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导电粉末涂料的制备和性能研究
2022年08月08日    阅读量:4706     新闻来源:粉末涂料与涂装2022年第1期    |  投稿

摘要


摘要:阐述了导电炭黑、导电剂在环氧、环氧/聚酯、纯聚酯体系粉末涂料中的导电机理,考察了不同体系中导电炭黑的临界添加量,结合实际配方试验研究了防止导电粉末电阻衰退的方法。


引言


涂料的应用环境决定涂料应该具有的性能。电子领域用的涂料要求具有优异的绝缘性能,而在矿井管道等安全生产领域应用的涂料要求具有优异的导电性能,通常要求表面电阻≤106Ω,而且涂层的电阻不能随着涂层使用时间的延长而出现增大现象涂料在线coatingol.com


银、铜、镍等为填料的金属系导电涂料,具有导电性高、屏蔽效能好等优点,但存在填充量大、抗氧化性差、成本高等缺点。与之相比,碳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,碳系导电涂料以其优良的导电、导热、防腐等性能,广泛应用于化学、国防、电子、石油化工等行业。但碳系导电涂料存在导电炭黑填充量大、分散不均、吸油量大、只能做黑色涂层等问题,最近出现用导电剂来提高导电性能。


本文阐述了导电炭黑、导电剂在环氧、环氧/聚酯、纯聚酯体系中的导电机理,考察了表面电阻≤106Ω时炭黑用量,以及防止导电粉末电阻衰退的方法。


1.国内氟碳粉末涂料现状


1 试验部分


1.1 试验原材料


树脂:E-12、户内聚酯、户外聚酯;固化剂:酚类固化剂、双氰胺、TGIC;导电剂:导电炭黑1#、导电炭黑2#、导电炭黑3#、导电炭黑4#、液体导电剂;其他助剂:流平剂、脱气剂、填料、电阻改性剂。


1.2 试验及检测设备


平行双螺杆挤出机、冲击试验仪、电阻计。


1.3 试验工艺


称料→混合→挤出→磨粉→140目过筛→喷涂→性能测试。


1.4 性能检测


导电涂料性能检测见表1。

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2.各类氟碳改性粉末涂料的问题及优势


2 结果与讨论


2.1 纯环氧体系导电机理


在导电填料填充的涂层中,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,涂层才具有导电性能,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,此时导电粒子相互接触而导通。这种导电机理称为渗流作用,渗流作用就是导电粒子相互接触而产生的导电作用。


根据图1,纯环氧体系中,当导电炭黑量<3%时,导电炭黑所占体积分数小,载流子流通的通道被绝缘性的环氧树脂阻断,电阻很大。当导电炭黑量≥3%时,导电炭黑相互接触,载流子流通的通道没有被环氧树脂阻断,电阻迅速下降。因此,在纯环氧体系中,3%为渗流临界值的导电炭黑量。

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2.2 环氧/聚酯、纯聚酯体系导电机理


环氧/聚酯体系和纯聚酯体系中炭黑用量对涂层电阻的影响分别见图2和图3。

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根据图2和图3,环氧/聚酯、纯聚酯体系的渗流临界值为1.5%,为纯环氧体系的一半。


导电涂料成膜后导电粒子或粒子团之间必定有聚合物包裹,当两个导电粒子之间聚合物薄层(非导电层)<约10nm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,降低了聚合薄层的势垒,便于电子通过。从另一个方面讲,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。


2.3 导电剂在不同体系中应用


炭黑分散不均匀、填充量大、吸油量大、难以挤出、只能做黑色涂料,给生产、施工、性能、应用造成一定影响。最近,导电剂的应用可以在一定程度上解决这些问题,表2考察在不同体系中导电剂的应用情况。

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从表2看出,加入导电剂后,酚类固化环氧体系、户内体系、户外体系均出现不能固化现象。导电剂之所以能导电,是因为导电剂含有特定极性基团,便于载流子流动,而这些极性基团可能会跟树脂、固化剂中活性基团反应,使得树脂不能与固化剂反应,冲击变差。从上面结果看出:导电剂中极性基团不与环氧基团、双氰胺反应,但与聚酯树脂中的羧基、酚类固化剂的酚羟基反应;液体导电剂可以在双氰胺固化环氧体系中使用。


2.4 不同导电炭黑的影响


导电炭黑种类对涂层性能的影响见表3。

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从表3看出,导电炭黑种类对涂层的导电性能、机械性能、外观影响较大,导电炭黑1#、2#制备的涂层导电性能、机械性能、外观均较好。


2.5 电阻热衰退解决办法


若导电粉末涂料在涂装过程中长期接触高温,电阻会上升,这种现象称为电阻衰退,如:用于矿井管道浸涂的导电粉末涂料,管道加热后进入流化井内,带入大量热量,并且出现热量富集现象,涂层电阻上升。


导电粉末电阻稳定性评估方法:将导电粉末在50 ℃烘箱中烘烤一定时间(24 h,48 h,……)后,喷涂钢板,检测电阻。表4中两个配方的粉末在50 ℃烘箱中电阻变化如图4所示。

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电阻衰退原因分析:50 ℃的烘箱环境接近粉末的玻璃化温度(T g),树脂分子链段会发生运动,从而改变炭黑的分散,根据导电机理的隧道效应,改变炭黑的分散意味着改变聚合物薄层的厚度,有些地方聚合物薄层变厚,势垒变大,根据“瓶口效应”,电子难以通过聚合物薄层变厚区域,涂层的电阻会迅速上升。


为了解决部分区域因聚合物薄层厚度变大造成势垒变大的问题,在改进配方中加入改性助剂,提高了电阻稳定性。


3.结语


(1) 导电粉末涂料的导电机理为渗流作用和隧道效应。


(2) 运用导电剂可以制作导电粉末涂料,但导电剂是极性物质,可能会与树脂或固化剂发生反应,从而影响固化。液体导电剂可以在双氰胺固化环氧体系中使用。


(3) 炭黑的种类对涂料的导电、机械性能影响很大。用导电炭黑1#、2#制备的涂层导电、机械性能均较好。


(4) 导电粉末在长期接触高温场合,需注意电阻衰退现象,加入改性助剂可以有效解决电阻衰退问题。


 粉末涂料与涂装2022年第1期

标签:工业涂料涂装应用技术中心粉末涂料
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