论文导电涂料1

1、 导电涂料一概念应用新型功能材料的研发技术是衡量一个国家生产力发展水平的因素之一,它可以影响电子、航空航天、通信等诸多领域的发展,导电材料就是其中之一导电涂料是指涂于非导电体底材上，使之具有一定的传导电流和消散静电荷能力的功能性涂料。导电涂料由于其特殊的功能,可用于消除静电、电磁屏蔽、电加热和防腐蚀，在现代电子、建筑、运输和军事等各个领域得到了广泛应用。诺贝尔化学奖授予Alan J Heeger、Alan G Macdiar和HidekiShrakawa这三位科学家在20世纪70年代末对导电聚合物的研究。他们合作发现,反式聚乙炔用少量碘掺杂后显现的导电性为普通聚合物的几千万倍，并开发了如聚苯胺

2、、聚唾吩、聚亚乙烯基苯和聚二烷基药。目前,一些工业发达的国家都在开发导电涂料,其中日本和美国在这方面起步较早,研制的大多数产品是镍粉、铜粉、银粉以及炭黑等填充的导电涂料。导电涂料作为导电使用的涂层,在电子工业、建筑工业以及航空技术等方面都具有重要的实用价值。本文主要综述了本征型导电涂料和掺杂型导电涂料的研究进展。二分类，组成，性质2.1导电涂料按其组成及导电机理可分为两大类:掺合型导电涂料和本征型导电涂料。2.2掺合型导电涂料是在绝缘高聚物中掺入金属微粒使高聚物具有导电性能，这种导电性能并非高聚物固有的特性，其导电过程是靠掺入的导电微粒提供自由电子载流子来实现的，如石墨、炭黑、金属等。它既具有

3、导电功能,同时又具有高分子聚合物的许多优异特性,可以在较大范围内根据使用需要调节涂料的电学和力学性能,并且成本较低,简单易行,因而获得较为广泛的应用。掺杂型导电涂料由高分子聚合物、导电填料、溶剂及助剂等组成。常用的导电填料有金属系填料、碳系填料、金属氧化物系填料、复合填料、新型纳米导电填料等。2.3本征型导电涂料是指以本征型导电聚合物为成膜物质所制成的导电涂料。目前,导电高分子用于导电涂料的制备方法大多集中在直接利用导电高分子作成膜树脂、导电高分子与其他树脂混合使用、导电高分子材料作为导电填料使用等方面,其中最典型的代表有聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚喹啉等是目前较为活跃的一个研究领域,而研究较多

4、的是聚苯胺与聚吡咯。三成膜物及颜填料具备的特性3.1掺杂型导电涂料基本机理掺合型导电机理一般可分为导电回路如何形成以及回路形成后如何导电两个方面。在1972年，F Butch提出了复合型导电高聚物的导电无限网链理论，该理论认为在含有金属微粒的高聚物体系,当金属微粒的浓度达到某一临界值(亦称为导电填料在该基体内的临界浓度)后,体系内的金属微粒便会“列队”形成一个导电无限网链,导电微粒的“列队”作用就如同桥的作用,使自由电子载流子从高聚物的这一端经过桥达到另一端,从而使绝缘体变成了半导体或导体,其导电性取决于涂层中由金属微粒构成的导电网链质量的优劣。热力学理论认为,合成树脂基体与导电填料之间的界面

5、效应对掺合体系中导电回路的形成有很大影响。在导电涂料制备过程中导电填料粒子的自由表面变成湿润的界面,在基体与填料之间形成了界面层,体系产生了界面能过剩.随着导电填料的增加,界面能过剩不断增大,因此,导电填料的临界浓度是一个与体系界面能有关的参数。当体系界面能过剩达到一定程度,导电粒子开始形成导电网络,宏观上表现为体系的电阻率突降。此理论能很好地解释碳黑填料的导电涂料的导电性能.形成导电回路后如何导电主要涉及电子传输问题.掺合型导电涂料的导电机理是导电通道、隧道效应、场致发射三种机理相互竞争的结果。导电通道机理是由于涂层中的部分导电粒子能够相互接触而形成链状导电通道,使复合材料得以导电. 添加较

6、多的导电填料条件下,主要是导电通道起主要作用。隧道效应与场致发射机理认为,涂层导电不是靠导电粒子直接接触导电,而是由于热振动或内部电场作用使电子在粒子间迁移而形成电流。在低导电填料含量,低外加电压下, 导电粒子的间距较大,形成链状导电通道的几率较小,此时隧道效应起主要作用; 在低导电填料含量,高外加电压下,此时导电粒子间的内部电场很强,电子将有很大的几率飞跃树脂界面层而跃迁到相邻导电粒子上产生电流,即场致发射机理起主要作用。3.2成膜物及填料具备的特性（以石墨导电涂料为例）石墨是一种高导电层状材料,将其作为导电填料,并与导电聚合物复合可制备出导电性能优良的聚合物基复合材料。石墨涂料以其良好的导

7、电性、低廉的价格及操作工艺简单的特点,在彩管玻壳内外涂敷方面具有不可替代的位置。为使涂料涂层有良好的导电性,须经深加工制备高纯超微细石墨,才能满足需要。天然石墨的晶体结构可分为晶质(鳞片状)和隐晶质(土状)两种。在高倍镜下观察,鳞片石墨制成的涂片,石墨粒子之间相互重叠,粒子间无空隙,因此导电性能好;土状石墨粒子间虽排列紧密,但粒子外形很不规则,表面粗糙,与鳞片石墨相比导电性稍差,但仍可满足低阻内导电石墨涂料的要求。近年来,随着纳米技术的发展,将石墨纳米材料与基体复合制得导电高分子材料正日益兴起；膨胀石墨作为新型导电填料,具有导电性好、摩擦损耗小、污染小等优点,而且膨胀石墨的加入可以大大提高高分

8、子材料的导电性,降低其导电渗域滤值,因此在防静电涂料及导电高分子复合材料中具有重要的应用价值。导电填料的形状对材料的导电性能有较大影响,一般认为导电粒子呈片状较好,球状较差。因为片状粒子面接触较多,形成导电通道的几率大,而球状粒子之间是点接触,形成导电通道的几率要小得多。王恒飞等研制了以石墨为导电填料,苯丙乳液为基料的水性涂料。分析了石墨、水的用量、固化温度与体积电阻率的关系以及涂层电阻与温度的关系。结果表明：石墨质量分数在14%20%,水质量分数在55%65%,固化温度为70 时,涂料的导电性能最好,电阻率为0.25 cm。3.3本征型导电涂料基本机理本征型导电涂料是以导电高聚物为基本成膜物

9、质,以高聚物自身的导电功能使涂层导电,导电高聚物是指自身结构或经过“掺杂”少量“杂质”之后具有一定导电功能的高聚物。掺杂的目的是在聚合物结构中引入比较易于流动的载流子,只有共轭高聚物才能制成这类导电涂料的基本成膜物质,其导电性可用电导率来度量R = neL。式中R- 电导率; n- 载流子浓度; e- 载流子所带电荷; L- 载流子的迁移率。导电机理按照量子力学观点，具有本征导电性的聚合物必须具备两个条件:第一，大分子的分子轨道能强烈的“离域”;第二，大分子的分子轨道间能相互混合(重叠)。对于共扼链聚合物，本身产生载流子(电子和空穴)，显示出奇特的电性能:光电压效应、光导效应、形成整流结等。对

10、于非共扼链高聚物，若分子间的电子轨道能互相重迭，或具有电子施主一受主体系，也产生载流子和输送载流子，显示出本征导电性。导电性可用电导率来度量。3.4成膜物及填料具备的特性（以聚吡咯为例）聚吡咯(P P y)是一种具有广泛应用前景的导电高分子材料,吡咯(P y)单体在氧化剂的存在下能比较迅速地氧化聚合成PPy,但纯PPy即不经过掺杂时其导电性较差。只有经过合适掺杂剂掺杂后才能表现出较好的导电性,导电聚吡咯的两种掺杂结构如图1所示。尚秀丽等采用相分离原位聚合法在醋酸纤维素(C A)基体中合成聚吡咯(P P y)可制成均匀的P P y/C A导电复合薄膜,成膜后朝向玻璃的膜面(反面)是绝缘的,而朝向

11、溶液的膜面(正面)却是导电的。膜中吡咯/醋酸纤维素的投料比为0.091时,导电复合膜的表面电阻约为20 /c。 四配方及工艺（以水性导电涂料为例）4.1基料树脂的选择 基料树脂必须能使制备的导电涂料具有一般涂料的性能,如成膜性、附着力、耐久性等。此外,基料树脂还应对导电填料具有一定的亲和性和润湿性。在导电涂料常用的基料树脂中,以丙烯酸和聚氨酯两类树脂的综合性能较好,使用较多。尤其是丙烯酸树脂,它在不同基材表面均具有良好的附着力和较高的硬度,且其耐热性、耐候性、耐化学品性及防水性均属上乘。本实验采用不同类型的丙烯酸树脂混合基料,并对其进行改性 ,使之能够更好地发挥基料树脂的作用。 4.2导电填料

12、的选择 导电填料是导电涂料的重要组成部分。常用的导电填料包括金属系填料、炭系填料、金属氧化物系填料以及复合填料等。 金属系填料主要有银粉、镍粉和铜粉等。其中银粉的化学稳定性好,导电性高,但价格昂贵,使用受到限制。铜粉的导电性好,价格低廉,但铜粉的抗氧化性较差, 在制备导电涂料过程中,为了防止铜粉的氧化及保持稳定的导电性,一般采用抗氧化剂对铜粉进行处理,或用较不活泼的金属( 如 Al 、Sn 等 ) 包覆铜粉。镍粉价格适中,性能也比较稳定,应用较为广泛。金属系导电填料的比重大,大量添加时易沉底结块,不便于施工。超细石墨、高结构炭黑等炭系填料,虽然导电性不很高,但能满足防静电要求,如用量得当,对涂

13、料物理性能的影响不大。炭黑的粒子越小,表面积越大,导电性越好。通常情况下,炭黑的吸油量越大,炭黑中的氢含量、氧含量、挥发分、灰分和含水量越低,则其导电性越好。一些高结构的炭黑, 如乙炔炭黑,其粒子链和网络能形成导电性配合体,因此导电性较好。炭黑的表面状态也影响着炭黑的导电性,如炉法炭黑,其表面往往吸附了一层含氧络合物, 这些挥发分会导致炭黑导电性的降低。4.3导电涂料的制备 制备导电涂料时,所用的涂料基料应具有相同的配比,只是每种涂料中的炭黑含量有所不同。为了便于操作,先分别制备足量的水性或溶剂型涂料用的混合树脂基料:分别按照配方的质量配比,称取所需的原料;将原料混合,用砂磨机充分研磨使其分散

14、均匀,分别制得水性涂料或溶剂型涂料用基料;配制涂料时,称取一定量混合基料,按某质量配比称取炭黑,倒入混合基料;将混合物充分搅拌 1 h ,用砂磨机研磨使其均匀分散,即制得某一配比的含炭黑的导电涂料。将该涂料保存, 测试其性能;取不同的炭黑比例重复以上步骤,制得多组导电涂料试样,并分别进行编号。五导电涂料的性能测试 5.1涂膜的表面电阻测定将制得的导电涂料均匀涂布于铜版纸上,在空气中自然干燥即可形成导电涂层。采用环形同轴表面电阻测定仪(天津材料试验机厂生产) 测定涂层的表面电阻值, 按下式计算其表面电阻率 : s = R s 2 / ln (D 2 / D 1 ) R s 81 . 641 式中

15、 : s 表面电阻率 ( ); Rs 表面电阻 ( ); D 1 = 50 cm ;D 2 = 54 cm 。 所得的导电涂料经多次测定得到如下结果: 第一组 : 炭黑浓度不同的水性导电涂料的表面电阻及电阻率分别见表 1 和表 2 , 其对应的炭黑浓度 - 涂层电阻率曲线分别见图 1 和图 2 。表 1 炭黑浓度不同的水性涂料的表面电阻及电阻率 ( 炭黑浓度 10 %) 表 2 炭黑浓度不同的水性涂料的表面电阻及电阻率 ( 炭黑浓度 10 %) 图 1 不同炭黑浓度的水性导电涂料的表面电阻率 图 2 不同炭黑浓度的水性导电涂料的表面电阻率空白试样的表面电阻及表面电阻率值分别为 1 . 6 10

16、 8 、1 . 3 10 11 ,其值远高于相应的含炭黑导电涂料的值。第二组 : 炭黑浓度不同的溶剂型导电涂料的电阻及电阻率值见表 3 。其对应的炭黑浓度 - 涂层表面电阻率曲线分别见图 3 、图 4 。 表 3 炭黑浓度不同的溶剂型涂料的表面电阻及电阻率 图 3 不同炭黑浓度的溶剂型导电涂料 1 的表面电阻率 图 4 不同炭黑浓度的溶剂型导电涂料 2 的表面电阻率5.2导电涂料的粘度测定 采用天津市材料试验机厂生产的QNX 旋转式粘度计测定涂料的粘度, 不同炭黑浓度的水性涂料的粘度测定。 六 引用文献导电涂料的原理反其军事应用吴晓森 张学鹜 吴文健(国防科技大学航天与材料工程学院，长沙41(

17、X)73)导电涂料的研究进展杜新胜 焦宏宇(中国石油兰州石化公司研究院,兰州 730060)水性导电涂料的配方设计 韩永生 邓红艳 ( 天津轻工学院 ,300222) 导电涂料的研究现状及发展趋势陈立军 张心亚 陈焕钦 (华南理工大学化学工程研究所, 广州, 510640)导电涂料的研究及进展杜仕国 军械工程学院,石家庄,导电涂料的应用探素陆文明 袁兴 中化建常州涂料化工研究院 ,导电材料的分类及其在涂料中的应用李达 刘金库 ( 华东理工大学化学系， 上海 200237)导电涂料的研制袁艳 姚淑霞 郝建军 导电涂料性能的研究邓安平 杜恒清 陈世山 哈正欣导电涂料的导电机理吕月仙醇酸树脂铜粉复合导电涂料的研制杜仕国 闫军 张同来塑