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抗靜電涂料的抗靜電機(jī)理探討

文檔作者：李留東董存峰楊茂偉狄志剛付敏文檔來源： 1．中航工業(yè)濟(jì)南特種結(jié)構(gòu)研究所 2．中海油常州涂料化工研究院，		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年09月26日
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Coatings Technology
抗靜電涂料韻抗靜電機(jī)理探討 ¨l
： Antis
．tatic MeChanism? sc?us?S—io?n lofAn t c C ?oa?tings 、
李留東 ，董存峰 ，楊茂偉 ， 狄志剛 ，付敏
(1．中航工業(yè)濟(jì)南特種結(jié)構(gòu)研究所，山東濟(jì)南25002 3；2．中海油常州涂料化工研究院，
江蘇常州21 3016)
摘要：簡述了抗靜電涂料的現(xiàn)狀，對(duì)抗靜電涂料
的導(dǎo)電機(jī)理進(jìn)行了探討，介紹了納米管和導(dǎo)電纖維
等具有長徑比值較大的導(dǎo)電填料的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：抗靜電；涂料，機(jī)理；導(dǎo)電纖維
0引言
抗靜電涂料是具有導(dǎo)電和排除積累靜電荷能力的功
能性涂料?？轨o電涂料伴隨現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)而發(fā)展，至今約
有半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展歷史。早在1 948年，美國公布了將
銀和環(huán)氧樹脂制成導(dǎo)電膠的專利，這是最早公開的導(dǎo)電涂
料。20世紀(jì)50年代日本開始生產(chǎn)以銀系和碳系為主的防
靜電涂料。20世紀(jì)60年代美、英、日等國相繼研制出抗
靜電涂料。20世紀(jì)80年代國外防靜電技術(shù)和電熱涂料技
術(shù)獲得迅速發(fā)展，我國也在20世紀(jì)50年代開始研究和應(yīng)
用抗靜電涂料。
通常，高分子材料大多是電絕緣I、生材料，其表面電阻
率p 和體積電阻率 很大 ( 、為l0 ～1 0”n ·171， 為
10 ～10 ’n ·m)。體積電阻率小于l0 n ·m的為高分子
導(dǎo)電材料， 于導(dǎo)電和電磁屏敲；體積電阻率為l0 一一1 0
n ·m為半導(dǎo)體材料，主要用于發(fā)熱電阻件和電極 體積
電阻率電為l0 ～1 0 n ·m的材料主要用于抗靜電材料 。
當(dāng)材料體積電阻率小于l 0。n ·IT}，或表面電阻率／J、
于1 0 n ·m時(shí)，即使產(chǎn)生靜電荷也會(huì)很快向周圍環(huán)境泄
放?？轨o電涂層作為功能性涂層，其表面電阻率通常在
1 0?！?0 n ·m，可以利用靜電的泄放效應(yīng)，將積聚在物體
表面的靜電荷及時(shí)泄放，避免靜電積累所引起的各種問
題，因此廣泛應(yīng)用于電子、電器、航空、化工、印刷等多
種工業(yè)領(lǐng)域。
1國內(nèi)外抗靜電涂層材料研究狀況
抗靜電涂料分為添加型和本征型兩類，本征型抗靜電
涂料技術(shù)尚不成熟，因此目前大量使用的抗靜電涂 一般
為添加型涂料。添加型抗靜電涂料是在不導(dǎo)電的基料樹脂
中添加一定的導(dǎo)電填料實(shí)現(xiàn)導(dǎo)靜電的功能，只有導(dǎo)電填料
的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到一定的程度才能形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)或通路，體
現(xiàn)出導(dǎo)電的性質(zhì)。常用的導(dǎo)電填料有：碳系材料(炭黑、石
墨等)、金屬粉末(銀粉、銅粉、鎳粉等)、半導(dǎo)體金屬氧化
物(氧化錫、氧化鐵、氧化鋅)、導(dǎo)電納米粒子和防靜電助
劑等。其中金屬粉末密度大，形成導(dǎo)電通路需要較大的體
積分?jǐn)?shù)，表層易氧化，會(huì)降低甚至失去導(dǎo)電性，而且耐腐
蝕性差，從而影響涂層的其他性能，因此金屬粉末作為導(dǎo)
電填料的應(yīng)用受到一定限制：抗靜電劑耐溫性、耐水性、
耐油性、耐腐蝕性、耐久性差，抗靜電性能不穩(wěn)定；早期
抗靜電涂料一般采用碳系材料作為導(dǎo)電填料，黑色導(dǎo)電石
墨和炭黑分散性差，制品顏色黑，不容易調(diào)制為較淺的其
他顏色；隨著科技的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了半導(dǎo)體金屬氧化物
和納米導(dǎo)電粉等新型導(dǎo)電填料，并在抗靜電涂料中得以應(yīng)
用，這類材料顏色淺，易于調(diào)色，豐富了抗靜電涂料的顏
色體系，但這類材料單獨(dú)使用時(shí)添加量大，分散穩(wěn)定性較
差，會(huì)影響涂料和及其涂層的，I'G~A，岡l比一般與碳系材料
配合使用。近年來出現(xiàn)了使用導(dǎo)電纖維作為導(dǎo)電填料的抗
靜電涂料，由于導(dǎo)電纖維直徑小，長徑比大，僅需很少量
的導(dǎo)電纖維就能在涂層中形成導(dǎo)電的網(wǎng)絡(luò)，可減小對(duì)涂層
其他性能的影響。
1．1國內(nèi)抗靜電涂料研究現(xiàn)狀
我國對(duì)抗靜電涂料的研究在2O世紀(jì)50年代興起，天
津油漆廠、上海合成樹脂研究所和武漢化工研究所研制出
較低電阻率的抗靜電涂料。中海油常州涂料化工研究院在
2O世紀(jì)9O年代初研制出抗靜電耐雨蝕涂層體系，該抗靜
0
Coat-nas Tec? -oay
炭黑，其顏色為黑色；在本世紀(jì)初，該院又采用新型復(fù)合 I 3
導(dǎo)電材料為導(dǎo)電介質(zhì)，研制出全新一代淺色抗靜電涂料。 l ! — 一
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為導(dǎo)電填料在該基體內(nèi)的臨界濃度)后，體系內(nèi)的導(dǎo)電填料 一 一。。。 ? ? ? ? ～ ? ?
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(c)場致發(fā)射效應(yīng)理論 隨著導(dǎo)電纖維長徑比的增加，形成連續(xù)網(wǎng)絡(luò)所需的纖
場致發(fā)射效應(yīng)理論認(rèn)為，當(dāng)復(fù)合體系中導(dǎo)電填料含量 維濃度顯著地下降。碳纖維的長徑比越大，搭接形成網(wǎng)絡(luò)
較低、導(dǎo)電粒子、司距較大、導(dǎo)電粒子之、司的內(nèi)部電場很強(qiáng) 所需的碳纖維體積含量越小，根據(jù)圖3，導(dǎo)電填料長徑比
時(shí)，電子將有很大的幾率飛躍樹脂界面勢壘而躍遷到相鄰 與導(dǎo)電填料的臨界濃度(體積分?jǐn)?shù))見表1。
的導(dǎo)電粒子上，產(chǎn)生場致發(fā)射電流，形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。
在導(dǎo)電填料含量較高的情況下，復(fù)合體系中導(dǎo)電粒子 表1導(dǎo)電填料長徑比與導(dǎo)電填料的臨界濃度
、 距妨，l＼．形 注縫呈由 甬諾的rI窒空奪女．汶Iqk,f導(dǎo)由誦 廠． 導(dǎo)電填料長徑比
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高分子導(dǎo)電復(fù)合材料 路模型見圖z。 長徑星 善主喜 獸著 ： 季 萎
00000000000強(qiáng)
o0 0∞ 0CO。。 0 O00c 叫 斷嘲蹄 —一}_ }]二 納米詈 譬譬 誓莖
圖2高分子導(dǎo)電
圖中2。為導(dǎo)電粒子
接 獨(dú)電阻； 。為樹脂界面f
3 導(dǎo)電填料的應(yīng)用
關(guān)于導(dǎo)電復(fù)合材料的
專 ]的研究和論述。 1]ev
長 陘比對(duì)最大填充分教的
數(shù) 司存在指數(shù)關(guān)系，填料
3。
呈～ 鋇j 不目I F／、J里蠶日 *J．：'F-6／J升’共 【，九勝木 何 u人
～ ～ ＼ 們的高度重視，也將對(duì)納米技術(shù)的未來產(chǎn)生重大景鄉(xiāng)響。
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＼l＼ 4結(jié)語
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} 經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，科學(xué)家們對(duì)抗靜電涂料導(dǎo)電
卜 ＼ 機(jī)理的研究和認(rèn)識(shí)逐漸深入，在最初的導(dǎo)電通道理論基礎(chǔ)
。 }Ⅲ ＼、 上又 I／X7隧道效應(yīng)理論和場致發(fā)射效應(yīng)理論，可以更合
E 理地解釋不同導(dǎo)電填料濃度下涂層導(dǎo)電t生能的變化。
}I ! 現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展對(duì)抗靜電涂料的性能要求和需求量
。
。。
‘ 一? ? ；
都將進(jìn)一步提高。近年來，隨著導(dǎo)電纖維、碳納米管等新
圖3填料長徑比與最大填充分?jǐn)?shù)的關(guān)系 型導(dǎo)電填料的不斷出現(xiàn)和產(chǎn)業(yè)化的實(shí)現(xiàn)，代替碳系和貴金
(下轉(zhuǎn)第44頁)
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的附著力要高于此)，而改性聚硅氧烷面漆隨有機(jī)改性組分
用量增大，無機(jī)組分相應(yīng)減少，其對(duì)無機(jī)硅酸鋅底漆的粘
結(jié)附著力減弱，故實(shí)測附著力下降。三涂層配套體系中，
在附著力和單邊擴(kuò)蝕方面的差異不太明顯，無規(guī)律可循。
究其原因，可能是三涂層配套試板測試的拉開法附著力主
要體現(xiàn)的是無機(jī)富鋅底漆對(duì)底材的附著力，面漆對(duì)其的影
響較小。
圖5、圖6分別為3種面漆兩涂層和三涂層配套試板
循環(huán)腐蝕4 200 h后的附著力擴(kuò)蝕照。
圖5 3種面漆兩涂層配套試板
圖6 3種面漆三涂層配套試板
3種面漆兩種配套涂層存經(jīng)過4 200 h循環(huán)腐蝕試驗(yàn)
后的附著力和擴(kuò)蝕狀況有差異但趨勢一致，兩涂層配套體
系在附著力和劃線處單邊擴(kuò)蝕上的優(yōu)勢是顯而易見的。
3種改性聚硅氧烷面漆因基料中有機(jī)改性組分含量差
異，漆膜的物理機(jī)械性能(如附著力、柔韌性等)及人工氣
候加速老化性能等都有所差異。總體來說，當(dāng)面漆中有機(jī)
改性組分用量增大時(shí)，漆膜的物理機(jī)械性能(如柔韌性等)
和涂裝施工性能等會(huì)有所改善，但漆膜耐老化性能等會(huì)明
顯下降，本文暫不詳細(xì)討論。
4結(jié)語
在本項(xiàng)研究中改性聚硅氧烷涂料兩涂層配套體系優(yōu)
于經(jīng)典的三徐層配套體系。采用兩涂層配套的徐層體系(無
機(jī)富鋅底漆(面漆封閉 丙烯酸改性聚硅氧烷面漆)能順利
通過4 200 h循環(huán)腐蝕老化試驗(yàn)，試板非劃線處均未出現(xiàn)
開裂、起泡、生銹、失光、粉化等異常，漆膜外觀保持得
很好，劃線處單邊擴(kuò)蝕小于3 mm，試驗(yàn)后附著力遠(yuǎn)大于5
MPa，附著力衰減很小。
改性聚硅氧烷涂料兩涂層配套體系可達(dá)到常規(guī)三涂
層防腐效果，對(duì)簡化涂裝工序、大大節(jié)約涂裝成本來講，
其意義深遠(yuǎn)，有必要繼續(xù)研究與關(guān)注。目前海洋大氣用高
耐候改性聚硅氧烷涂料受關(guān)注度遠(yuǎn)不及氟碳涂料，在涂裝
應(yīng)用上還有待提高完善，但隨著我國環(huán)境保護(hù)的日益重視
和海洋開發(fā)的大力發(fā)展，改性聚硅氧烷面漆因其超高的施
工固體分、超低的VOC排放、優(yōu)異的防腐性能等，必將有
美好的應(yīng)用前景。
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(上接第4O頁)
屬粉末等傳統(tǒng)導(dǎo)電填料將是必然趨勢，將在電子工業(yè)、建
筑工業(yè)、航空和軍用工業(yè)等領(lǐng)域發(fā)揮更重要的作用。
參考文獻(xiàn)
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