巴旭民，潘向東，周正發(fā)，徐衛(wèi)兵

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，安徽合肥 230009；2.艾仕得華佳涂料（黃山）有限公司，安徽黃山 245061）

工藝·設(shè)備

導(dǎo)電粉末涂料的制備和性能研究

巴旭民1，2，潘向東2，周正發(fā)1，徐衛(wèi)兵1

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，安徽合肥 230009；2.艾仕得華佳涂料（黃山）有限公司，安徽黃山 245061）

一般情況下，粉末涂層呈現(xiàn)絕緣特性，但在一些特殊應(yīng)用領(lǐng)域，如礦井管道的涂裝，要求涂層具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，通常要求其表面電阻≤106Ω。采用導(dǎo)電炭黑和有機(jī)導(dǎo)電劑為導(dǎo)電成分，純環(huán)氧、環(huán)氧/聚酯、純聚酯為基料樹脂，制備了多種體系的導(dǎo)電粉末涂料。研究了各種導(dǎo)電材料對(duì)涂料性能的影響。闡述了導(dǎo)電粉末涂料的導(dǎo)電機(jī)理，并提供了一種制備淺色導(dǎo)電粉末涂料的方法。

導(dǎo)電炭黑；粉末涂料；環(huán)氧樹脂；聚酯樹脂

0 引言

一般情況下粉末涂層呈絕緣特性（電阻一般> 1012Ω），但在一些特殊應(yīng)用領(lǐng)域，如礦井管道的涂裝，要求涂層具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，通常要求其表面電阻≤106Ω［1］。

以銀、銅、鎳等為填料的金屬系導(dǎo)電涂料，具有導(dǎo)電性高、屏蔽性能好等優(yōu)點(diǎn)，但其存在填充量大、抗氧化性差、成本高等缺點(diǎn)。與之相比，炭系導(dǎo)電填料具有導(dǎo)電性能好、性能穩(wěn)定、來源廣泛、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，炭系導(dǎo)電涂料以其優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、防腐等性能，廣泛用于國防、電子、石油化工等行業(yè)［2］。但炭系導(dǎo)電涂料存在導(dǎo)電炭黑填充量大、分散不均、吸油量大、只能配制黑色涂層等問題［3］。有機(jī)導(dǎo)電劑既能克服金屬系導(dǎo)電填料的缺點(diǎn)，又能克服炭系導(dǎo)電填料的缺點(diǎn)，近年來開始受到廣泛關(guān)注。

本研究利用導(dǎo)電炭黑、有機(jī)導(dǎo)電劑為導(dǎo)電成分，以純環(huán)氧、環(huán)氧/聚酯、純聚酯為基料樹脂，制備多種體系的導(dǎo)電粉末涂料。研究導(dǎo)電炭黑、有機(jī)導(dǎo)電劑等對(duì)涂層表面電阻等性能的影響，為導(dǎo)電粉末涂料的推廣應(yīng)用積累基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料

環(huán)氧樹脂，國都化學(xué)；環(huán)氧/聚酯、純聚酯樹脂，安徽神劍；環(huán)氧固化劑，南海化學(xué)；TGIC（異氰脲酸三縮水甘油酯），黃山華惠；導(dǎo)電炭黑，卡博特；有機(jī)導(dǎo)電劑，自制；流平劑，Estron；硫酸鋇，矽比科。

1.2 導(dǎo)電涂料的制備

稱取樹脂及固化劑600 g、填料350 g、有機(jī)導(dǎo)電劑及其它助劑，在高速混合機(jī)中混合5 min，混合后的物料經(jīng)過35平行雙螺桿擠出機(jī)擠出，壓輥壓片，破碎，磨粉，120目過篩。

1.3 性能測(cè)試

通過靜電噴涂方式將制得的導(dǎo)電粉末涂料噴涂在鋼板或鋼管上，并在200℃烘箱中烘烤10 min，從烘箱中取出樣板進(jìn)行以下性能測(cè)試。

電阻：采用電阻計(jì)，按照MT 181—1988《煤礦井下用塑料安全性能檢驗(yàn)規(guī)范》進(jìn)行檢測(cè)。

水煮附著力：采用高溫水箱，按照CJ/T 120—2008《給水涂塑復(fù)合鋼管》進(jìn)行檢測(cè)。

耐沖擊性：采用沖擊儀，按照HG/T 2006— 2006《熱固性粉末涂料》進(jìn)行檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 基料樹脂對(duì)涂層導(dǎo)電性的影響

研究純環(huán)氧、環(huán)氧/聚酯、純聚酯基料樹脂中不同炭黑用量對(duì)涂層表面電阻的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 炭黑用量對(duì)涂層電阻的影響Figure 1 The influence of carbon black amount on the resistance of coating

由圖1可見：純環(huán)氧體系中，當(dāng)導(dǎo)電炭黑用量<3%時(shí)，隨其用量的增加，電阻迅速下降；而當(dāng)導(dǎo)電炭黑用量>3%時(shí)，涂層電阻變化趨緩。環(huán)氧/聚酯、純聚酯體系中也呈現(xiàn)出相似的趨勢(shì)。這是因?yàn)樵谔亢谔畛涞耐繉又?，只有?dāng)導(dǎo)電粒子填充量達(dá)到某一特定值（絕緣性聚合物的堆積密度小到一定值）時(shí)，電流才能通過，涂層才具有導(dǎo)電性，此特定值稱為滲流臨界值［4］。在導(dǎo)電填料體積分?jǐn)?shù)小于滲流臨界值時(shí)，載流子流通的通道完全被絕緣性聚合物所阻斷，此時(shí)，涂層的電阻基本上是絕緣性聚合物的電阻；當(dāng)導(dǎo)電填料的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到滲流臨界值時(shí)，導(dǎo)電粒子相互接觸而導(dǎo)通。這種導(dǎo)電機(jī)理稱為滲流作用，即導(dǎo)電粒子相互接觸而產(chǎn)生的導(dǎo)電作用［5］。在純環(huán)氧體系中，當(dāng)導(dǎo)電炭黑用量<3%時(shí)，導(dǎo)電炭黑所占體積分?jǐn)?shù)較小，載流子流通的通道被絕緣性的環(huán)氧樹脂阻斷，電阻很大；當(dāng)導(dǎo)電炭黑用量≥3%時(shí)，導(dǎo)電炭黑相互接觸，載流子流通的通道連通，電阻迅速下降。所以，純環(huán)氧體系的滲流臨界值為3%。

環(huán)氧/聚酯、純聚酯體系的滲流臨界值約為1.5%，為純環(huán)氧體系的一半。這是因?yàn)閷?dǎo)電涂料成膜后，導(dǎo)電粒子或粒子團(tuán)之間必定包裹有聚合物，當(dāng)兩個(gè)導(dǎo)電粒子之間聚合物薄層（非導(dǎo)電層）<10 nm時(shí)，在電場(chǎng)作用下，電子就能越過很低的勢(shì)壘而流動(dòng)，這種導(dǎo)電機(jī)理稱為隧道效應(yīng)。環(huán)氧/聚酯、純聚酯涂層中含有大量極性非常強(qiáng)的酯鍵，降低了聚合物薄層的勢(shì)壘，便于電子通過。從另一方面講，這也降低了炭黑的滲流臨界值。因此，環(huán)氧/聚酯、純聚酯體系的導(dǎo)電是滲流作用和隧道效應(yīng)綜合作用的結(jié)果。

2.2 導(dǎo)電炭黑對(duì)涂層性能的影響

1#、2#、3#三種導(dǎo)電炭黑的特性見表1。

表1 3種導(dǎo)電炭黑的特性Table 1 The characteristics of three kinds of conductive carbon black

上述3種炭黑制備的涂層的性能見表2。

表2 3種導(dǎo)電炭黑制得的涂層的性能Table 2 The performance of coating prepared by three kinds of conductive carbon black

由表2可見：導(dǎo)電炭黑的性能對(duì)涂層的外觀、導(dǎo)電性、機(jī)械性能影響很大。炭黑的吸油值越大，涂層的流平性和機(jī)械性能越差。導(dǎo)電炭黑的生產(chǎn)方法不同，其導(dǎo)電性也不同。1#、2#導(dǎo)電炭黑制得涂層的導(dǎo)電性、機(jī)械性能和外觀均較好，但2#導(dǎo)電炭黑的成本更低，涂層的外觀和水煮附著力均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，因此，選擇2#導(dǎo)電炭黑較為理想。

2.3 有機(jī)導(dǎo)電劑在粉末涂料中的應(yīng)用

導(dǎo)電炭黑吸油量大，影響涂層的機(jī)械性能和附著力；炭黑填充量大，難以擠出，且分散不均勻；另外，導(dǎo)電炭黑只能制備黑色涂料，顏色單一，難以滿足裝飾性要求。

研制了一種新型有機(jī)導(dǎo)電劑，它可以在一定程度上解決導(dǎo)電炭黑存在的問題。不同導(dǎo)電填料組合對(duì)涂層性能的影響見表3。

表3 不同導(dǎo)電填料組合對(duì)涂層性能的影響Table 3 The influence of different conductive filler compound on the performance of coating

由表3可見：由于有機(jī)導(dǎo)電劑中含有特定的極性基團(tuán)，便于載流子流動(dòng)，具有良好的導(dǎo)電性；有機(jī)導(dǎo)電劑和導(dǎo)電炭黑具有協(xié)同效應(yīng)，可有效降低涂層的電阻；采用有機(jī)導(dǎo)電劑可制得淺色涂層，使得涂層具有更好的裝飾性。

2.4 有機(jī)導(dǎo)電劑在紋理型粉末涂料中的應(yīng)用

為了使得涂層具有更好的裝飾性，粉末涂料通常有砂紋、錘紋、平面等外觀，表4中列出了有機(jī)導(dǎo)電劑在各種紋理型粉末涂料中的應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果。

表4 有機(jī)導(dǎo)電劑在紋理型粉末涂料中的應(yīng)用Table 4 The application of organic conductive agent in the texture powder coatings

由表4可見：有機(jī)導(dǎo)電劑可用于平面、砂紋、錘紋3種常見紋理型粉末涂料中，并且涂層的電阻變化不大。

3 結(jié)語

（1） 環(huán)氧/聚酯、純聚酯體系比純環(huán)氧體系具有更好的導(dǎo)電性，且導(dǎo)電炭黑用量少；

（2） 導(dǎo)電炭黑對(duì)涂層的機(jī)械性能和導(dǎo)電性影響很大，2#導(dǎo)電炭黑制備的涂層具有更好的導(dǎo)電性能和機(jī)械性能；

（3） 有機(jī)導(dǎo)電劑用于粉末涂料中具有良好的導(dǎo)電性，它與導(dǎo)電炭黑具有協(xié)同作用；

（4）有機(jī)導(dǎo)電劑可用于制備平面、砂紋、錘紋等常見的紋理型粉末涂料，所得的涂層具有良好的導(dǎo)電性。

1 張俊智，周師岳.粉末涂料與涂裝工藝學(xué)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008（1）：14.

2 王平，郭洪. 導(dǎo)電涂料［J］.現(xiàn)代涂料與涂裝，1997（3）：1-4.

3 高恭. 炭系導(dǎo)電涂料研究［J］.涂料工業(yè)，1992（4）：1-5.

4 劉亞群，許佩新，章連眾，等.炭系填充型導(dǎo)電復(fù)合材料電性能的研究［J］. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2004，38（2）：253-256.

5 陳偉，張會(huì)堂，劉瑄，等. 炭黑-石墨導(dǎo)電涂料導(dǎo)電性能之影響因素的試驗(yàn)研究［J］.炭素技術(shù)，2003，125（2）：25-27.

The Preparation and Performance Study of Conductive Powder Coatings

Ba Xumin1，2，Pan Xiangdong2，Zhou Zhengfa1，Xu Weibing1
（1.School of Chemistry and Chemical Engineering，Hefei University of Technology，Hefei Anhui，230009，China；2.Axalta Huajia Coatings（Huangshan）Co.，Ltd.，Huangshan Anhui，245061，China）

The powder coating has the insulation characteristics in general，but in some special application fields，such as the mine pipeline coating，the excellent conductive property of coating was required，normally the surface resistance below 106Ω was required. A variety of conductive powder coatings were prepared by the conductive carbon black and organic conductive agent as the conductive components，and pure epoxy，epoxy/polyester hybrid and pure polyester as the base resin. The influence of various conductive materials on the the performance of coatings was studied. The conductive mechanism of conductive powder coatings was expounded. Meanwhile，a preparation method of light color conductive powder coatings was provided.

conductive carbon black；powder coatings；epoxy resin；polyester resin

TQ 630.7

A

1009-1696（2016）06-0013-03

2016-07-19

巴旭民（1984—），男，合肥工業(yè)大學(xué)在職研究生，主要從事粉末涂料的生產(chǎn)和研究。