水性导电涂料配方研究

水性导电涂料是一种新兴的环保型特种功能材料,广泛应用于防腐、电磁屏蔽、抗静电等领域。特别是在出口的移动通讯、广播、雷达、磁疗、计算机产品之中,水性导电涂料有着广泛的应用前景。华津思的R4188 高固含量的水性脂肪族聚氨酯分散体具有优异的硬度,柔性及韧性,非常适合水性导电涂料的应用。 下文转载自昆明理工大学材料与冶金学院申蓓蓓 和郭忠诚的论文。此文着重于水性塑胶漆,但对运用于其他底材的水性导电涂料也有很高的参考价值。您如果有具体的配方问题,可以直接同我们联系。

0  引 言

导电涂料是涂于高电阻率的高分子材料上 , 使之具有传导电流和排除积累电荷能力的特种涂料。在非金属 ( 如塑料、陶瓷、木制产品、玻璃钢、石膏等 ) 电镀中 , 传统的前处理工艺流程长 , 废水量大 , 导致生产成本高 , 因此 , 若在非金属产品表面喷涂一层导电层 , 然后就可以直接电镀其他金属。这样 , 一方面可以节约成本 , 另一方面还可以降低环境污染。因此 , 导电涂料在非金属电镀中具有广阔的应用前景。移动通讯、广播、雷达、磁疗、计算机等等在给现代人生活带来方便和快捷的同时 , 也使电磁波辐射成为了一种新的社会公害。应运而生的电磁屏蔽涂料已经成为生态环保型涂料的重要组成部分 [ 1 ] 。此外 , 导电涂料还具有防静电、防腐等功能。水性导电涂料既具有良好的电磁屏蔽效能 , 又具有一定的环保性能 , 而且其成本相对于溶剂型涂料而言已大为降低 , 因此 , 水性导电涂料的开发研究势在必行 。本工作将研究水溶性银包铜粉导电涂料。

1  实验方法
1. 1  原 料
水溶性丙烯酸树脂 3% 银包铜粉导电填料 ( 平均粒径为 5. 5 μ m) : 昆明理工恒达科技有限公司提供 ; 离子水或蒸馏水 ;
乙二醇丁醚 ; 乙醇; 添加剂 A 、 B 和 C 。

1. 2  导电涂料的制备
将银包铜粉、蒸馏水和添加剂 A 和 B 在容器中混合 , 得组分 1, 搅拌。同时将添加剂 B 和 C, 乙二醇丁醚、乙醇、丙烯酸树脂 , 搅拌均匀得组分 2 。组分 1 搅拌 30 min 后加入到组分 2 中 , 再搅拌 30 min, 即可制得水溶性导电涂料。

1. 3  塑料件的涂装
塑料本身是高分子材料 , 其结构和性能与金属有很大不同 , 同时 , 由于成型过程中 , 模本身的缺陷及配方中助剂的渗出、模具表面脱模剂的存在等 , 都是金属涂装时不需考虑但在塑料涂装所要考虑的首要问题 。本实验于 ABS 板上喷涂 , 其工艺条件如下 : ①前处理 : 由于塑料件表面存在的脱模剂与灰尘必须除去 , 在喷涂前用乙醇擦拭 , 同时需清除塑料表面静电 ; ②喷涂条件 : W – 71 口径为 1 . 5 ~ 2 mm, 喷嘴和实物距离在 100 ~ 200 mm, 喷涂气压为 0 . 4 ~ 0 .6MPa, 膜厚 10 ~ 15 μ m 。③干燥条件 : 对不同的塑料采用不同的干燥条件 ,ABS 塑料板耐温性不好 , 烘箱内温度控制在 50 ℃ 左右 , 时间以 20 ~ 30 min 左右为宜。

1. 4  导电涂料性能测试
将制得的导电涂料涂敷于 ABS 塑料板 , 测得导电涂料的性能如表 1 所示。

表 1  水性导电涂料的性能参数

chart1

2  结果与讨论
2. 1  树脂的选择
本研究是以 ABS 板为底材 , 适合的树脂有丙烯酸树酯、聚氨酯、环氧类。即使是同一种原材料 , 但不同的生产厂家由于生产工艺的不同 , 质量检测控制的标准和手段差异以及自动化程度的高低 , 所生产出来的原材料性能可能不完全相同 , 有时甚至会有很大的差异 , 所以要尝试找到适合本体系的树脂 [ 4 ] 。本研究采用丙烯酸树脂 , 测试了 5 个厂家的树脂 , 测试结果如表 2 所示。

表 2  不同基体树脂对涂料导电性能的影响

chart2

注 : 5 种树脂的总固含量均为 7 .7 g 。
表 2 结果表明 2 # 最适合本体系 , 所以选用 2 # 树脂。再者树脂的含量也对漆膜性能有很大影响 , 本研究表明 , 增加树脂的用量 , 附着力会有所增加 , 但量太大 , 会影响涂料的导电性 , 固含量太大 , 也会影响涂装。树脂固含量 22% 左右 , 漆膜性能最佳。

2. 2  导电填料加量对漆膜导电性能的影响
银粉的化学稳定性好 , 导电性高 , 但价格昂贵 , 使用受到限制。铜粉的导电性也好 , 价格低廉 , 但铜粉的抗氧化性较差 , 对其进行防氧化处理即可获得其使用价值。本研究采用 3% 片状银包铜粉为导电填料 , 水溶性丙烯酸树脂为基料 , 制得水溶性导电涂料 , 导电涂料的电阻率与银包铜粉添加量的关系见图 1 。

图 1 银包铜粉含量对漆膜导电性能的影响

Pic1

由图 1 可知 , 随着银包铜粉添加量的增加 , 漆膜的表面电阻率呈下降趋势。当银包铜粉含量为 25% 时 , 表面电阻率 1. 2 Ω• cm – 1 , 表示漆膜未导通 ; 当银包铜粉含量在 30% ~ 35% 之间 , 表面电阻率明显下降 , 银包铜粉含量超过 35% 后 , 电阻率下降缓慢 , 填料含量 > 45% 后 , 电阻率反而有所回升。导电填料对涂料性能的影响符合掺合性导电高聚物无限网链理论 [ 5 ] , F Bueche 提出的掺合性导电高聚物无限网络理论指出 , 在含有金属微粒的高聚物体系中 , 金属微粒会形成一种导电无限网 , 载流子可以在其中自由移动 , 从而使绝缘体变成半导体或导体。导电网链越多 , 填料粒子分布越均匀 , 导电性就越高。当银包铜粉含量小于 30% 时 , 粒子大都被树脂包围 , 无贯穿整个漆膜的主干通路。而在 30% ~ 35% , 涂料中的固含量增大 , 导电填料彼此接触形成无限网链和连续的电子传递 , 形成的导电通道迅速增加 , 涂层的表面电阻率随填料用量的增大而降低。在银包铜粉含量大于 35% 时 , 由于粒子在基料中已构成导电通路的网络 , 再增加银包铜粉并不能使导电通路明显增加 , 因此漆膜的表面电阻率下降趋缓。之后 , 再增加银包铜粉量 , 基料相对于填料用量太少 , 此时基料已不能完全润湿导电填料 , 会出现涂层性能下降和电阻上升的趋势。因此 , 兼顾涂料的导电性和较好的涂层性能 , 并考虑到要尽量降低生产成本 , 使导电填料用量最低 , 我们选取银包铜粉量在 35% ~ 44% 的稳定区域。

2. 3  水加量对漆膜导电性能的影响
在含有 35% 银包铜粉的丙烯酸树脂中分别加入不同含量的水 , 将其均匀涂覆于 ABS 塑料板表面 , 待其实干后 , 测量其表面电阻率 , 实验结果如图 2 所示。

图 2 水含量对漆膜导电性能的影响

Pic2

从图 2 可以看出 , 水含量在 28% ~ 40% 时 , 涂料导电性最好。这是因为水含量过少时 , 树脂溶解不充分 , 导电填料在涂料中不能很好地分散和润湿 , 妨碍了粒子间的直接接触和干燥时涂膜的收缩 ; 水过多时 , 涂料涂装烘干后单位面积涂膜金属粉减少 , 粒子间距大 , 影响导电填料的导电网链 , 所以导电性降低。

2. 4  分散防沉剂用量及其加入方式对漆膜导电性能的影响
在水性体系中 , 分散剂的亲油和憎水基团吸附在粒子表面上 , 而亲水或憎油基团则引伸向水相 , 依据分散剂类型的不同靠电荷斥力或空间位阻作用使颜填料粒子相互稳定 , 防止聚结。本研究表明 , 分散防沉剂的加入 , 明显改进了漆膜的附着力及其导电性能。未加分散防沉剂前 , 漆膜附着力很差 , 有掉粉现象。加入后附着力达 95% 以上。本研究对此分散防沉剂做了条件实验 , 得出适合本体系的最佳用量。其对表面电阻率的影响如图 3 所示。

图 3 分散防沉剂加入量对漆膜导电性能的影响

pic3

由图 3 可以看出 , 当不加分散防沉剂时 , 漆膜的电阻率很大 , 加入后 , 电阻迅速下降 , 但随着添加量的增加 , 电阻又慢慢回升。这是因为不加分散防沉剂时 , 银包铜粉的分散性差 , 不均匀 , 聚集体多 , 所以电阻高 ; 加入此助剂后 , 金属粉分散性得到改善 , 金属粉分布均匀 , 电阻下降 ; 助剂吸附包覆在金属粉表面上 , 从而使金属粉分散均匀 , 但进一步增加助剂的用量 , 包覆层太厚 , 金属粉之间无法直接接触 , 电阻又慢慢回升。该分散防沉剂可以在金属粉分散前加入 , 也可以在分散后加入 , 两种方式均可对金属粉起到润湿分散的作用。本实验对两种分散方式进行了对比 , 分散后加入漆膜电阻率 0 . 20 Ω / cm, 分散前加入漆膜电阻率能达到 0 .13 Ω / cm 。结果表明 , 分散前加入效果更好。分散前加入 , 助剂能充分润湿金属粉 , 使金属粉分散得更均匀 , 所以电阻更低

2. 5  固化温度对漆膜导电性的影响
由于 ABS 塑料不耐高温 , 一般热变形温度为 80 ~ 90 ℃ , 所以不宜选择太高温度。固化温度对漆膜导电性能的影响如图 4 所示。

图 4 固化温度对漆膜导电性能的影响

Pic4

由图 4 可以看出当温度小于 55 ℃ 时 , 随着温度的升高 , 导电性增大 , 在 55 ℃ 附近时电阻迅速下降 , 高于 55 ℃ 时 , 温度升高 , 导电性下降。这是因为温度过低时树脂浮于涂料表面 , 从而降低涂料的导电性 , 温度过高时 , 水的挥发速度加快 , 破坏了填料形成的导电网络 , 同时温度过高 , 导电填料氧化 , 涂层遭到破坏 , 导电性降低 。

2. 6  涂膜厚度对导电性能的影响
涂膜厚度对导电性的影响见图 5 。

图 5 涂膜厚度对漆膜导电性能的影响

Pic5

由图 5 可以看出 , 随着涂层厚度的增加 , 导电性能增强。这是因为涂膜较薄时 , 导电网链还没有完全形成或网链还不完整 , 因而导电性能比较低。随着涂膜厚度的增加 , 形成导电网络的几率增大 , 导电性能增强。但随着涂膜厚度的增加 , 电阻降低缓慢 , 涂料的附着力会降低 , 所以因根据实际需要选择涂膜的厚度。

3  结 语
本研究选择树脂固含量为 29% , 银包铜粉用量选取在 35% ~ 44% , 水的含量以 28% ~ 40% , 分散剂 A 用量为 0 . 62% 左右 , 固化温度 55 ℃ , 喷涂厚度可获得较佳的涂膜性能 , 塑料用水溶性导电涂料具有较好的导电性 , 对塑料具有良好的附着力 , 综合性能优良。这种水性导电涂料具有不污染环境 , 性能优良的突出优点 , 属于环保型特种功能材料 , 在许多领域都有应用价值 , 具有广阔的发展前景。

请留言

抢先留言!