导电粉末涂料的制备和性能研究

       0 引言

       一般情况下粉末涂层呈绝缘特性（电阻一般>1012Ω），但在一些特殊应用领域，如矿井管道的涂装，要求涂层具有优异的导电性，通常要求其表面电阻≤ 106Ω。

       以银、铜、镍等为填料的金属系导电涂料，具有导电性高、屏蔽性能好等优点，但其存在填充量大、抗氧化性差、成本高等缺点。与之相比，炭系导电填料具有导电性能好、性能稳定、来源广泛、价格低廉等优点，炭系导电涂料以其优良的导电、导热、防腐等性能，广泛用于国防、电子、石油化工等行业。但炭系导电涂料存在导电炭黑填充量大、分散不均、吸油量大、只能配制黑色涂层等问题。有机导电剂既能克服金属系导电填料的缺点，又能克服炭系导电填料的缺点，近年来开始受到广泛关注。本研究利用导电炭黑、有机导电剂为导电成分，以纯环氧、环氧/ 聚酯、纯聚酯为基料树脂，制备多种体系的导电粉末涂料。研究导电炭黑、有机导电剂等对涂层表面电阻等性能的影响，为导电粉末涂料的推广应用积累基础。

 

       1 试验部分

       1.1 原材料

       环氧树脂，国都化学；环氧/ 聚酯、纯聚酯树脂，安徽神剑；环氧固化剂，南海化学；TGIC（异氰脲酸三缩水甘油酯），黄山华惠；导电炭黑，卡博特；有机导电剂，自制；流平剂，Estron ；硫酸钡，矽比科。

       1.2 导电涂料的制备

       称取树脂及固化剂600 g、填料350 g、有机导电剂及其它助剂，在高速混合机中混合5 min，混合后的物料经过35 平行双螺杆挤出机挤出，压辊压片，破碎，磨粉，120 目过筛。

       1.3 性能测试

       通过静电喷涂方式将制得的导电粉末涂料喷涂在钢板或钢管上，并在200℃烘箱中烘烤10 min，从烘箱中取出样板进行以下性能测试。

       电阻：采用电阻计，按照MT 181—1988《煤矿井下用塑料安全性能检验规范》进行检测。

       水煮附着力：采用高温水箱，按照CJ/T 120—2008《给水涂塑复合钢管》进行检测。

       耐冲击性：采用冲击仪，按照HG/T 2006—2006《热固性粉末涂料》进行检测。

 

       2 结果与讨论

       2.1 基料树脂对涂层导电性的影响

       研究纯环氧、环氧/ 聚酯、纯聚酯基料树脂中不同炭黑用量对涂层表面电阻的影响，结果见图1。

       由图1 可见：纯环氧体系中，当导电炭黑用量<3%时，随其用量的增加，电阻迅速下降；而当导电炭黑用量>3% 时，涂层电阻变化趋缓。环氧/ 聚酯、纯聚酯体系中也呈现出相似的趋势。这是因为在炭黑填充的涂层中，只有当导电粒子填充量达到某一特定值（绝缘性聚合物的堆积密度小到一定值）时，电流才能通过，涂层才具有导电性，此特定值称为渗流临界值。在导电填料体积分数小于渗流临界值时，载流子流通的通道完全被绝缘性聚合物所阻断，此时，涂层的电阻基本上是绝缘性聚合物的电阻；当导电填料的体积分数达到渗流临界值时，导电粒子相互接触而导通。这种导电机理称为渗流作用，即导电粒子相互接触而产生的导电作用。在纯环氧体系中，当导电炭黑用量<3% 时，导电炭黑所占体积分数较小，载流子流通的通道被绝缘性的环氧树脂阻断，电阻很大；当导电炭黑用量≥ 3% 时，导电炭黑相互接触，载流子流通的通道连通，电阻迅速下降。所以，纯环氧体系的渗流临界值为3%。

       环氧/ 聚酯、纯聚酯体系的渗流临界值约为1.5%，为纯环氧体系的一半。这是因为导电涂料成膜后，导电粒子或粒子团之间必定包裹有聚合物，当两个导电粒子之间聚合物薄层（非导电层）<10 nm 时，在电场作用下，电子就能越过很低的势垒而流动，这种导电机理称为隧道效应。环氧/ 聚酯、纯聚酯涂层中含有大量极性非常强的酯键，降低了聚合物薄层的势垒，便于电子通过。从另一方面讲，这也降低了炭黑的渗流临界值。因此，环氧/ 聚酯、纯聚酯体系的导电是渗流作用和隧道效应综合作用的结果。

       2.2 导电炭黑对涂层性能的影响

       1#、2#、3# 三种导电炭黑的特性见表1。

       由表2 可见：导电炭黑的性能对涂层的外观、导电性、机械性能影响很大。炭黑的吸油值越大，涂层的流平性和机械性能越差。导电炭黑的生产方法不同，其导电性也不同。1#、2# 导电炭黑制得涂层的导电性、机械性能和外观均较好，但2# 导电炭黑的成本更低，涂层的外观和水煮附着力均在标准范围内，因此，选择2# 导电炭黑较为理想。

       2.3 有机导电剂在粉末涂料中的应用

       导电炭黑吸油量大，影响涂层的机械性能和附着力；炭黑填充量大，难以挤出，且分散不均匀；另外，导电炭黑只能制备黑色涂料，颜色单一，难以满足装饰性要求。

       研制了一种新型有机导电剂，它可以在一定程度上解决导电炭黑存在的问题。不同导电填料组合对涂层性能的影响见表3。

       由表3 可见：由于有机导电剂中含有特定的极性基团，便于载流子流动，具有良好的导电性；有机导电剂和导电炭黑具有协同效应，可有效降低涂层的电阻；采用有机导电剂可制得浅色涂层，使得涂层具有更好的装饰性。

       2.4 有机导电剂在纹理型粉末涂料中的应用

       为了使得涂层具有更好的装饰性，粉末涂料通常有砂纹、锤纹、平面等外观，表4 中列出了有机导电剂在各种纹理型粉末涂料中的应用试验结果。

       由表4 可见：有机导电剂可用于平面、砂纹、锤纹3 种常见纹理型粉末涂料中，并且涂层的电阻变化不大。

 

       3 结语

       （1） 环氧/ 聚酯、纯聚酯体系比纯环氧体系具有更好的导电性，且导电炭黑用量少；

       （2） 导电炭黑对涂层的机械性能和导电性影响很大，2# 导电炭黑制备的涂层具有更好的导电性能和机械性能；

       （3） 有机导电剂用于粉末涂料中具有良好的导电性，它与导电炭黑具有协同作用；

       （4）有机导电剂可用于制备平面、砂纹、锤纹等常见的纹理型粉末涂料，所得的涂层具有良好的导电性。