復(fù)合型導(dǎo)電涂料一般以普通的絕緣聚合物為主要基質(zhì)(成膜物),并摻入一定的導(dǎo)電填料,混合研磨后涂于工件上,在一定的溫度下固化成膜[1]。其中價(jià)格低、耐氧化的炭黑復(fù)合導(dǎo)電涂料的研究和開發(fā)越來越受到重視。導(dǎo)電涂料的導(dǎo)電性能主要與填料的導(dǎo)電性、含量、顆粒大小以及聚合物與填料顆粒的相容性等因素有關(guān),炭黑顆粒越細(xì),網(wǎng)狀鏈堆積越緊密,比表面積就越大;單位質(zhì)量顆粒多,就越有利于在基質(zhì)中形成鏈?zhǔn)綄?dǎo)電結(jié)構(gòu)。在其它條件一定時(shí),炭黑顆粒在聚合物中的分散狀況將決定導(dǎo)電涂料的導(dǎo)電性能。炭黑顆粒達(dá)到納米級(jí)時(shí),比表面積很大,在涂料制備過程中容易產(chǎn)生絮凝現(xiàn)象,而偶聯(lián)劑會(huì)顯著影響填料在基質(zhì)中的分散性和濕潤性[2],因此有必要研究不同偶聯(lián)劑對(duì)涂料導(dǎo)電性能的影響。另外,碳系復(fù)合導(dǎo)電涂料成膜過程中易產(chǎn)生裂紋而使得導(dǎo)電穩(wěn)定性較差,影響涂料的應(yīng)用,有效的處理方法之一就是加入偶聯(lián)劑。由此可見,偶聯(lián)劑的應(yīng)用將直接決定碳系復(fù)合導(dǎo)電涂料導(dǎo)電性能的優(yōu)劣。本實(shí)驗(yàn)主要研究了三種鈦酸酯偶聯(lián)劑ＮＴＣ 401、ＣＴ 136、ＪＳＣ,兩種硅烷偶聯(lián)劑ＫＨ 550、ＫＨ 570對(duì)炭黑導(dǎo)電涂料導(dǎo)電性能的影響,發(fā)現(xiàn)不同的偶聯(lián)劑、以及同一種偶聯(lián)劑的不同加入方式,都對(duì)導(dǎo)電性能產(chǎn)生了不同的影響。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1　實(shí)驗(yàn)設(shè)備高速攪拌機(jī):ＬＪＱ 4型,天津市偉達(dá)試驗(yàn)機(jī)廠;超聲波振蕩器:ＣＸ 250型,北京醫(yī)療設(shè)備廠;數(shù)字多用表:ＢＹ 1943型,上海恒平科學(xué)儀器有限公司;電子天平:ＤＴ系列,江蘇常熟長青儀器儀表廠;電熱恒溫干燥箱:ＤＨ72.1型,黃石市醫(yī)療器械廠。

1.2　實(shí)驗(yàn)材料特導(dǎo)電炭黑ＨＧ ＩＰ:平均粒徑33ｎｍ,比電阻值0.52Ω·ｃｍ,淄博市臨淄華光化工廠;醇酸清漆:石家莊市金魚油漆廠;醇酸專用:石家莊市金魚油漆廠;鈦酸酯偶聯(lián)劑:ＮＴＣ 401、ＣＴ 136、ＪＳＣ,南京曙光化工廠;硅烷偶聯(lián)劑:ＫＨ 550、ＫＨ 570,蓋州市化學(xué)工業(yè)有限公司。

1.3　試樣制備

將按照ＧＢ172779規(guī)定的75×25ｍｍ玻璃板用洗凈,烘干后置于干燥皿中待用。偶聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%、4.5%、5%,炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為15%。將特導(dǎo)電炭黑用偶聯(lián)劑處理后,加入醇酸樹脂以及用高速攪拌機(jī)進(jìn)行分散,然后按ＧＢ172779的刷涂法,涂于玻璃板上,每個(gè)樣品做3塊平行試樣,之后室溫固化24ｈ,在60℃下固化,待漆膜完全干燥后進(jìn)行表面電阻測試。對(duì)ＫＨ 550質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%的體系,采用四種方法進(jìn)行試驗(yàn):①直接加入法,按上述步驟將偶聯(lián)劑、炭黑直接加入樹脂中制成樣品;②預(yù)處理法,將偶聯(lián)劑用專用進(jìn)行稀釋后,加入炭黑,在磁力振蕩機(jī)中振蕩60ｍｉｎ,過濾,自然干燥后按上述步驟制成樣品;③后處理法,將偶聯(lián)劑和醇酸樹脂混合均勻后,放置于磁力振蕩機(jī)中振蕩60ｍｉｎ后加入炭黑,按上述方法制成樣品;④綜合處理法,將所用的偶聯(lián)劑分成兩份,分別按②、③的方法對(duì)炭黑和醇酸樹脂進(jìn)行處理后按上述方法制成樣品。

1.4　性能測試采用數(shù)字多用表測定試樣的電阻值Ｒ,ＳＥＭ觀察涂層表面狀態(tài)。

2　結(jié)果與討論

2.1　偶聯(lián)劑對(duì)導(dǎo)電性的影響偶聯(lián)劑通過化學(xué)反應(yīng)和無機(jī)填料表面進(jìn)行偶聯(lián)結(jié)合,從而可提高填料在基料中的分散性和濕潤性。需要根據(jù)不同的基料填料體系,以及要實(shí)現(xiàn)的功能來選擇合適的偶聯(lián)劑及其處理方法。本實(shí)驗(yàn)研究的炭黑醇酸導(dǎo)電涂料在不加任何偶聯(lián)劑的情況下,其電阻為105Ω。按照直接加入的工藝,研究五種偶聯(lián)劑對(duì)導(dǎo)電性的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1、圖2所示。



圖1為三種鈦酸酯偶聯(lián)劑ＮＴＣ 401、ＣＴ 136、ＪＳＣ對(duì)體系導(dǎo)電性的影響。如圖1所示,加入ＮＴＣ 401、ＣＴ 136、ＪＳＣ后,涂層的電阻沒有改善,相反隨著偶聯(lián)劑用量增加,電阻值還從104Ω升高至279Ω。說明ＮＴＣ 401、ＣＴ 136、ＪＳＣ對(duì)炭黑-醇酸的偶聯(lián)厚度可能較大,阻礙炭黑顆粒的相互接觸,因而導(dǎo)電性降低。因此,ＮＴＣ 401、ＣＴ 136、ＪＳＣ并不適合該體系。硅烷偶聯(lián)劑ＫＨ 550和ＫＨ 570對(duì)體系導(dǎo)電性的影響見圖2所示,在偶聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～2.5%的范圍內(nèi),均能適當(dāng)降低涂層的電阻。對(duì)于ＫＨ 550,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2 5%時(shí)涂層電阻達(dá)到低值43Ω;而ＫＨ 570質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%時(shí),電阻為54Ω。因此較合適的偶聯(lián)劑是ＫＨ 550,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%。在沒有加入偶聯(lián)劑的情況下,33ｎｍ的特導(dǎo)電炭黑很難與樹脂緊密結(jié)合,成膜性不好,如圖3所示為涂層的成膜情況,其中圖3(ａ)則是無偶聯(lián)劑體系的ＳＥＭ電鏡照片。由圖可見,炭黑微粒分散不均勻,尤其炭黑與樹脂未見良好的界面過渡層;當(dāng)復(fù)合體系加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%的ＫＨ 550時(shí),見圖3(ｂ),此時(shí)炭黑微粒的分散性很好,偶聯(lián)劑明顯改善了炭黑與醇酸樹脂的相容性和化學(xué)反應(yīng)性,賦予炭黑與基體良好的界面粘接性,而且偶聯(lián)厚度合適,此時(shí)涂層的電阻低。



2.2　不同處理方法對(duì)導(dǎo)電性的影響根據(jù)偶聯(lián)劑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、耐水性、實(shí)際使用的對(duì)象和場合,采用有效的使用方法,才能充分實(shí)現(xiàn)偶聯(lián)劑的效果。偶聯(lián)劑的一般使用方法有兩種:預(yù)處理法和直接加入法[2]。實(shí)驗(yàn)中還在此基礎(chǔ)上考慮了后處理法和綜合處理法,在偶聯(lián)劑對(duì)樹脂和填料的作用機(jī)理上進(jìn)行了考察。對(duì)于ＫＨ 550采用不同方法進(jìn)行處理所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1所示。表1結(jié)果表明,預(yù)處理法得到的涂層電阻高,后處理法次之,直接加入法得到的涂層電阻較低,而綜合處理法低。根據(jù)復(fù)合型導(dǎo)電涂料的導(dǎo)電機(jī)理,只有在導(dǎo)電粒子表面形成厚度適中的保護(hù)膜時(shí),偶聯(lián)劑才能起到分散、保護(hù)作用,同時(shí)又能提高導(dǎo)電性[3,4]。當(dāng)偶聯(lián)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定時(shí),預(yù)處理法由于能夠避開溶劑和醇酸樹脂的影響,因而包覆效果好,但影響了涂層的導(dǎo)電性;綜合處理法的效果好,在這種情況下,偶聯(lián)劑中極性段與炭黑表面產(chǎn)生吸附作用,包括化學(xué)吸附和物理吸附,使得偶聯(lián)劑包覆在炭黑顆粒表面,形成一定厚度的阻礙層,降低了炭黑粒子間的吸引力及凝聚力[5];同時(shí)用偶聯(lián)劑的柔性段對(duì)基質(zhì)形成了很好的相容性,將兩者混合分散后,獲得了較好的分散穩(wěn)定性。后處理法中,偶聯(lián)劑與醇酸樹脂-溶劑體系混合較長時(shí)間后(60ｍｉｎ),偶聯(lián)劑可能已經(jīng)失去了偶聯(lián)功能,是不合常規(guī)的處理方法,似乎是沒有意義的,但結(jié)果表明,后處理法依然能降低體系電阻,說明偶聯(lián)劑在導(dǎo)電涂料中的作用并非僅僅是偶聯(lián)、分散。對(duì)于比較復(fù)雜的復(fù)合導(dǎo)電涂料體系,如何選擇或者設(shè)計(jì)合成高效的偶聯(lián)劑,依賴于對(duì)偶聯(lián)劑作用機(jī)理的深刻認(rèn)識(shí)。上述研究表明,偶聯(lián)劑的作用可能不止于偶聯(lián)、分散,其它作用尚須進(jìn)一步深入研究。由此可見,加入合適的偶聯(lián)劑能夠提高導(dǎo)電性。

3　結(jié)論(1)對(duì)于不同的復(fù)合導(dǎo)電涂料體系,可通過實(shí)驗(yàn)選擇合適的偶聯(lián)劑及用量。(2)炭黑-醇酸導(dǎo)電涂料中,硅烷偶聯(lián)劑ＫＨ 550質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%,分別用偶聯(lián)劑對(duì)炭黑和醇酸進(jìn)行處理后再加入,所得的體系具有較好成膜性的同時(shí),體系的導(dǎo)電性好。

導(dǎo)電炭黑系列主要品種CD-1 CD-2 CD-3 CD-4 CD-5 CD-6 CD-7 代理科琴，捷克導(dǎo)電炭黑。

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