I materiali polimerici conduttivi

I polimeri sono materiali intrinsecamente isolanti elettrici. Tuttavia il mercato delle materie plastiche richiede prodotti conduttivi per una serie di applicazioni quali, ad esempio, la schermatura contro interferenze elettromagnetiche (EMI o RFI) o dissipazione elettrostatica (ESD). Per attribuire alle materie plastiche le proprietà elettriche richieste è necessario modificarle tramite l’aggiunta di cariche specifiche. I materiali polimerici compositi conduttivi, quindi, sono il risultato di un processo di miscelazione di cariche conduttive disperse in matrici polimeriche isolanti.

Sulla base delle applicazioni è possibile suddividere il mercato delle materie plastiche conduttive in relazione alle richieste in termini di prestazioni:

• antistaticità (es. per prevenire l’attrazione di polvere sugli schermi) – resistività 10⁶-10¹¹ cm
• schermo alle interferenze elettromagnetiche (EMI / RFI) (es. nella manipolazione di chip) o per dissipare cariche elettrostatiche (ESD) (es. in sistemi potenzialmente esplosivi) – resistività 10² – 10⁴ cm

Il mercato richiede materiali polimerici conduttivi per sfruttare le ben note caratteristiche delle materie plastiche, cioè una combinazione di bassa densità (i.e. basso peso dei manufatti), facilità di formatura, ampio spettro di caratteristiche meccaniche e costi relativamente contenuti. In molte applicazioni le materie plastiche conduttive devono abbinare alle caratteristiche elettriche e meccaniche una certa classe di reazione al fuoco, come richiesto dalle normative vigenti in settori quali, ad esempio, l’elettronica, l’automotive, etc.

Le caratteristiche conduttive, cosi come le proprietà meccaniche, dei materiali polimerici dipendono molto dalla scelta dei filler conduttivi e da come questi sono stati dispersi nella matrice.

Allo stato dell’arte sono da tempo disponibili sul mercato cariche che modificano le proprietà elettriche dei polimeri.

Riportiamo di seguito una breve panoramica di questi importanti prodotti:

• Carbon black, ha l’aspetto di una fine polvere nera ed è costituito essenzialmente da carbonio. La maggior parte del carbon black prodotto viene utilizzato come riempitivo nelle gomme usate negli pneumatici. Il carbon black presenta conducibilità elettrica e viene quindi anche utilizzato come filler nella produzione di plastiche conduttrici. Esistono diverse tipologie di prodotti commerciali a base di carbon black, con proprietà e prezzi variabili (e.g. purezza, dimensione media delle particelle, etc.)
• Grafite, composta da atomi di carbonio aggregati in strutture planari costituite da celle esagonali. La peculiare struttura della grafite consente il passaggio di elettroni, quindi la conducibilità elettrica. La grafite, inoltre, impartisce al materiale proprietà quali l’autolubrificazione e la conducibilità termica
• Fibre di carbonio, sono composte da almeno il 92% in peso di carbonio. Vengono utilizzate soprattutto come fibre di rinforzo nei materiali polimerici grazie ad una buona combinazione di resistenza, rigidità e densità, inoltre essendo conduttrici vengono impiegate per impartire conducibilità elettrica e termica al composito
• Nanotubi di carbonio. La struttura di base è costituita da un piano di grafite (grafene) arrotolato su se stesso. Questa struttura fa si che i nanotubi di carbonio siano caratterizzati da una forte anisotropicità delle loro proprietà meccaniche e di conducibilità termica ed elettrica. La quantità di carica necessaria ad ottenere una conducibilità soddisfacente del composito rispetto, ad esempio, al carbon black, è nettamente più bassa, circa un ordine di grandezza in meno
• Microfibre o particelle metalliche, sono utilizzate soprattutto per attribuire al materiale bassi valori di resistività per una riduzione EMI per dissipazione e assorbimento, pur mantenendo un peso specifico del materiale relativamente contenuto.

La quantità di carica necessaria a raggiungere i livelli di conducibilità elettrica desiderata varia da un additivo all’altro e dipende dal fattore di forma, dal rapporto volume/superficie, dal grado di dispersione ottenuta nella matrice polimerica e dai valori di conducibilità elettrica, peculiari per ciascuna tipologia di carica. Il costo e le prestazioni del materiale dipenderanno, quindi, dalla di carica scelta e dalla qualità della dispersione ottenuta nel processo di miscelazione.

Le cariche conduttive, spesso additavate in percentuali relativamente alte (es. 10-30 % in peso), influenzano anche altre importanti proprietà del materiale, modificando, ad esempio, la rigidità, la resistenza all’impatto, la resistenza all’abrasione, etc. Purtroppo l’impatto sulle proprietà meccaniche del polimero non è sempre positivo: il raggiungimento di determinate proprietà elettriche può quindi andare a detrimento di altre caratteristiche del materiale. Si aggiunga che molte delle cariche summenzionate impartisce al materiale la colorazione nera. Questi inconvenienti, sebbene limitino il campo di applicazione di tali materiai, non hanno impedito lo sviluppo di un loro mercato, in forte crescita in tutto il mondo. Per contro, questo campo applicativo è oggetto di una intensa attività di ricerca orientata allo sviluppo di materiali compositi polimerici conduttivi sempre più performanti.

Per approfondire: Special Chem (in inglese)

Andrea Castrovinci
PhD – www.icimsi.ch

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