导电粉末概述

导电粉末概述
摘要：导电粉末是一种功能材料，目前主要以导电填料的形式应用于高分子材料（包括导电涂料）上，使高分子材料具有导电性、抗静电、屏蔽电磁波等功能。

本文综述了导电粉末的特点，详细介绍了导电粉末的分类，列举了目前国内导电粉末的生产状况及其性能指标，在简述其应用现状的同时预测了其发展前景。

关键词：导电粉末；无机复合；抗静电；粉末填料
各种金属材料、塑料、纤维、橡胶、涂料等的应用范围日益扩大。

这些材料由于受摩擦、撞击等易产生静电，而静电聚集到一定程度就会引起放电，甚至可能引起击穿或发生火灾；也会对无线电接收机产生一定的干扰，使雷达无法正常工作。

为防止或消除静电,就要在涂料、塑料、橡胶、纤维中添加导电粉末，使其具有导电、防静电等功能，从而消除静电带来的危害。

导电粉末可以广泛应用于电子、电器、航空、涂料、化工、印刷、包装、船舶、军工等领域,适用于生产导电涂料、抗静电涂料、导电塑料、导电橡胶、导电静电纸、电子元件、电器设备外壳、印刷电路版等，还可建设无尘室及电磁屏蔽层。

当前国外对导电粉末的应用相当广泛。

尤其是浅色、白色、乃至透明的导电粉末,因具有装饰和高反射双重效果，并且价格便宜，所以被广泛用于电子工业、航空航天工业和军事工业的非金属制件表面，美国已将这一产品应用于飞机、导弹等高科技产品上。

导电粉末是一种功能材料，目前主要以导电填料的形式应用于高分子材料（包括导电涂料）上，使高分子材料具有导电性、抗静电、屏蔽电磁波等功能。

1.导电粉末的特点
评价一种导电粉末性能优越与否的关键应具备以下几个特点：
(1)导电性好。

静电带电与一般电路所说的导体概念是不同的（见表1[1]），所以要求导电粉末的电阻率为10−5~109Ω?cm。

(2)透波性好。

为了在雷达罩上应用，要求导电粉末对电磁波无干扰，透波率高，即电磁波损耗小。

一般要求抗静电涂层的透波率>85%。

(3)颜色浅。

为适应装饰性和高反射的要求，导电粉末的颜色应为白色、近白色、浅灰、浅蓝、浅驼色等。

(4)粉末细度高。

粉末越细，比表面积越大，同样配比的导电涂料制成的同厚涂层的导电性越好。

一般要求粉末细度在325目以下。

(5)与各种基料（树脂、橡胶等高分子材料）的相容性好，以便制成各种用途的抗静电材料。

(6)稳定性高。

长期保持电性能不变,能够耐热、耐寒和耐一般化学药品腐蚀。

(7)成本尽可能低。

2.导电粉末的分类
按照材料的电导率可以将材料划分为绝缘材料、半导体和导体三大类。

相关数据见表1。

表1静电带电与一般电路的导体、半导体、绝缘体的电阻率（Ω?cm）
一般电路静电导体
导体<10−5
半导体
10−5~1012
绝缘体
>1012
导体
10−6~104
绝缘体
>1012
导电粉末包括炭系填料（石墨、炭黑、碳纤维）、金属填料（银、镍、铜、铝、锌、锡、不锈钢等）、金属化合物（氧化锡、氧化锌、硫化铁等）、包覆型复合材料（氧化锡包裹的云母、聚合物表面沉积金属等）和抗静电剂。

导电填料按种类一般可分为抗静电剂系、碳系（碳黑、碳纤维、石墨）和金属系列（金属粉末、金属片、金属纤维、金属氧化物）[2]。

碳黑的局限性主要表现在黑色之外的着色材料中的应用有一定的困难，着色性差，很难满足不同领域和用户的要求；石墨所需添加量较大（30%），使制品性能变脆；碳纤维价格昂贵；稳定性金属导电粉末价格相对较高；金属纤维混合分散不均,加工过程中易折断和发生取向，主要应用在导电性或电磁屏蔽要求非常高的场合；银粉的化学稳定性好、导电性高，可以制成球状、树枝状、针状、片状等，其中树枝状银粉的导电效果要比其它形状的导电效果高，金属银粉还有较好的抗菌性能。

价格相对较低的金属粉末例如铜粉等存在氧化后电导率急剧下降等不稳定问题。

氧化物导电粉末的研究开发相对较晚，具有应用前景的是掺锑氧化锡、氧化锌和氧化钦等也是具有半导体特性的材料。

碳系导电粉末
碳系填料价格便宜，原料易得，对它的研究也比较成熟。

碳系填料主要包括炭黑和石墨，按形状来划分，有粉体和纤维两大类。

大量研究表明，炭黑粒子的尺寸越小，结构越复杂，炭黑粒子比表面积越大，表面活性基团越少，极性越强，所制备的导电复合材料的导电性就越好。

炭系涂料中以炭黑填充的综合效果最好。

林静等[3]采用V-2型高结构超导电炭黑制备了炭黑/醇酸树脂导电涂料，电导率可达10−3s/cm。

实验表明：涂层的附着力随炭黑填充质量分数的增大而变弱；炭黑填充质量分数不超过25%时，涂层附着力较好，耐刮研,不易脱落,适宜做导电及面状发热体材料。

除炭黑外，石墨也是常用导电填料之一，但其导电性能不如炭黑优良，而且加入量较大，对复合材料的成型工艺影响较大，但能提高材料的防腐蚀能力。

石墨几乎不单独使用。

一般是将炭黑(主要是电导率高的炉法炭黑和乙炔炭黑)、石墨和碳纤维混合使用。

为改善炭系材料的高填充量带来的加工和性能上的缺陷，还可以将各种炭系填料混和加入，以期尽量降低物理机械性能的损失。

在这方面，碳纤维有较大的长径比，在提高导电性的同时，还能保持和提高涂层的原有机械性能。

张振宁等[4]采用炭系复合填料（乙炔炭黑、石墨、碳纤维）制备了在安全电压下有明显的电发热特征的醇酸树脂导电涂料，在混合填料重量比率小于10%的条件下，电导率达到10−2s/cm，表明了三种炭系填料之间有较好的协同作用。

一般来说，炭系导电填料的粒子越小，涂料的导电性就越好，片状填料比球状填料的导电性要好。

目前国内外炭系导电涂料的发展主要包括以下几方面[5]：
(1)采用偶联热处理、化学接枝等方法对炭黑等炭素填料表面进行处理，从而提高其导电性；
(2)静电复印用炭粉的表面氟化；
(3)导电性粉末涂料用炭黑的表面处理。

另外，碳纳米管具有很好的导电性，同时又拥有较大的长径比，因而很适合做导电填料。

相对于其他金属颗粒和石墨颗粒，用很少的量就能形成导电网链，且其密度比金属颗粒小得多，不易因重力的作用而聚沉。

冯永成、瞿美臻等[6]利用碳纳米管的特性将其作为导电介质加入到涂料中，碳纳米管含量为%~8%时，涂料处于抗静电区域；碳纳米管含量大于8%时，涂料处于导电区域。

并研究了碳纳米管的管径、长径比、分散度以及用量对导电涂料导电性的影响，指出碳纳
米管作为导电涂料的导电介质时，其管径越小，所制得的导电涂料导电性越好，认为碳纳米管是导电涂料的最佳导电介质。

金属类导电粉末
金、银是最早开发的导电填料。

金粉的导电性最高，化学稳定性好，但价格昂贵，以致使用受到限制。

相比之下，银系涂料的导电性也很优异，耐氧性、耐介质性能极佳，价格较金粉为低。

银粒子有高塑性和高抗氧化性，对高温水分以及对其他的配合材料具有较高的稳定性，进而相互形成牢固的接触；但银作为导电填料也存在着一些问题，成本仍较高，配胶后易沉淀，且有“迁移”现象[7]。

铜、镍价格比银低得多，导电性能与银相近，但易氧化，导电性不稳定，配胶的耐久性差。

随着近年抗氧化技术的发展，铜系涂料的开发与应用逐渐增多，Cu 的导电性能仅次于Au，Cu的导电性和价格均优于Ni，不存在银粉在涂层中发生“银迁移”，而影响涂层性能的问题，常用于导电涂料的制备中。

但是铜粉在空气中极易氧化而在其表面生成绝缘性氧化物，导致铜系导电涂料导电性降低。

目前，防止铜粉氧化的技术主要有：铜粉表面镀覆惰性金属（如Ag、Al、Sn等）；加入还原剂将铜粉表面的氧化铜还原为铜；用有机胺、有机硅、有机钛、有机磷等抗氧剂对铜粉进行处理，聚合物稀溶液处理等。

实际应用时，为了达到较好的抗氧化效果，可以综合运用上述方法。

金属氧化物系导电粉末
自90年代德国、美国和日本研制出金属氧化物系导电填料后，部分产品己实现商品化。

由于其电性能优异、颜色浅,较好地弥补了金属导电填料抗腐蚀性差和碳系导电填料装饰性能差等缺点，而得到迅速发展。

此类导电填料主要有掺杂氧化锡、氧化锌、氧化钦、氧化锢、氧化钒、三氧化二锑等，其中以掺杂氧化锡的导电性、化学稳定性、热稳定性和耐候性最好，应用也最为广泛。

但由于生产成本高、密度大,使其推广应用受到一定限制。

优点是密度比金属类小，耐氧化性比金属类好，颜色比碳类浅；缺点是导电性较差。

目前,人们研究的新型导电粉体材料主要集中在金属氧化物掺杂效应机理上,如掺锡氧化锢(ITO)、掺氟氧化锡(FTO)、掺锑氧化锡(ATO)等，纳米级SnO2微粉由于兼具超细粒子和SnO2的物理化学性能，用作透明导电膜和导电涂料具有广
阔的应用前景。

掺杂SnO2存在高浓度的自由电子，对中远红外具有较高的反射率，常用于透明电极、电加热玻璃、高效节能灯、防静电膜、电磁屏蔽、光学记忆、红外遥感、遥测等。

复合导电粉末
复合导电填料按形状可分为复合粉末和复合纤维。

按国际标准组织(ISO3252)的定义，复合粉末是每一颗粒子都由两种或多种不同材料组成的粉末，并且其粒度必须大到（通常大于）足以显示出各自的宏观性质。

因此复合粉末兼有镀层物质和芯核的优良性能。

根据芯核物质的不同，金属包覆型复合粉末可分为金属—金属（如Ag/Cu）、金属—非金属（如C/石墨）和金属—陶瓷（如Ag/SnO2）三种类型。

如玻璃珠、铜粉和云母粉外包覆银粉以及炭黑外包覆镍粉等。

此外，也有金属氧化物为外壳，硅或硅化合物、TiO2等为内壳的复合导电粉末。

如夏华等[8]制得的在ZnO表面包覆一层经掺杂Sb的SnO2浅色导电填料，其导电性好，具有较好的应用前景。

复合纤维有多种，如尼龙、玻璃丝、碳纤维等镀敷金属或金属氧化物等。

陈锦宏等[9]将聚丙烯睛纤维镀覆Cu、Ni，将Ni镀于Cu的外部，可以保持内部铜层不被氧化，保护稳定的导电性。

又如崔凯等[10]采用化学镀方法在玻璃纤维上沉积金属镀层，制得镀金属的导电玻璃纤维，用作防静电涂料的复合填料。

目前，一类成本更低、导电性能更高的复合型导电填料开始引起人们的重视，这种导电填料以一种价廉，质轻的材料(如玻璃、云母、石墨、重晶石等)作为基底或芯材，通过化学沉积再锻烧的方法，在其表面包覆一层或几层化学稳定性好、耐腐蚀性强，电导率高的金属导电物质（如Ag、Ni、Cu等）或一层氧化物（氧化锑、氧化锡、二氧化钦等无机氧化物）导电物质而得到的复合材料[11]。

其中导电云母是制备此类复合型导电填料的首选之一。

其制法多样，通常采用化学镀及化学共沉淀。

例如经过特殊表面处理的纳米级氧化物导电粉末具有大量添加不影响制品机械强度的特点，而且容易制成具有透明性的抗静电材料。

云母粉呈片状结构，颗粒间易接触，是理想的无机导电材料。

用云母粉作载体包覆型（锡锑混合氧化物包覆）由于价格适中、比重轻、容易着色、颗粒易分散等特点，己经在抗静电涂料等方面得到普遍应用。

抗静电剂
工业上，高分子抗静电材料所采用的导电性添加剂主要有两大类：一类为抗静电剂，另一类是各种导电填料。

抗静电剂大多是极性或离子型的表面活性剂，具有小分子的迁移特性，分子结构中含有亲水基团和疏水基团，疏水基团的作用是使其与高分子物质有一定的相容性，而亲水基团使之具有一定的吸水性。

抗静电剂加到聚合物基体中之后，其分子经过向制品表面层迁移到达制品的表面而形成水分子吸附层，从而达到了防止或消除制品表面的静电荷的目的。

这类抗静电剂的优点在于制品可以制成各种颜色，材料的成型加工性能和机械力学性能几乎不受其影响，缺点在于只能达到较低的导电性能，使用寿命短，抗静电效果受到环境中温度和湿度的显着影响[12]。

有机抗静电剂可以分为阳离子型（铵盐及季铵盐）、阴离子型（烷基磺酸盐、烷基磷酸盐）、非离子型（高级脂肪酸及其多元醇脂）、两性型。

抗静电剂用于涂料可以分为内加型和外覆型。

外部抗静电剂是把抗静电剂以一定浓度溶于醇或醇—醇混合溶液中，对塑料等表面进行涂覆或浸渍，经干燥抗静电剂结合在制品表面，不会影响聚合物的加工性能和物理机械性能，但会因摩擦、洗涤或向聚合物内部迁移而逐步减少。

因此，处理后抗静电效果难以持久。

内部抗静电剂是在聚合物材料加工前或加工中加入的，其分子分散在聚合物分子之间，表面的抗静电剂损失后，能及时迁移到制品表面，使其保持比较持久的抗静电效果。

但是，抗静电剂容易向外迁移造成流失，故抗静电性能不能持久。

另外，受空气湿度和温度的影响很大，环境湿度越大，抗静电效果越好。

3.导电粉末的应用现状
随着导电粉末应用领域的不断拓宽，对导电粉末的需求量将逐年增长。

涂料行业业内人士认为，导电涂料是最具开发前景的涂料产品之一，其主要研究方向是开发高导电性、低成本的新型导电填料。

传统的导电涂料有碳系粉末（炭黑、石墨），金属系粉末（银、铜、铝、镍等），金属氧化物系等。

但是这些涂料具有自身的缺陷而在应用时受到限制。

为了降低导电粉末成本，提高涂料的导电性能和装饰性能，国内外致力开发浅色系列复合导电粉末。

这类复合导电粉末是以质轻、价廉、色浅的材料为基质，
通过表面处理在基质表面形成导电性氧化层或用半导体掺杂处理，而制得一类具有导电功能性半导体填料。

这类复合型导电粉末根据基质得不同，可分为导电云母粉、导电钦白粉，导电硫酸钡和导电二氧化硅等，其外观一般呈灰白色或浅灰色粉末，具有色浅、易分散、导电性好、稳定性高、耐热、耐腐蚀、阻燃、透波性好、价格低等特点。

也可与其它颜料配合，制成近白色等各种颜色的永久性导电、防静电涂料，可广泛应用于石油、化工、建材、电子、机电、汽车、医药等各个工业部门及人们日常生活的导电、防静电领域[13]。

其中以复合型云母导电粉末的综合性能最好。

导电云母粉因具有比重小、永久导电性能好、化学性能稳定、颜色可调、装饰性高、使用方便而受到重视。

在高科技迅猛发展的今天，导电粉末已被广泛的用于电子工业和航天航空工业，用在电子元件，电器表面及飞机、导弹、卫星的非金属制体表面，印刷线路，静电复印等多方面[14]。

目前国内大都致力于浅色导电粉末的研究与开发。

浅色导电粉末的开发填补了国内导电颜(填)料的一项空白。

这是一类以导除高分子材料表面的静电为目标的金属氧化物导电颜料，其导电性和金属导体的导电性有较大差异，只要金属氧化物导电颜料的电阻率ρ<109Ω?cm，就可以满足导除高分子材料表面静电的实际需要，同时为了满足装饰性要求，颜料以白色或浅色为最好[15]。

随着高分子材料应用领域的不断扩大，电子制品、通讯产业的迅速发展和普及，人们对洁净生活环境要求的不断提高，需要施行导电防静电的范围越来越广，浅色导电粉末的市场前景非常看好。

表2 国内主要导电粉末生产厂家及其产品性能和指标生产厂家产品性能和指标
江苏五菱常泰纳米材料有限公司纳米导电材料耐高温，耐化学侵蚀；浅色；比表面积>16m2/g；体
积电阻率蒸≤103Ω?cm；水悬浮液pH值~；耐热高于
400℃；干燥失重（105℃，2h）<%；灼烧失重（l000℃，
2h）<%；筛余物（325目）<%
上海博纳来材料有限公司ATO600抗静电
导电粉末
耐光照，不变色；热稳定性好，适合各种加工工艺；
淡蓝色粉末；平均粒径（D50）~；水质量分数<%；pH
值~；电阻率~Ω?cm
白色（浅色）无
机纳米导电粉末
浅灰白色；体积电阻率<50Ω?cm；粒度~；可使织物
涂料的表面电阻降至107Ω?cm；塑料制品的表面电阻
降至109Ω?cm
江苏河海纳米科
HN-500导电粉≤50um；密度~cm3；PH值中性；灼烧损失<%，干燥
国家超细粉末研
究中心
导电钛白粉、导电云母粉、纳米
性能指标达到国外同类产品水平。

白色或浅灰色，色调幅度大；电阻率在~Ω?cm ，可以调节；纳米级导电上海君江科技有
限公司 复合导电云母粉末
耐酸碱及有机溶剂，无氧化性；800℃以下稳定，阻燃；粒径≤80um ；密度 g/cm 3；吸油量80ml/g ；粉末电阻率≤100Ω?cm ；杂质质量分数≤% 导电粉BC-D 耐酸碱及有机溶剂，无氧化性；800℃以下稳定，阻燃；
粒径25um （最大60um ）；密度 g/cm 3；吸油量≤g ；粉
末电阻率≤100Ω?cm ；杂质质量分数≤%
厦门乐泰科技有限公司 多种型号导电粉末
电阻率50~100Ω?cm ；灰白或浅灰色粉末；片状，球
状；细度200~800目；真密度 g/cm 3；耐热600~1000℃；
吸油量~ 4. 结语
目前我国浅色或无色导电/抗静电粉末的开发尚处初级阶段，大部分产品还停留在实验室，市场上从事浅色或无色导电/抗静电粉末的生产厂家较少且生产规模也较小。

但总的来说，浅色或无色导电/抗静电粉末的潜在市场需求巨大，应用领域会不断扩大，其制品成本也会逐渐降低。

我国拥有品类众多的非金属矿资源，应合理高效利用我国的优势非金属矿资源，开发出满足多领域应用需求的浅色或无色无机复合导电/抗静电粉末填料制品，最大程度的降低复合导电/抗静电粉末的开发与生产成本，不断扩大其市场规模与应用领域。

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