该注入抗静电材料的应用，该商业可用抗静电材料是迁移的且易于延时迁移到该表面。如果在该表面有任何的摩擦或者碾磨，该迁移的抗静电材料将非常容易损坏或者移除，从而影响抗静电材料的期望特性。因此，需要进一步研究以获得不会轻易引入污染的ESD毯。

本发明的目的是解决现有技术的工业生产透明防撕裂、柔软、轻质、耐热、抗化学腐蚀且提供卓越的防静电保护的ESD毯所面临的上述问题。

发明内容

本发明公开了一种透明ESD薄片（sheeting），包括具有独特粗面（matt）结构的防静电或导电薄片，所述独特粗面结构由控制量的热固树脂（也就是，双组分环氧树脂）构成，所述热固树脂在纤维素纸或多孔薄片上单个应用中同时多功能地用作粘合剂、增韧剂、澄清剂、刨片消除剂（flaking eliminator）和防水剂，从而获得具有适合在ESD敏感组装环境中使用的各种期望特性的独特永久导电或防静电薄片。

采用导电碳纳米管（CNT）溶液通过印刷、覆盖或浸渍过程预处理纤维素纸或多孔薄片以获得期望的导电性。控制量的热固树脂是指该热固树脂的量足以或全部由纤维素纸或多孔薄片吸收但不会过多以使得不会有在覆盖或浸渍的薄片的物理表面物理可见的、看起来像闪亮斑点的“过流”。该控制量的环氧树脂可从多孔薄片的底部向上浸渍到其纸表面（通过渗透作用），或从多孔纸的顶部表面向下到其底部纸表面（通过浸透作用）。该过程是独特的，因为其消除了将CNT分散到液体环氧树脂体系的需要，而这一分散过程是冗长而困难的。使用该渗透作用覆盖或浸渍纸或薄片的表面在硫化前后看起来都是均一粗面。

这样，浸渍热固树脂材料的导电或防静电CNT印刷或处理的纤维或多孔薄片可令人惊讶地获得非常独特的性能并同时具有以下工业所需的关键特性。

-永久（非迁移性地）导电或防静电性能；

-半透明到透明精加工（在需要视觉检查或其他图形通信以提高生产力的应用中）；

-耐热表面精加工（良好的组装性能包括在典型的半导体生产和组装操作中的软焊接、烤箱烘焙其他产热处理过程等）；

-极高的表面耐磨性（长期节省由于严重磨损引起的维护和替换费用）；

-无刨片（适合洁净室应用）；

-可以非常薄且非常柔软（当厚度不是关注的重点时（也就是在不锈钢桌面安装等）可以节省）。

另外，在对其硫化以后，这样的环氧树脂浸渍的ESD纤维薄片可堆叠以形成硬质的、坚固且刚硬的热固树脂嵌片块或盘绕起来以形成坚硬的圆柱杆，以允许在ESD敏感工作组装环境中更广泛的应用选择或更小部件的制造。

附图说明

当参考附图阅读时，根据以下描述，本发明的目的、特征和优势将是显而易见的。附图中，同一个附图标记在各幅附图中用于表示对应的，部件：

图1a描述了在热硬化之前本发明的基本部件的截面图；

图1b示出了在热硬化之前本发明的更多部件；

图1c示出了在热硬化之前具有非眩（粗面）纹理的多孔纤维薄片；

图1d示出了附着到硫化热固树脂浸渍的纤维素纸或纤维薄片以形成各种层压产品的厚材料层；

图1e示出了在硫化前堆叠的热固树脂浸渍薄片的层；

图1f示出了形成圆柱杆的热固树脂浸渍层的盘绕薄片。

具体实施方式

在下面的详细描述中，对各个具体细节进行了描述以提供对本发明的透彻理解。然而，本领域技术人员应该理解，本发明可不采用这些细节实施。在其他例子，方法、程序和/或部件并没有详细描述以避免模糊本发明。可详细参考本发明的优选实施例以及附图中描述的例子。

图1a描述了在热硬化之前本发明的基本部件的截面图。薄片（10）包括导电薄片（11）。该导电薄片（11）由纤维素纸或多孔薄片（cellulose fibrousor porous sheet）组成。该纤维素纤维或多孔薄片采用碳纳米管（CNT）溶液处理以获得期望的导电性，且浸渍热固树脂材料（13）以获得ANSI／ESD STM 11.11规定的10⁴-10⁹欧姆/平方的电阻，更具体的ANSI／ESD STM 11.11规定的10⁵-10⁶欧姆/平方的电阻以在ESD-敏感的工作组装环境中使用。

在图1b的本发明的优选实施例中，纤维素纤维或多孔薄片（11）通过在按控制比例和浓度的良好分散的CNT溶液中浸透该纤维素纤维或多孔薄片（11），接着使用空气或烤箱干燥浸透的纤维素纤维或多孔薄片（11），从而对该纤维素纤维或多孔薄片（11）进行预处理。或者，可通过印刷、覆盖或刷涂来取代浸透实现相同的目的。

透明聚合物薄片（12）的表面均匀应用有热固树脂材料（13）。该热固树脂材料（13）优选为新鲜制备的两部分（two-part）环氧树脂。可通过传统的方法，如印刷、覆盖或刷涂来实现该目的。该CNT处理的纤维素纤维或多孔薄片（11）接着通过放置在环氧树脂覆盖的透明聚合物薄片（12）的顶部表面来渗透新鲜制备的环氧树脂。一旦置到该新鲜制备的环氧树脂覆盖的透明聚合物薄片（12）的顶部表面，该纤维素纤维或多孔薄片（11）的表面开始变成黑色的湿影，这意味着新鲜制备的环氧树脂已经自动渗透到CNT处理的纤维素纤维或多孔薄片（11）且迁移到该表面。

以控制量使用环氧树脂以使得其足以或全部由纤维素纤维或多孔薄片（11）吸收但不会过多以使得不会有在图1c所示的覆盖或浸渍的薄片的物理表面物理可见的、看起来像闪亮斑点的“过流”。这是渗透作用的自然现象。这允许覆盖在聚合物薄片（12）上的预混合的环氧树脂向上迁移到纤维素纤维或多孔薄片（11）且热设置弱结合CNT网络以形成牢固结合的导电或防静电、坚固、耐用、透明或半透明表面精加工。这创造了粗面表面结构。该热设置过程可以是外界、热或紫外光硫化。该热固树脂在纤维素纤维或多孔薄片（11）上单个应用中同时多功能地用作粘合剂、增韧剂、澄清剂、刨片消除剂（flakingeliminator）和防水剂。

在环氧树脂（3）完全硫化以后，接着将透明聚合物薄片（12）移除从而产生非常柔软的、极耐磨的、溶剂范围大且耐化学腐蚀、半透明到透明的永久防静电或导电薄片（10）。可选地，该透明聚合物膜衬背可保持完整以提供良好的强度以及其他性质，如柔软性、密封性、预印刷图解、颜色等等。

在另一实施例中，可以控制量的新鲜制备的环氧树脂层印刷、覆盖或刷涂不具备透明薄片的CNT处理的纤维素纤维或多孔薄片（11）自身。

控制量（重量或体积）的新鲜制备的环氧树脂从多孔纸的顶部表面向下渗透到其底部纸表面（渗透作用）以获得均匀的环氧树脂浸渍的薄片。这样，这一独特过程，像前述实施例中公开的自然渗透过程消除将CNT分散到液体环氧树脂体系这一昂贵、冗长且难于操作的需要。

同样令人惊讶的是，CNT印刷的浸渍热固树脂材料（13）的纤维素纤维或多孔薄片（11）可在ANSI／ESD STM 11.11规定的10⁵欧姆/平方的电阻范围的生产大致透明精加工的产品。更具体地，在10⁷欧姆/平方，可清楚且可接收地看见透明聚合物膜上的字体为TIME NEW ROMAN 8的印刷图案和语句。采用当前传统的基于溶剂或水的树脂浸渍或覆盖体系是不可能获得该透明度和刚性水平的。

该方法是独特的，因为其能够以令人惊讶的简单的方法，采用极低的成本产生可控的电阻薄片（毯）。实际上，在两部分热固树脂浸渍过程中无需加热，且无需任何特殊的设备，只需要标准的水基印刷机器将良好分散的CNT溶液覆盖到纤维素纤维或多孔薄片（11）上，接着通过刷涂，经覆盖、丝印覆盖进行简单的环氧树脂覆盖。

该发明还可以用于层压导电CNT印刷或浸渍的纤维素纤维或多孔薄片（11）到各种类型的基底（如乙烯瓦（vinyl tile））上以形成高性能层压防静电乙烯瓦；到传统的透明乙烯薄片上形成防静电透明乙烯薄片；到泡沫垫上形成防静电泡沫垫；到塑胶或丙烯酸薄片以形成防静电塑胶或丙烯酸薄片。不进行任何层压，该热固树脂浸渍的导电CNT印刷薄片可用作在典型的无ESD工作场所中制造耐热和耐化学腐蚀重型ESD地板带和其他耐热和耐化学腐蚀期望应用的基料（base material）。

另外，这样的环氧树脂浸渍的ESD纤维薄片的层在硫化之前可层叠到一起以形成各种厚度的嵌片或盘绕形成各种大小的圆柱杆（如图1e和1f所示）。在硫化以后，通过使用简单和标准的工具，该嵌片或杆将形成精确的嵌片块和圆柱杆。该固有的永久ESD嵌片块或杆可机械加工成各种小部件以在今天许多极ESD敏感的生产工作位点中的不同应用。

因此，可生产和发明具有简单和独特的结构的、透明防撕裂、柔软、轻质、耐热、抗化学腐蚀且提供卓越的防静电保护的改进的ESD毯或ESD薄片。

另外，可生产和发明耐热、坚硬、耐磨、耐化学腐蚀且显示永久ESD性能的改进的ESD毯或ESD薄片。

对本领域技术人员来说，显而易见的是，可以在不脱离本发明的范围的情况下，以其它特定形式容易地实施本发明。因此可认为当前的实施例仅用作阐述，并不是对本发明进行限制，本发明的范围由权利要求而不是前面的描述限定，因此所有的变化都将包括在权利要求以内。

Claims (19)

1.一种静电放电薄片(10)，包括导电薄片(11)，所述导电薄片(11)由纤维素纸或多孔纤维薄片组成，所述纤维素纤维或多孔纤维薄片采用碳纳米管溶液处理以获得期望的导电性，且通过渗透或浸透作用浸渍控制量的热固树脂材料(13)形成透明聚合物薄片；其中浸渍步骤包括将所述热固树脂材料(13)从纤维素纸或多孔纤维薄片的顶部表面向下浸渍到其底部表面；渗透过程包括所述热固树脂材料(13)从所述纤维素纸或多孔纤维薄片的底部向上分散到其表面。 

2.根据权利要求1所述的静电放电薄片(10)，其特征在于，所述热固树脂材料(13)是新鲜制备的环氧树脂。 

3.根据权利要求2所述的静电放电薄片(10)，其特征在于，所述环氧树脂在合适的控制量使用，以使其足以或全部由所述纤维素纸或多孔纤维薄片(11)吸收。 

4.根据权利要求1所述的静电放电薄片(10)，其特征在于，所述纤维素纸或多孔纤维薄片(11)为印刷薄片。 

5.根据权利要求1所述的静电放电薄片(10)，其特征在于，所述产生的薄片(11)具有范围约为10⁴-10⁹欧姆/平方的电阻。 

6.根据权利要求5所述的静电放电薄片(10)，其特征在于，所述产生的薄片(11)具有范围约为10⁵-10⁶欧姆/平方的电阻。 

7.根据权利要求5所述的静电放电薄片(10)，其特征在于，所述产生的薄片(11)具有作为衬背附着的透明聚合物薄片。 

8.根据权利要求5所述的静电放电薄片(10)，其特征在于，所述产生的薄片(11)具有在全部硫化以后移除的透明聚合物薄片(13)。 

9.根据权利要求5所述的静电放电薄片(10)，其特征在于，所述产生的薄片(11)在静电放电敏感组装环境中用作地毯。 

10.根据权利要求5所述的静电放电薄片(10)，其特征在于，所述产生的薄片(11)在静电放电地板带、泡沫垫或丙烯酸薄片的制作中用作基材。 

11.根据权利要求5所述的静电放电薄片(10)，其特征在于，所述产生的薄片(11)用作在不同类型的基底上层压。 

12.根据权利要求5所述的静电放电薄片(10)，其特征在于，在硫化之前，将多个产生的薄片(10)堆叠到一起以形成各个厚度的嵌片。 

13.根据权利要求5所述的静电放电薄片(10)，其特征在于，在硫化之前，将多个产生的薄片(10)盘绕以形成各个厚度大小的圆柱杆。 

14.一种生产静电放电薄片(10)的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤： 

处理导电薄片(11)，所述导电薄片(11)由纤维素纸或多孔纤维薄片组成，所述纤维素纤维或多孔纤维薄片采用碳纳米管溶液处理以获得期望的导电性； 

通过渗透或浸透作用浸渍控制量的热固树脂材料(13)到所述导电薄片(11)以形成透明聚合物薄片其中浸渍步骤包括将所述热固树脂材料(13)从纤维素纸或多孔纤维薄片的顶部表面向下浸渍到其底部表面；渗透过程包括所述热固树脂材料(13)从所述纤维素纸或多孔纤维薄片的底部向上分散到其表面。 

15.根据权利要求14所述方法，其特征在于，所述导电薄片(11)是由将所述导电薄片(11)通过在按控制比例和浓度的良好分散的碳纳米管溶液中浸透来处理的。 

16.根据权利要求14所述方法，其特征在于，所述导电薄片(11)通过印刷、覆盖或刷涂采用碳纳米管溶液处理。 

17.根据权利要求14所述方法，其特征在于，所述方法进一步包括层压所述生产的静电放电薄片(10)到各个类型的基底上的步骤。 

18.根据权利要求14所述方法，其特征在于，所述方法进一步包括在硫化之前堆叠多个生产的静电放电薄片(10)以形成不同厚度的嵌片的步骤。 

19.根据权利要求14所述方法，其特征在于，所述方法进一步包括将多个生产的静电放电薄片(10)盘绕以形成不同大小的圆柱杆。