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摘要

 

摘要：闡述了導(dǎo)電炭黑、導(dǎo)電劑在環(huán)氧、環(huán)氧/聚酯、純聚酯體系粉末涂料中的導(dǎo)電機(jī)理，考察了不同體系中導(dǎo)電炭黑的臨界添加量，結(jié)合實(shí)際配方試驗(yàn)研究了防止導(dǎo)電粉末電阻衰退的方法。

 

引言

 

涂料的應(yīng)用環(huán)境決定涂料應(yīng)該具有的性能。電子領(lǐng)域用的涂料要求具有優(yōu)異的絕緣性能，而在礦井管道等安全生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用的涂料要求具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能，通常要求表面電阻≤106Ω，而且涂層的電阻不能隨著涂層使用時(shí)間的延長(zhǎng)而出現(xiàn)增大現(xiàn)象。

 

銀、銅、鎳等為填料的金屬系導(dǎo)電涂料，具有導(dǎo)電性高、屏蔽效能好等優(yōu)點(diǎn)，但存在填充量大、抗氧化性差、成本高等缺點(diǎn)。與之相比，碳系導(dǎo)電填料具有導(dǎo)電性能好、性能穩(wěn)定、來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，碳系導(dǎo)電涂料以其優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、防腐等性能，廣泛應(yīng)用于化學(xué)、國(guó)防、電子、石油化工等行業(yè)。但碳系導(dǎo)電涂料存在導(dǎo)電炭黑填充量大、分散不均、吸油量大、只能做黑色涂層等問(wèn)題，最近出現(xiàn)用導(dǎo)電劑來(lái)提高導(dǎo)電性能。

 

本文闡述了導(dǎo)電炭黑、導(dǎo)電劑在環(huán)氧、環(huán)氧/聚酯、純聚酯體系中的導(dǎo)電機(jī)理，考察了表面電阻≤106Ω時(shí)炭黑用量，以及防止導(dǎo)電粉末電阻衰退的方法。

 

1 試驗(yàn)部分

 

1.1 試驗(yàn)原材料

 

樹(shù)脂：E-12、戶(hù)內(nèi)聚酯、戶(hù)外聚酯；固化劑：酚類(lèi)固化劑、雙氰胺、TGIC；導(dǎo)電劑：導(dǎo)電炭黑1#、導(dǎo)電炭黑2#、導(dǎo)電炭黑3#、導(dǎo)電炭黑4#、液體導(dǎo)電劑；其他助劑：流平劑、脫氣劑、填料、電阻改性劑。

 

1.2 試驗(yàn)及檢測(cè)設(shè)備

 

平行雙螺桿擠出機(jī)、沖擊試驗(yàn)儀、電阻計(jì)。

 

1.3 試驗(yàn)工藝

 

稱(chēng)料→混合→擠出→磨粉→140目過(guò)篩→噴涂→性能測(cè)試。

 

1.4 性能檢測(cè)

 

導(dǎo)電涂料性能檢測(cè)見(jiàn)表1。

 

 

涂料的問(wèn)題及優(yōu)勢(shì)

 

2 結(jié)果與討論

 

2.1 純環(huán)氧體系導(dǎo)電機(jī)理

 

在導(dǎo)電填料填充的涂層中，只有當(dāng)導(dǎo)電粒子填充量達(dá)到某一特定值(絕緣性聚合物的堆積密度小到一定值)時(shí)，電流才能通過(guò)，涂層才具有導(dǎo)電性能，此特定值稱(chēng)為滲流臨界值。在導(dǎo)電填料體積分?jǐn)?shù)小于滲流臨界值時(shí)，載流子流通的通道完全被絕緣性聚合物阻斷。此時(shí)，涂層的電阻基本上是絕緣性聚合物的電阻。當(dāng)導(dǎo)電填料的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到滲流臨界值時(shí)，此時(shí)導(dǎo)電粒子相互接觸而導(dǎo)通。這種導(dǎo)電機(jī)理稱(chēng)為滲流作用，滲流作用就是導(dǎo)電粒子相互接觸而產(chǎn)生的導(dǎo)電作用。

 

根據(jù)圖1，純環(huán)氧體系中，當(dāng)導(dǎo)電炭黑量＜3%時(shí)，導(dǎo)電炭黑所占體積分?jǐn)?shù)小，載流子流通的通道被絕緣性的環(huán)氧樹(shù)脂阻斷，電阻很大。當(dāng)導(dǎo)電炭黑量≥3%時(shí)，導(dǎo)電炭黑相互接觸，載流子流通的通道沒(méi)有被環(huán)氧樹(shù)脂阻斷，電阻迅速下降。因此，在純環(huán)氧體系中，3%為滲流臨界值的導(dǎo)電炭黑量。

 

 

2.2 環(huán)氧/聚酯、純聚酯體系導(dǎo)電機(jī)理

 

環(huán)氧/聚酯體系和純聚酯體系中炭黑用量對(duì)涂層電阻的影響分別見(jiàn)圖2和圖3。

 

 

根據(jù)圖2和圖3，環(huán)氧/聚酯、純聚酯體系的滲流臨界值為1.5%，為純環(huán)氧體系的一半。

 

導(dǎo)電涂料成膜后導(dǎo)電粒子或粒子團(tuán)之間必定有聚合物包裹，當(dāng)兩個(gè)導(dǎo)電粒子之間聚合物薄層(非導(dǎo)電層)＜約10nm時(shí)，在電場(chǎng)作用下，電子就能越過(guò)很低的勢(shì)壘而流動(dòng)，這種導(dǎo)電機(jī)理稱(chēng)為隧道效應(yīng)。

 

環(huán)氧/聚酯、純聚酯涂層中含有大量極性非常強(qiáng)的酯鍵，降低了聚合薄層的勢(shì)壘，便于電子通過(guò)。從另一個(gè)方面講，降低了炭黑的滲流臨界值。因此，環(huán)氧/聚酯、純聚酯體系的導(dǎo)電是滲流作用和隧道效應(yīng)綜合作用的結(jié)果。

 

2.3 導(dǎo)電劑在不同體系中應(yīng)用

 

炭黑分散不均勻、填充量大、吸油量大、難以擠出、只能做黑色涂料，給生產(chǎn)、施工、性能、應(yīng)用造成一定影響。最近，導(dǎo)電劑的應(yīng)用可以在一定程度上解決這些問(wèn)題，表2考察在不同體系中導(dǎo)電劑的應(yīng)用情況。

 

 

從表2看出，加入導(dǎo)電劑后，酚類(lèi)固化環(huán)氧體系、戶(hù)內(nèi)體系、戶(hù)外體系均出現(xiàn)不能固化現(xiàn)象。導(dǎo)電劑之所以能導(dǎo)電，是因?yàn)閷?dǎo)電劑含有特定極性基團(tuán)，便于載流子流動(dòng)，而這些極性基團(tuán)可能會(huì)跟樹(shù)脂、固化劑中活性基團(tuán)反應(yīng)，使得樹(shù)脂不能與固化劑反應(yīng)，沖擊變差。從上面結(jié)果看出：導(dǎo)電劑中極性基團(tuán)不與環(huán)氧基團(tuán)、雙氰胺反應(yīng)，但與聚酯樹(shù)脂中的羧基、酚類(lèi)固化劑的酚羥基反應(yīng)；液體導(dǎo)電劑可以在雙氰胺固化環(huán)氧體系中使用。

 

2.4 不同導(dǎo)電炭黑的影響

 

導(dǎo)電炭黑種類(lèi)對(duì)涂層性能的影響見(jiàn)表3。

 

 

從表3看出，導(dǎo)電炭黑種類(lèi)對(duì)涂層的導(dǎo)電性能、機(jī)械性能、外觀影響較大，導(dǎo)電炭黑1#、2#制備的涂層導(dǎo)電性能、機(jī)械性能、外觀均較好。

 

2.5 電阻熱衰退解決辦法

 

若導(dǎo)電粉末涂料在涂裝過(guò)程中長(zhǎng)期接觸高溫，電阻會(huì)上升，這種現(xiàn)象稱(chēng)為電阻衰退，如：用于礦井管道浸涂的導(dǎo)電粉末涂料，管道加熱后進(jìn)入流化井內(nèi)，帶入大量熱量，并且出現(xiàn)熱量富集現(xiàn)象，涂層電阻上升。

 

導(dǎo)電粉末電阻穩(wěn)定性評(píng)估方法：將導(dǎo)電粉末在50 ℃烘箱中烘烤一定時(shí)間(24 h，48 h，……)后，噴涂鋼板，檢測(cè)電阻。表4中兩個(gè)配方的粉末在50 ℃烘箱中電阻變化如圖4所示。

 

 

電阻衰退原因分析：50 ℃的烘箱環(huán)境接近粉末的玻璃化溫度(T g)，樹(shù)脂分子鏈段會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，從而改變炭黑的分散，根據(jù)導(dǎo)電機(jī)理的隧道效應(yīng)，改變炭黑的分散意味著改變聚合物薄層的厚度，有些地方聚合物薄層變厚，勢(shì)壘變大，根據(jù)“瓶口效應(yīng)”，電子難以通過(guò)聚合物薄層變厚區(qū)域，涂層的電阻會(huì)迅速上升。

 

為了解決部分區(qū)域因聚合物薄層厚度變大造成勢(shì)壘變大的問(wèn)題，在改進(jìn)配方中加入改性助劑，提高了電阻穩(wěn)定性。

 

3.結(jié)語(yǔ)

 

(1) 導(dǎo)電粉末涂料的導(dǎo)電機(jī)理為滲流作用和隧道效應(yīng)。

 

(2) 運(yùn)用導(dǎo)電劑可以制作導(dǎo)電粉末涂料，但導(dǎo)電劑是極性物質(zhì)，可能會(huì)與樹(shù)脂或固化劑發(fā)生反應(yīng)，從而影響固化。液體導(dǎo)電劑可以在雙氰胺固化環(huán)氧體系中使用。

 

(3) 炭黑的種類(lèi)對(duì)涂料的導(dǎo)電、機(jī)械性能影響很大。用導(dǎo)電炭黑1#、2#制備的涂層導(dǎo)電、機(jī)械性能均較好。

 

(4) 導(dǎo)電粉末在長(zhǎng)期接觸高溫場(chǎng)合，需注意電阻衰退現(xiàn)象，加入改性助劑可以有效解決電阻衰退問(wèn)題。