Le plastiche di base sono elettricamente isolanti, ma con gli additivi adeguati possono diventare conduttive. La plastica elettricamente conduttiva può essere utilizzata per sostituire i componenti metallici e migliorare la sostenibilità in diverse aree della costruzione dei connettori. Richiedono meno energia per la fabbricazione e sono più leggeri, riducendo il peso del sistema, una considerazione molto importante in applicazioni come i veicoli elettrici (EV). Il loro peso più leggero riduce anche le emissioni di gas serra associate ai trasporti e alla logistica.
Queste domande frequenti esaminano i tre livelli di conduttività presenti nella plastica, tra cui la protezione antistatica, la protezione dalle scariche elettrostatiche (ESD) e la schermatura dalle interferenze elettromagnetiche (EMI). Successivamente esamina come è possibile fabbricare la plastica elettricamente conduttiva utilizzando nerofumo, fibre di carbonio, nanotubi di carbonio (CNT) e particelle metalliche, l'uso della microtomografia ALS per ottimizzare la fabbricazione di plastica conduttiva e chiude con un confronto delle prestazioni di schermatura EMI di plastica conduttiva rispetto alla schermatura metallica convenzionale.
Una resistività superficiale maggiore di 1014 Ohm-cm è considerato un isolante. I tre livelli di resistività nelle plastiche conduttive sono:
- 1012 a 106 Ohm-cm, utilizzato per la protezione antistatica,
- 106 a 104 Ohm-cm, utilizzato per la protezione ESD e
- Sotto 104 Ohm-cm, utilizzato per la schermatura EMI.
Gli additivi sterati come il pentaeritritolo tetrastearato (PETS), chiamato anche estere nitrato di pentaeritritolo, vengono generalmente utilizzati per fornire protezione antistatica. La produzione di plastica conduttiva comporta compromessi tra costo, conduttività, resistenza meccanica e lavorabilità del materiale. Oltre agli additivi sterati, altri additivi vanno dal nerofumo alle particelle metalliche.
Il nerofumo è economico e ampiamente utilizzato per creare plastiche conduttive per la protezione antistatica e la schermatura EMI a prestazioni inferiori.
Le fibre di carbonio sono più conduttive del nerofumo e aggiungono resistenza meccanica. Producono plastica conduttiva leggera utilizzata per componenti strutturali nelle applicazioni automobilistiche e aerospaziali.
I CNT vengono utilizzati per produrre plastica conduttiva con proprietà antistatiche e di schermatura EMI per componenti elettronici come sensori e attuatori.
Particelle metalliche finemente disperse come argento o rame vengono utilizzate anche per produrre plastiche conduttive. Queste plastiche hanno una conduttività elettrica più elevata rispetto ai riempitivi a base di carbonio e vengono utilizzate per fornire schermatura EMI per connettori e alloggiamenti per dispositivi elettronici.
L'elaborazione è importante
La lavorazione della plastica riempita con particelle metalliche disperse ha un grande impatto sulle prestazioni. Gli scienziati hanno utilizzato la microtomografia con sorgente luminosa avanzata (ALS) per studiare la fabbricazione di plastica con particelle metalliche finemente disperse. Il sistema ALS combina un altissimo flusso di raggi X e luce infrarossa per catturare immagini tridimensionali della struttura interna di un materiale con risoluzione nanometrica o micrometrica.
In un esperimento, gli scienziati hanno costruito uno speciale stadio di riscaldamento sulla linea di luce ALS in modo da poter osservare la plastica conduttiva a varie temperature. Prima della ricottura, i componenti stampati ad iniezione presentavano una scarsa conduttività. Durante la ricottura, le particelle di rame e stagno nel campione sono state ridistribuite e la conduttività elettrica è notevolmente migliorata. Comprendere come la ricottura migliora la conduttività supporterà il miglioramento dei processi di fabbricazione (Figure 1 ).
Flessibilità e sostenibilità
Oltre a migliorare la sostenibilità, le plastiche conduttive supportano una maggiore flessibilità nella progettazione dei connettori. Per applicazioni come i sistemi automobilistici, la plastica conduttiva può fornire stabilità ambientale, riciclabilità, risparmio di peso ed elevate prestazioni meccaniche. La plastica conduttiva può anche supportare i fattori di forma ridotti e le geometrie complesse necessarie per i connettori nelle applicazioni di elaborazione dati e comunicazione.
È possibile utilizzare plastiche diverse per supportare specifici requisiti di rapporto costo-prestazioni e la concentrazione dei riempitivi metallici può essere regolata con precisione per fornire il livello di schermatura necessario. L'utilizzo della plastica convenzionale richiede l'aggiunta di uno schermo metallico mediante deposizione, placcatura, stampaggio o altre opzioni di fabbricazione che aggiungono complessità e costi.
Quanto sono buoni gli schermi antiemissione in plastica conduttiva?
La schermatura EMI in plastica conduttiva può fornire livelli di prestazioni paragonabili alla schermatura metallica se viene utilizzata la plastica giusta. Ad esempio, la perdita di inserzione e le prestazioni di diafonia di due plastiche conduttive sono state confrontate con componenti metallici. Gli alloggiamenti in plastica hanno dimostrato prestazioni quasi identiche alla parte metallica (Figure 2
).
Sommario
Le plastiche conduttive contribuiscono alla sostenibilità poiché richiedono meno energia per la produzione e determinano una schermatura più leggera rispetto alle opzioni di schermatura a base metallica. Regolando con precisione la densità delle particelle metalliche disperse nella plastica e controllando il processo di ricottura, è possibile controllare le prestazioni di schermatura EMI. Può essere paragonabile alla schermatura fornita dai progetti a base metallica pura.
Riferimenti
Realizzazione di prodotti più leggeri e meno costosi con plastica conduttiva, TE Connectivity
Contatti per compositi polimerici elettricamente conduttivi, Fraunhofer
Esplorando il regno della plastica elettricamente conduttiva, Jamcor
Approfondimenti sulle plastiche conduttive, moderne dispersioni
TE Connectivity utilizza l'ALS per migliorare la plastica conduttiva, Berkeley Lab