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抗靜電涂料的抗靜電機理探討

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)濟南特種結構研究所 2．中海油常州涂料化工研究院，		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年09月26日
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Coatings Technology
抗靜電涂料韻抗靜電機理探討 ¨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)濟南特種結構研究所，山東濟南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，對抗靜電涂料
的導電機理進行了探討，介紹了納米管和導電纖維
等具有長徑比值較大的導電填料的應用優(yōu)點。
關鍵詞：抗靜電；涂料，機理；導電纖維
0引言
抗靜電涂料是具有導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)代科學技術而發(fā)展，至今約
有半個多世紀的發(fā)展歷史。早在1 948年，美國公布了將
銀和環(huán)氧樹脂制成導電膠的專利，這是最早公開的導電涂
料。20世紀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60年代美、英、日等國相繼研制出抗
靜電涂料。20世紀80年代國外防靜電技術和電熱涂料技
術獲得迅速發(fā)展，我國也在20世紀50年代開始研究和應
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
導電材料， 于導電和電磁屏敲；體積電阻率為l0 一一1 0
n ·m為半導體材料，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，即使產(chǎn)生靜電荷也會很快向周圍環(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，將積聚在物體
表面的靜電荷及時泄放，避免靜電積累所引起的各種問
題，因此廣泛應用于電子、電器、航空、化工、印刷等多
種工業(yè)領域。
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電的基料樹脂
中添加一定的導電填料實現(xiàn)導靜電的功能，只有導電填料
的體積分數(shù)達到一定的程度才能形成導電網(wǎng)絡或通路，體
現(xiàn)出導電的性質(zhì)。常用的導電填料有：碳系材料(炭黑、石
墨等)、金屬粉末(銀粉、銅粉、鎳粉等)、半導體金屬氧化
物(氧化錫、氧化鐵、氧化鋅)、導電納米粒子和防靜電助
劑等。其中金屬粉末密度大，形成導電通路需要較大的體
積分數(shù)，表層易氧化，會降低甚至失去導電性，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
電填料的應用受到一定限制：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電填料，黑色導電石
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)了半導體金屬氧化物
和納米導電粉等新型導電填料，并在抗靜電涂料中得以應
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，但這類材料單獨使用時添加量大，分散穩(wěn)定性較
差，會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)了使用導電纖維作為導電填料的抗
靜電涂料，由于導電纖維直徑小，長徑比大，僅需很少量
的導電纖維就能在涂層中形成導電的網(wǎng)絡，可減小對涂層
其他性能的影響。
1．1國內(nèi)抗靜電涂料研究現(xiàn)狀
我國對抗靜電涂料的研究在2O世紀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；在本世紀初，該院又采用新型復合 I 3
導電材料為導電介質(zhì)，研制出全新一代淺色抗靜電涂料。 l ! — 一
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為導電填料在該基體內(nèi)的臨界濃度)后，體系內(nèi)的導電填料 一 一。。。 ? ? ? ? ～ ? ?
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(c)場致發(fā)射效應理論 隨著導電纖維長徑比的增加，形成連續(xù)網(wǎng)絡所需的纖
場致發(fā)射效應理論認為，當復合體系中導電填料含量 維濃度顯著地下降。碳纖維的長徑比越大，搭接形成網(wǎng)絡
較低、導電粒子、司距較大、導電粒子之、司的內(nèi)部電場很強 所需的碳纖維體積含量越小，根據(jù)圖3，導電填料長徑比
時，電子將有很大的幾率飛躍樹脂界面勢壘而躍遷到相鄰 與導電填料的臨界濃度(體積分數(shù))見表1。
的導電粒子上，產(chǎn)生場致發(fā)射電流，形成導電網(wǎng)絡。
在導電填料含量較高的情況下，復合體系中導電粒子 表1導電填料長徑比與導電填料的臨界濃度
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高分子導電復合材料 路模型見圖z。 長徑星 善主喜 獸著 ： 季 萎
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圖2高分子導電
圖中2。為導電粒子
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3 導電填料的應用
關于導電復合材料的
專 ]的研究和論述。 1]ev
長 陘比對最大填充分教的
數(shù) 司存在指數(shù)關系，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，也將對納米技術的未來產(chǎn)生重大景鄉(xiāng)響。
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＼l＼ 4結語
薔 ； 、、
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} 經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，科學家們對抗靜電涂料導電
卜 ＼ 機理的研究和認識逐漸深入，在最初的導電通道理論基礎
。 }Ⅲ ＼、 上又 I／X7隧道效應理論和場致發(fā)射效應理論，可以更合
E 理地解釋不同導電填料濃度下涂層導電t生能的變化。
}I ! 現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展對抗靜電涂料的性能要求和需求量
。
。。
‘ 一? ? ；
都將進一步提高。近年來，隨著導電纖維、碳納米管等新
圖3填料長徑比與最大填充分數(shù)的關系 型導電填料的不斷出現(xiàn)和產(chǎn)業(yè)化的實現(xiàn)，代替碳系和貴金
(下轉(zhuǎn)第44頁)
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譽 ≯ 0 Coatings Technology
的附著力要高于此)，而改性聚硅氧烷面漆隨有機改性組分
用量增大，無機組分相應減少，其對無機硅酸鋅底漆的粘
結附著力減弱，故實測附著力下降。三涂層配套體系中，
在附著力和單邊擴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)的是無機富鋅底漆對底材的附著力，面漆對其的影
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
后的附著力和擴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改性組分含量差
異，漆膜的物理機械性能(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，當面漆中有機
改性組分用量增大時，漆膜的物理機械性能(如柔韌性等)
和涂裝施工性能等會有所改善，但漆膜耐老化性能等會明
顯下降，本文暫不詳細討論。
4結語
在本項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，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，劃線處單邊擴蝕小于3 mm，試驗后附著力遠大于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到常規(guī)三涂
層防腐效果，對簡化涂裝工序、大大節(jié)約涂裝成本來講，
其意義深遠，有必要繼續(xù)研究與關注。目前海洋大氣用高
耐候改性聚硅氧烷涂料受關注度遠不及氟碳涂料，在涂裝
應用上還有待提高完善，但隨著我國環(huán)境保護的日益重視
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
美好的應用前景。
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(上接第4O頁)
屬粉末等傳統(tǒng)導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)等領域發(fā)揮更重要的作用。
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