导电涂料的研究进展

导电涂料的研究进展

前言

导电涂料是近年来随着涂料工业与现代工业的高速发展而出现的一种功能材料,是指涂于非导电底材上,使其具有一定的传导电流和消散静电荷能力的涂料,其成膜物质大多数是绝缘的。为了使涂料具有导电性,常用的处理方法是掺入导电微粒。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。

1本征型导电涂料的研究进展

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,而研究较多的是聚苯胺与聚吡咯。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P P y,但纯P P y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[1]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20Ω/cｍ。

在众多导电聚合物材料中,聚苯胺由于原料价格低、合成简单、导电率高、耐高温及抗氧化性好、环境稳定性好等优点,成为研究的热点,被认为是最具有应用前景的导电高分子材料。本征态的聚苯胺是不导电的,只有经过质子酸掺杂后才具有导电性,而用大分子质子酸掺杂的聚苯胺导电性能则更加优异,这是因为一方面大分子质子酸具有表面活化作用,相当于表面活性剂,掺杂到聚苯胺当中可以提高其溶解性；另一方面,大分子质子酸掺杂到聚苯胺中,

使聚苯胺分子内及分子间的构象更有利于分子链上电荷的离域化,电导率得到大幅度提高。李红敏等[2]以十二烷基苯磺酸(DBSA)掺杂的聚苯胺(PANI)为导电组分,三氯甲烷为溶剂,采

用溶液共混法制备聚苯胺/丙烯酸酯共聚物(AA)导电薄膜。研究表明聚苯胺粒子均匀地分布在基体中形成较为良好的导电网络而使共混物具有良好的导电性。

刘谊君等[3]采用氧化缩聚合成法制备了无机酸掺杂的低成本、高导电率的导电聚苯胺,以其为导电填料,以环氧树脂为成膜物,制备出一种电导率在10-8～10-5S/m范围内的新型导电涂料。

宁晓辉等[4]用化学氧化聚合方法合成了具有纳米尺寸的聚苯胺,以其为导电填料,以丙

烯酸酯为成膜物,制备出一种电导率在10-8～10-4S/m范围内的新型防腐导电涂料。

2掺杂型导电涂料的研究进展

掺杂型导电涂料是指以高分子聚合物为基础加入导电物质,利用导电物质的导电作用,来达到涂层电导率在10-12S/m以上。它既具有导电功能,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。

2.1碳系导电涂料

碳系导电涂料是目前用量较大的一种功能涂料,具有成本低、质轻、结构高、无毒无害等优点。用作碳系导电涂料的导电填料主要有石墨、石墨纤维、碳纤维、高温煅烧石油焦、各种炭黑以及碳化硅等。特别是炭黑填充导电聚合物已被广泛应用,因为导电炭黑具有价格便宜、密度小、不易沉降、耐腐蚀性强等优点,但导电性相对较差；同时由于表面含有大量的极性基团,存在难分散、易絮凝等缺点,最简便而有效的解决方法之一是加入分散剂降低炭黑粒子间的吸引力及凝聚力,从而使其能均匀稳定地分散在基质中。碳系导电涂料通常由导电填料、基体树脂、助剂和溶剂组成,经机械混合后将其涂覆于非导电体底材表面,形成一层特殊固化膜,从而产生导电效果。根据现有的碳系导电涂料样品和研究报道中可知,基本都是采用增加导电填料含量的方法来提高涂料的导电性。

黄鹏波等[5]研究了三种钛酸酯偶联剂NT C-401、C T-136、J S C及两种硅烷偶联剂

K H-550、K H-570对炭黑导电涂料导电性能的影响。结果表明加入N T C-401、C T-136、J S C 后体系的电阻升高,而K H-550、K H-570降低了体系的电阻值,其中以加入质量分数为2.5%的KH-550效果最好。

喻冬秀等[6]研制了一种以丙烯酸酯类树脂为基料的改性碳纤维体系导电涂料,用单因素方法确定改性碳纤维/树脂质量比,偶联剂的种类、用量以及添加方式、涂料的固化工艺等方面对涂料电性能的影响关系,确定了制备碳纤维体系导电涂料的最佳工艺条件为：改性碳纤维/树脂质量比为0.7,钛酸酯偶联剂T M C-102采用预处理用量为1%(质量分数)和直接加入用量为1.5%(质量分数)相结合,制得的导电涂料综合性能较好；固化温度为50℃下固化

20m in,涂膜厚度为150μm时,其表面电阻率达到1.02Ω/sq。

甘玉生[7]用非金属导电涂料替代金属导电涂料进行了研究,选取硅溶胶作为载体,超细

石墨和高结构炭黑按不同配比制备涂料；并对涂料的涂层厚度和表面电阻进行检测,筛选出适于制壳的配比；经不同钢种的工艺验证,这种涂料可分别适用于各种钢铁铸件的熔模铸造制壳,原料来源广泛，价格低廉。

2.2石墨导电涂料

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