一、概述
導電涂料是一種發展迅速的新型涂料。早在20世紀50年代世//界各國就廣泛地開展了研究和生產。1957年日本開發并生產了導電涂料。從50年代開始，美國研制出飛機雷達罩用系列導靜電涂料，其涂膜表面電阻為5～15MΩ，80年代又研制出一種保護飛機雷達罩的白色導電涂料，保證飛機雷達正常工作。我國也在50年代開發了導電涂料，如第一汽車廠制得的防銹性導電涂料、上海合成樹脂研究所研制出的DAD-5環氧導電膠黏劑、武漢化工研究所開發出的低電阻率的環氧導電涂料、原化工部涂料研究所研制成功的彈性聚氨酯有機硅為基料的導靜電涂料，涂膜表面電為106～107Ω。可用于飛機雷達罩。近年來，導電涂料已廣泛應用于航空、航天、電子、電器、石化和印刷等眾多領域。
1.導電涂料定義及性能
（1）定義 涂于工件上的涂料形成涂膜具有傳導電流和排除積累靜電荷的能力，稱為導電涂料。即可形成具有導電性涂膜（或膜層）的涂料為導電涂料。
（2）性能 導電涂料形成的涂膜具有導體和半導體的性能。涂料組分中至少有一種材料具有導電性，以保證形成的涂膜為導體或半導體，即涂膜的體積電阻率小于1010Ω·cm。圖7-3為導體、半導體和絕緣體的體積電阻率。
 2.導電涂料分類
（1）按基料的導電性分類
 本征導電聚合物主要有：聚乙炔、聚苯硫醚、聚吡咯、聚噻吩、聚喹啉、聚苯胺等。
摻合型導電涂料的制造工藝簡單、選材廣泛、成本較低，因而得到廣泛應用。
（2）按使用特性分類
 3.導電原理
（1）本征型導電涂料的導電原理對于共軛鏈聚合物，當大分子的分子軌道強烈“離域”，同時分子軌道間能夠重疊時，聚合物本身便能產生載流子（電子或孔穴）以輸送載流子，從而顯示出導電性能。
對于非共軛鏈聚合物，若分子間的π電子軌道互相重疊；或者具有電子施主受主體系（又稱電子給予體一接受體體系）時，也可以產生載流子和輸送載流子，從而顯示出導電性。
（2）摻合型導電涂料的導電原理導電涂料形成涂膜時，導電填料之間彼此接觸產生“導電通道”，形成連續導電網絡，供電子流通。這種導電原理屬于電子傳遞型，通過自由電子沿外加電場方向移動形成電流。除導電粒子間的接觸外，電子在分散于聚合物母體中的導電粒子間隙里遷移會產生電子導通，即“隧道效應”；或由于導電粒子間的高強度電場，產生電流發射。
二、導電涂料的組成
導電涂料由基料（膠黏劑）、導電材料（摻合型導電涂料中的導電材料稱為導電填料，本征型導電涂料中的導電材料為基料自身）、溶劑和助劑組成。環氧導電涂料還應加入固化劑。
1.導電材料導電材料是賦予涂膜導電性的關鍵組分。無機導電填料、有機導電材料是導電涂料的基礎材料。
（1）無機導電填料無機導電填料主要有銀粉、銅粉、鎳粉、炭黑、石墨粉、碳纖維、金屬氧化物等。
①炭黑及石墨炭黑是由烴類化合物經熱分解制得。炭黑的球形粒子組成無定形晶體，晶子周圍含有不飽和的自由鍵，這種鍵使炭黑粒子彼此集聚形成大小不等的分支短鏈，即是炭黑的形態結構。爐法炭黑的集聚狀態高于槽法炭黑，乙炔炭黑集聚狀態最高。炭黑的形態結構不同，其導電性也不同。高形態結構的炭黑（如乙炔炭黑）和導電炭黑，其粒子鏈和網絡能形成導電性配合體，則導電性很高；而低形態結構的炭黑，缺乏粒子鏈，則導電性很差。炭黑中含有氫、氧、灰分和水等都會提升電阻率、降低導電性。對于導電制品和導電涂料可選用導電槽黑、導電爐黑、超導電爐黑、特導電爐黑、乙炔炭黑等。
石墨是碳的一種單質，質軟灰黑、相對密度2.25，熔點3527℃，化學性質穩定，能導電。在石墨晶體中，碳原子以sp2雜化軌道和鄰近的三個碳原子形成共價單鍵，并排列成六角平面的網狀結構。這些網狀結構又連成互相平行的平面，構成片狀結構。平面內的碳.碳鍵距是1.415×10-10m，片層間的距離是3.35×10-10m。石墨片層間容易滑動，是因為未參與雜化的p電子比較自由，相當于金屬晶體中的自由電子。所以石墨具有導電和導熱等性能，它也是可供選用的導電填料。
②金屬粉及導電纖維金屬粉是顆粒狀導電填料，主要品種有金、銀、銅、鎳、鈀、鉑、鐵、鋁等金屬粉。金屬粉導電填料有優良的導電性和導熱性，其導電能力隨溫度升高而降低。
纖維狀導電填料品種有碳纖維、金屬纖維、金屬化玻璃纖維。幾種顆粒狀和纖維狀導電填料的性能見表7-84。
③金屬氧化物及包覆料 金屬氧化物和包覆料的體積電阻率見表7-85。
  （2）有機聚合物導電材料
①導電聚合物的結構及其導電性 有機聚合物導電材料稱為本征導電聚合物。要使聚合物本身具有導電性，可將小分子聚合成具有一維或二維的大共軛體系高聚物，π電子在高分子內重疊；也可利用共軛分子π電子云的分子間重疊。由于共軛分子是平面分子。若在晶體中一維堆砌成分子柱，只要分子間距離足夠小，就有相當的π電子云重疊，因而呈現較高的導電性。
可供導電的聚合物，一是具有共軛雙鍵的聚合物，如聚乙炔和聚苯乙炔可作為導電材料；二是電子轉移復合物，這類聚合物是在電子給予體分子（D）和電子接受體分子（A）之間，電子從D分子上部分或完全轉移到A分子上而形成復合物（Dσ+Aσ-），如聚2-乙烯基吡啶碘的復合物在含碘90%～95%時，電導率為107S/m；三是含有金屬原子的共軛結構聚合物，這類聚合物主要是螯合物，即聚合物中引進金屬原子可增加其導電性。
導電聚合物的結構及體積電阻率見表7-86。
 ②聚苯胺的開發應用 聚苯胺聚合物（PANI）以其原料易得、價格低廉、制法簡單、導電性優良、穩定性好等優點，為人們所青睞，現已成為導電高分子材料中最有發展潛力的品種之一。
聚苯胺是一種具有金屬光澤的粉末，因其分子內有大的線型共軛7r電子體系，其自由電子可隨意遷移和傳遞，成為最具代表性的有機半導體材料。與其他導電聚合物相比，聚苯胺具有結構多樣化、耐氧化和耐熱性好等優點，同時有特殊的摻雜機制。聚苯胺及其衍生物不僅可通過質子酸的摻雜獲得良好的導電性，而且可通過加入氧化劑或還原劑使其骨架中的電子云遷移發生改變，即“氧化還原摻雜”，摻雜后的聚苯胺及其衍生物的導電率可提高10個數量級以上，并改善其在溶劑中的溶解性和加工性能。目前，解決導電聚苯胺可溶性的方法有功能質子酸摻雜、結構修飾、制備可溶性復合物、制備膠體顆粒等。近年來水溶性導電聚苯胺已成為開發研究的熱點。UNIAX公司通過溶液共混方法制備了一種性能優異的透明導電涂層，透光率達80%，而表面電阻僅為192Ω，可以作導電玻璃。采用原位復合方法可使PANI在很低含量下就可具有較高的導電率，這是制備導電聚合物復合材料的一種有發展前景的方法。
隨著聚苯胺加工問題的解決，以聚苯胺為基礎的各種抗靜電和電磁屏蔽材料相繼問世。如美國的UNIAX公司利用有機磺酸摻雜的聚苯胺與商用高聚物共混，制備各種顏色的導靜電地板。利用透明的聚苯胺制備可熱固化的涂料，該涂料與聚合物基體有良好的黏結性、耐磨損、耐化學腐蝕；制成水溶性聚苯胺水乳液，用它制造防腐蝕和導靜電涂料。美國已將導電聚苯胺用于火箭發射平臺的防腐蝕涂料。日本制造一種透明的PANI導靜電涂料，用于4MB的軟盤上，效果非常好。
本征導電聚合物（ICPS）是一類新型的微波吸收材料，而高導電及高介電常數的PANI在微波頻段能有效地吸收電磁輻射。當摻雜態的PANI處于無定形態時，其吸收比率最大，利用PANI吸收微波特性，已用作軍事上的偽裝隱身。如法國正在研制一種隱形潛艇，以PANI為首的包括聚吡咯、聚噻吩等本征導電聚合物在排除電磁波干擾中，發揮了巨大作用。
關于聚苯胺樹脂用于生物傳感器的課題也在開發研究，由于PANI導電聚合物有電化學活性，在氧化還原過程中，陰離子能摻雜進去，為酶的固定提供了新途徑。今后一種性能更好的聚苯胺及其衍生物的導電聚合物將展現在世人面前，其可清除空間電子霧、排除電磁波干擾，為導電材料的發展作出貢獻。
2.基料摻合型導電涂料的基料有時稱膠黏劑，是導電涂料的主要成膜物。幾種有機聚合物的體積電阻率列于表7-87。
 從表7-87知，聚合型材料如聚烯烴等體積電阻高，耐縮聚型樹脂由于分子中含有極性基團，因此具有較低的體積電阻。1～3類高聚物成膜后都有積累靜電的潛在危害。
選取基料：石墨=2：1（質量）制成導電涂料，測定涂膜兩點相距2cm的表面電阻值，結果見表7-88。
 3.助劑
（1）抗靜電劑
①抗靜電劑的作用 除本征型導電聚合物外，涂料中的基料形成涂膜都具有很好的電氣絕緣性，以致表面電阻率較高，產生靜電荷時，不能迅速地逸散電荷，造成涂膜表面靜電荷積累。抗靜電劑是一種添加于涂料之中或涂覆于涂膜表面，能構成泄漏電荷的通道、避免或減少靜電荷積累的添加劑。把添加到材料之中的抗靜電劑稱為內加型抗靜電劑；涂覆予材料表面的抗靜電劑稱為外涂型抗靜電劑。導靜電涂料用抗靜電劑為內加型。在涂料中，抗靜電劑通過以下四種方式起導靜電作用：一是離子型抗靜電劑可增加涂膜表面的離子濃度，提高導電性；二是介電常數大的抗靜電劑可增大涂膜表面的介電性，有利于電荷泄漏；三是抗靜電劑可增大涂膜表面的平滑性，降低摩擦系數，不利于電荷產生和積累；四是抗靜電劑的親水基可增加涂膜表面的吸濕性，形成單分子導電層，構成泄漏電荷通道。
②抗靜電劑分類及組成抗靜電劑的分類、品種組成及應用特點列于表7-89。
 ③抗靜電劑品種陽離子型抗靜電劑和非離子型抗靜電劑是可供導靜電涂料選用的品種，它們的化學組成、性質及用途見表7-90和表7-91。
涂料中加入抗靜電劑可使涂膜具有導靜電的功能，其中陽離子型抗靜電劑效果最好，最常用。選用抗靜電劑應注意以下三點：一是抗靜電劑的穩定性，包括熱穩定性、導靜電持久性、遷移性和耐擦洗性；二是抗靜電劑與基料（膠黏劑）的相容性和貯存穩定性；三是抗靜電劑導電性對濕度的敏感性。
（2）其他助劑其他助劑必須使導電填料充分分散、提高涂料流平性、改善涂膜潤滑性、增加補強性等。應根據不同的基料和導電填料，恰當合理地選擇助劑。助劑添加量過多會對導電性產生不良影響。
另外，在無溶劑型環氧導電涂料和環氧導電膠黏劑的配方設計時，選用硅烷偶聯劑可取得滿意的效果。
4.溶劑溶劑是導電涂料的輔助組分。選用溶劑時，應保證溶劑對基料有充分的溶解能力、不使導電填料的導電性受到影響、不降低導電涂膜的物理化學性能、有利于涂料施工和貯存。通常對于常溫固化型涂料應選擇揮發速度稍快的溶劑，熒光屏印刷等用導電涂料應選擇揮發速度慢的溶劑。
5.固化劑 以環氧樹脂為基料的導電涂料必須選用固化劑。常用的固化劑有聚酰胺、改性脂肪胺、改性芳香胺、異佛爾酮二胺、咪唑類、醇胺類和固化促進劑等。 環氧樹脂 - m.ytfilter.com -(責任編輯：admin) |