文/巴旭民 ( 黄山华佳表面科技有限公司 )
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。
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 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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
来源： 粉末涂料与涂装2022年第1期
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