导电填料对粉末涂料导电性能的影响

贾林1, 戚嵘嵘2

( 1. 帝兴树脂(昆山)有限公司, 江苏昆山215314; 2. 上海交通大学高分子科学与工程系, 上海200240)

0 引言

热固性粉末涂料利用效率高、不含挥发性物质、易于操作、环保, 通常采用静电喷涂法涂装。粉末涂料通过摩檫或电晕放电而带电, 然后涂覆到工件上, 并通过静电力粘着在工件上。将涂覆有粉末涂料的工件加热到粉末涂料软化点以上的温度, 粉末涂料开始熔化并在工件上形成连续的膜。进一步加热后, 就会引发粉末涂料的交联反应。冷却后, 得到连续、耐久的涂层。在某些应用中, 希望涂敷的表面具有低表面电阻来提供抗静电性能, 甚至是导电性能。通过添加导电填料制得的复合性导电和抗静电粉末涂料电性能持久稳定, 性能易调节。在这种类型的粉末涂料中随着导电填料粒子浓度的增加, 粉末涂料的表面电阻率逐渐减小, 当导电填料浓度达到某一临界值时, 粉末涂料的表面电阻率突然急剧减小, 出现由绝缘性到导电性的性质突变, 这一临界值被称为渗滤阈值( perco lation thresho ld) 。影响渗滤阈值的因素较多, 包括导电填料的种类、结构与形态, 粉末涂料基体与导电填料的相互作用, 加工条件等。本文着重研究了不同导电填料及用量对混合型体系粉末涂料导电性能的影响, 并从导电填料的结构、比表面积、粒径等方面对几类导电填料的导电性能的差异进行了分析。

1 实验部分

1. 1 主要原料

饱和聚酯树脂: U ralac P6060, 荷兰DSM 公司; 环氧树脂:GESR903H, 台湾宏昌( Grace)公司; 流平剂: PV88, 徳国W o rlee公司; 脱气剂(安息香): 天台昌明公司; 导电炭黑: Ensaco250G, 比利时T im ca l公司; 乙炔炭黑: 611, 上海焦化; 导电二氧化钛: FT- 1000, 日本石原; 导电云母ECP- T1: 北京特保导电粉体材料发展中心; 导电硫酸钡ECP- B2: 北京特保导电粉体材料发展中心。

1. 2 主要设备

单螺杆挤出机: PCS – 30 11L /D, 瑞士BUSS 公司; 静电喷枪: PGC- 1, 瑞士ITW GEMA公司; 烘箱: UT6120, 德国H eraeus公司; 表面电阻测量仪: TOM 600M E, 德国KLEINWACHTER公司; 扫描电子显微镜: S- 2 150 , 日本H ITACH I公司; 透射电子显微镜: JEM – 7401F , 日本JEOL公司; 比表面积分析仪:ASAP2010 , 美国M icronme ritics公司。

1. 3 样品制备

1. 3. 1 粉末涂料的制备

将不同的导电填料按照配方(见表1、表2) 与其他原材料混合均匀, 并加入到BUSS 单螺杆挤出机的进料口中, 在螺杆转速为150 r/m in, 一区加热温度为80 ℃ , 二区加热温度为115℃ 的条件下使混合料通过挤出机。挤出的物料压片并冷却。将冷却好的片状物料在高速粉碎机中粉碎1 m in, 然后用180目的筛网过筛, 通过180 目筛网的粉末即为成品粉末涂料。

表1 使用导电填料的粉末涂料的配方

表2 使用导电炭黑的粉末涂料的配方

1. 3. 2 样板的制备

将制备好的粉末涂料加入到PGC- 1静电喷枪的粉斗中,在喷涂电压为60 kV, 空气压力为100 kPa 的条件下将粉末涂料均匀地喷涂在经过预处理的15 cmx 10 cm x 0. 8 mm 的铝板上, 将喷涂好的铝板放入温度为200℃ 的烘箱中烘烤10 m in, 然后将样板取出冷却。涂膜的厚度控制在80 um左右。

1. 4 性能测试

涂膜的表面电阻使用TOM 600ME 重锤式静电电阻测试仪进行测量;

将试样的断面经表面喷金后用扫描电镜进行形貌观察;分别称取适量的导电二氧化钛和导电炭黑, 放入盛有氯仿的试管中, 用超声波进行分散。吸取少量经超声波振荡后的最终分散体, 滴于覆有支持膜的铜栅网中心。待试样干燥后, 用透射电镜观察导电二氧化钛和导电炭黑的结构, 根据透射电镜照片分析各种炭黑的平均粒径。

2 结果与讨论

2. 1 导电填料的种类与用量对粉末涂料电性能的影响

图1为分别使用了不同种类的导电填料的粉末涂料的表面电阻与导电填料含量的关系曲线。图2为使用不同炭黑时表面电阻与炭黑含量的关系。

由图1和图2可以看出, 加入了不同导电填料的粉末涂料的表面电阻随着导电填料含量的变化出现了大致相同的趋势。在导电填料含量较低时, 表面电阻基本没有变化或者变化很小; 随着导电填料含量的增加, 表面电阻缓慢下降; 当达到渗滤阈值时表面电阻大幅下降, 形成一段比较陡峭的曲线,说明此时大多数导电填料粒子的距离接近到足以与相邻粒子接触或通过电子跃迁形成连续的导电通路或导电网络, 因而出现表面电阻突变; 而超过渗滤阈值后, 粉末涂料的表面电阻变化又趋于平缓。

用扫描电子显微镜分别对加有不同含量的FT – 1000导电二氧化钛和Ensaco 250 G 导电炭黑的粉末涂料断面形貌进行观察, 由电镜照片可以解释上述曲线的规律, 如图3和图4所示。

由图3和图4可以看出, 当Ensaco 250G 导电炭黑含量为粉末涂料配方总量的5%, FT – 1000导电二氧化钛含量为粉末涂料配方总量的15%时, 导电炭黑和二氧化钛粒子在绝缘的通常基体中孤立地分散, 相邻粒子间距离较大, 电子在复合体系中移动时仍会遇到绝缘的聚合物基体, 因而不会导电, FT- 1000导电二氧化钛表面电阻为1.0 x 1013 Ω , Ensaco 250G导电炭黑表面电阻为2.3 x 1013 Ω 。随着炭黑、二氧化钛含量的进一步增加, FT – 1000 导电二氧化钛用量达到45% 时,Ensaco 250G 导电炭黑用量达到15% 时, 炭黑、二氧化钛粒子距离很近, 相互接触, 形成了导电通路或导电网络, 表面电阻显著降低, FT- 1000 导电二氧化钛表面电阻为7.0 x 106Ω ,Ensaco 250G 导电炭黑表面电阻为3. 7x 106Ω , 比炭黑含量为5%时, 二氧化钛含量为15%时, 都降低了7个数量级, 说明此时已经达到渗滤。当炭黑含量达到25%时, 二氧化钛含量超过45%时, 已经远远超过渗滤阈值, 由图3 和图4中可见, 无论是炭黑还是二氧化钛在整个复合体系中形成更加均匀的导电网络, 但表面电阻下降不多。这是因为在炭黑或二氧化钛用量达到渗滤阈值以后, 由于导电网络已经形成, 再增加导电填料的用量, 只是增加了导电网络的数量, 对粉末涂料的表面电阻影响不大。

虽然图1中的几条曲线大致趋势相同, 但是不同的导电填料对粉末涂料表面电阻的影响程度相差很大。例如, 当几种导电填料的含量均为25%时, 使用FT- 1000、导电硫酸钡和导电云母粉的粉末涂料的表面电阻都很高, 仍然是绝缘体;但使用ECP- T1的粉末涂料的表面电阻为5.3 x 107, 在抗静电范围。炭黑或二氧化钛不同时, 得到的渗滤阈值也不相同。611的渗滤阈值在20%左右, 而Ensaco 250G的渗滤阈值在15%左右, 二氧化钛也一样。

2. 2 导电填料的性质对粉末涂料导电性能的影响

使用不同种类的导电填料的粉末涂料表现出来的电性能的差异, 与导电填料自身的性质有关。用透射电镜( TEM )观察了两种导电二氧化钛和两种炭黑的微观结构, 见图5。
导电炭黑和导电二氧化钛的TEM 照片

对炭黑来说, 影响炭黑导电性能的主要因素是其结构, 如炭黑的枝链程度或炭黑聚集体的不规则性, 高结构性的炭黑比低结构性炭黑的聚集体具有更发达的链枝或纤维结构, 堆积时更松散, 空隙较多。对于导电炭黑, 结构性越高, 其枝链结构越容易在粉末涂料基体中相互接触, 交织成空间导电网络, 导电性越好。由图5的TEM 照片可见, Ensaco 250G 比611的结构性高, 因此其渗滤阈值要远低于611。空隙体积是炭黑结构的度量, 结构性高的炭黑存在较大的空隙体积, 结构性低的炭黑则空隙体积较小。炭黑空隙体积的测定一般采用DBP吸收值测定法, DBP吸收值越大, 表示炭黑的结构性越高, 表3列出了以上两种炭黑的DBP 吸收值( 提供值) 。由Ensaco250G 和611两种炭黑的DBP 吸收值可以看出, Ensaco 250G 的结构性远高于611。

表3 两种炭黑的DBP吸收值
表3 两种炭黑的DBP吸收值