摘要

摘要：闡述了導電炭黑、導電劑在環氧、環氧/聚酯、純聚酯體系粉末涂料中的導電機理，考察了不同體系中導電炭黑的臨界添加量，結合實際配方試驗研究了防止導電粉末電阻衰退的方法。

引言

涂料的應用環境決定涂料應該具有的性能。電子領域用的涂料要求具有優異的絕緣性能，而在礦井管道等安全生產領域應用的涂料要求具有優異的導電性能，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間的延長而出現增大現象。

銀、銅、鎳等為填料的金屬系導電涂料，具有導電性高、屏蔽效能好等優點，但存在填充量大、抗氧化性差、成本高等缺點。與之相比，碳系導電填料具有導電性能好、性能穩定、來源廣泛、價格低廉等優點，碳系導電涂料以其優良的導電、導熱、防腐等性能，廣泛應用于化學、國防、電子、石油化工等行業。但碳系導電涂料存在導電炭黑填充量大、分散不均、吸油量大、只能做黑色涂層等問題，最近出現用導電劑來提高導電性能。

本文闡述了導電炭黑、導電劑在環氧、環氧/聚酯、純聚酯體系中的導電機理，考察了表面電阻≤106Ω時炭黑用量，以及防止導電粉末電阻衰退的方法。

1 試驗部分

1.1 試驗原材料

樹脂：E-12、戶內聚酯、戶外聚酯；固化劑：酚類固化劑、雙氰胺、TGIC；導電劑：導電炭黑1#、導電炭黑2#、導電炭黑3#、導電炭黑4#、液體導電劑；其他助劑：流平劑、脫氣劑、填料、電阻改性劑。

1.2 試驗及檢測設備

平行雙螺桿擠出機、沖擊試驗儀、電阻計。

1.3 試驗工藝

稱料→混合→擠出→磨粉→140目過篩→噴涂→性能測試。

1.4 性能檢測

導電涂料性能檢測見表1。

涂料的問題及優勢

2 結果與討論

2.1 純環氧體系導電機理

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

根據圖1，純環氧體系中，當導電炭黑量＜3%時，導電炭黑所占體積分數小，載流子流通的通道被絕緣性的環氧樹脂阻斷，電阻很大。當導電炭黑量≥3%時，導電炭黑相互接觸，載流子流通的通道沒有被環氧樹脂阻斷，電阻迅速下降。因此，在純環氧體系中，3%為滲流臨界值的導電炭黑量。

2.2 環氧/聚酯、純聚酯體系導電機理

環氧/聚酯體系和純聚酯體系中炭黑用量對涂層電阻的影響分別見圖2和圖3。

根據圖2和圖3，環氧/聚酯、純聚酯體系的滲流臨界值為1.5%，為純環氧體系的一半。

導電涂料成膜后導電粒子或粒子團之間必定有聚合物包裹，當兩個導電粒子之間聚合物薄層(非導電層)＜約10nm時，在電場作用下，電子就能越過很低的勢壘而流動，這種導電機理稱為隧道效應。

環氧/聚酯、純聚酯涂層中含有大量極性非常強的酯鍵，降低了聚合薄層的勢壘，便于電子通過。從另一個方面講，降低了炭黑的滲流臨界值。因此，環氧/聚酯、純聚酯體系的導電是滲流作用和隧道效應綜合作用的結果。

2.3 導電劑在不同體系中應用

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、施工、性能、應用造成一定影響。最近，導電劑的應用可以在一定程度上解決這些問題，表2考察在不同體系中導電劑的應用情況。

從表2看出，加入導電劑后，酚類固化環氧體系、戶內體系、戶外體系均出現不能固化現象。導電劑之所以能導電，是因為導電劑含有特定極性基團，便于載流子流動，而這些極性基團可能會跟樹脂、固化劑中活性基團反應，使得樹脂不能與固化劑反應，沖擊變差。從上面結果看出：導電劑中極性基團不與環氧基團、雙氰胺反應，但與聚酯樹脂中的羧基、酚類固化劑的酚羥基反應；液體導電劑可以在雙氰胺固化環氧體系中使用。

2.4 不同導電炭黑的影響

導電炭黑種類對涂層性能的影響見表3。

從表3看出，導電炭黑種類對涂層的導電性能、機械性能、外觀影響較大，導電炭黑1#、2#制備的涂層導電性能、機械性能、外觀均較好。

2.5 電阻熱衰退解決辦法

若導電粉末涂料在涂裝過程中長期接觸高溫，電阻會上升，這種現象稱為電阻衰退，如：用于礦井管道浸涂的導電粉末涂料，管道加熱后進入流化井內，帶入大量熱量，并且出現熱量富集現象，涂層電阻上升。

導電粉末電阻穩定性評估方法：將導電粉末在50 ℃烘箱中烘烤一定時間(24 h，48 h，……)后，噴涂鋼板，檢測電阻。表4中兩個配方的粉末在50 ℃烘箱中電阻變化如圖4所示。

電阻衰退原因分析：50 ℃的烘箱環境接近粉末的玻璃化溫度(T g)，樹脂分子鏈段會發生運動，從而改變炭黑的分散，根據導電機理的隧道效應，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，勢壘變大，根據“瓶口效應”，電子難以通過聚合物薄層變厚區域，涂層的電阻會迅速上升。

為了解決部分區域因聚合物薄層厚度變大造成勢壘變大的問題，在改進配方中加入改性助劑，提高了電阻穩定性。

3.結語

(1) 導電粉末涂料的導電機理為滲流作用和隧道效應。

(2) 運用導電劑可以制作導電粉末涂料，但導電劑是極性物質，可能會與樹脂或固化劑發生反應，從而影響固化。液體導電劑可以在雙氰胺固化環氧體系中使用。

(3) 炭黑的種類對涂料的導電、機械性能影響很大。用導電炭黑1#、2#制備的涂層導電、機械性能均較好。

(4) 導電粉末在長期接觸高溫場合，需注意電阻衰退現象，加入改性助劑可以有效解決電阻衰退問題。