随着电子工业的迅猛发展,电磁波干扰形成了公害,导致无屏蔽保护的电子设备使用过程中出现误操作、受干扰、机要信息泄密等问题。众所周知,以高分子材料为外壳的各种电子产品的电磁波干扰日趋严重,各个领域对高分子材料的导电性能也提出了新的要求。
工业上用来消除和防止高分子材料带电的方法很多。目前,人们普遍采用材料表面金属化的方法。材料表面金属化的方法很多,导电涂料作为一种液体材料,可以方便地喷涂或刷涂于各种形状的材料表面,形成电磁屏蔽导电层,从而使材料达到屏蔽电磁波的目的。导电涂料具有成本低廉、工艺简单、施工方便、应用范围广以及屏蔽电磁波效果好等特点,获得广泛应用。
2 导电涂料的原材料选择
使涂层具有导静电性,即降低涂层的电阻率,有三种方法:种方法,以具有导电功能的树脂为成膜物,涂料中一般不必另加导电填料;第二种方法,加入抗静电剂,依*抗静电剂不断释放涂层中的静电, 达到防静电的目的;第三种方法,添加导电填料,通过导电填料的彼此接触而产生导电性。其中,导电树脂的合成较为困难,且成本昂贵; 加抗静电剂的方法受诸多因素的影响,涂料性能不稳定;添加导电填料的方法具有导静电性持久和工艺简便的特点,是大规模工业生产中普遍采用的较为经济的一种方法。
2. 1 基料树脂的选择
基料树脂必须能使制备的导电涂料具有一般涂料的性能,如成膜性、附着力、耐久性等。此外,基料树脂还应对导电填料具有一定的亲和性和润湿性。在导电涂料常用的基料树脂中,以丙烯酸和聚氨酯两类树脂的综合性能较好,使用较多。尤其是丙烯酸树脂,它在不同基材表面均具有良好的附着力和较高的硬度,且其耐热性、耐候性、耐化学品性及防水性均属上乘。本实验采用不同类型的丙烯酸树脂混合基料, 并对其进行改性,使之能够更好地发挥基料树脂的作用。
2. 2 导电填料的选择
导电填料是导电涂料的重要组成部分。常用的导电填料包括金属系填料、炭系填料、金属氧化物系填料以及复合填料等。
金属系填料主要有银粉、镍粉和铜粉等。其中银粉的化学稳定性好,导电性高,但价格昂贵,使用受到限制。铜粉的导电性好,价格低廉,但铜粉的抗氧化性较差,在制备导电涂料过程中,为了防止铜粉的氧化及保持稳定的导电性,一般采用抗氧化剂对铜粉进行处理,或用较不活泼的金属(如Al 、Sn 等) 包覆铜粉。镍粉价格适中,性能也比较稳定,应用较为广泛。金属系导电填料的比重大,大量添加时易沉底结块, 不便于施工。
超细石墨、高结构炭黑等炭系填料,虽然导电性不很高,但能满足防静电要求,如用量得当,对涂料物理性能的影响不大。炭黑的粒子越小,表面积越大, 导电性越好。通常情况下,炭黑的吸油量越大,炭黑中的氢含量、氧含量、挥发分、灰分和含水量越低,则其导电性越好。一些高结构的炭黑,如乙炔炭黑,其粒子链和网络能形成导电性配合体,因此导电性较好。炭黑的表面状态也影响着炭黑的导电性,如炉法炭黑,其表面往往吸附了一层含氧络合物,这些挥发分会导致炭黑导电性的降低。
此外,在导电涂料成膜过程中,溶剂对涂层性能的影响也很大,应选择不降低导电填料的稳定性和涂层物理化学性能的溶剂。
3 导电涂料的制备与性能测试
3. 1 导电涂料的制备
制备导电涂料时,所用的涂料基料应具有相同的配比,只是每种涂料中的炭黑含量有所不同。为了便于操作,先分别制备足量的水性或溶剂型涂料用的混合树脂基料:分别按照配方的质量配比,称取所需的原料;将原料混合,用砂磨机充分研磨使其分散均匀, 分别制得水性涂料或溶剂型涂料用基料; 配制涂料时,称取一定量混合基料,按某质量配比称取炭黑,倒入混合基料;将混合物充分搅拌1 h ,用砂磨机研磨使其均匀分散,即制得某一配比的含炭黑的导电涂料。将该涂料保存,测试其性能; 取不同的炭黑比例重复以上步骤,制得多组导电涂料试样,并分别进行编号。
3. 2 导电涂料的性能测试
为了确定导电涂料的配方,涂膜性能的测试包括光学性能测试、机械性能测试、化学性能测试等, 本文只对涂膜的表面电阻、粘度、耐磨性、附着力和表干性进行测定。
3. 2. 1 涂膜的表面电阻测定将制得的导电涂料均匀涂布于铜版纸上,在空气中自然干燥即可形成导电涂层。采用环形同轴表面电阻测定仪(天津材料试验机厂生产) 测定涂层的表面电阻值,
空白试样的表面电阻及表面电阻率值分别为116 ×108 Ω、113 ×1011 Ω ,其值远高于相应的含炭黑导电涂料的值。
3. 2. 2 导电涂料的粘度测定
3. 2. 3 导电涂料的耐磨性和附着力测定测定的具体步骤是:使用刮板将涂料涂布于白铜版纸上,待涂料在空气中自干后,在一定的压力下,用纸在涂层表面往返擦拭20 次。然后比较纸上的摩擦痕迹,可观察出不同涂层的耐磨性和附着力的差异, 根据试样摩擦痕迹的严重程度来进行评级。不管是水性涂料,还是溶剂型涂料,均符合这样的规律:随着涂料中炭黑浓度的增大,涂料的耐磨性和附着力均变差,几乎呈反比关系。
3. 2. 4 导电涂料的表干性测定对类型相同的涂料(水性涂料或溶剂型涂料),在树脂基料配比一定的情况下,随炭黑浓度的增大,涂料干燥所需的时间缩短。将水性涂料和溶剂型涂料的表干性进行对比发现,当涂料中炭黑的配比相同时,溶剂型涂料的干燥时间比水性涂料的干燥时间稍长。另外,在涂料干燥过程中,涂料中固体组分的分散性发生变化,从而使涂料的流变性发生变化,粘度变大。水性涂料的干燥过程分为三个阶段: 阶段,涂料刚涂覆于被涂物表面,水蒸汽蒸发速度恒定, 涂料的粘度略增大,但涂料仍为液态;当涂料的体积浓度降为原来的65 % 时,进入第二阶段,涂料看上去呈固态(处于屈服值),其屈服值随着干燥时间的延长而增大。在这个阶段,基料粒子开始与空气接触,基料粒子-空气界面逐渐代替了液体-空气界面,水蒸汽蒸发速度突然减慢; 最后一个阶段,溶剂缓慢地从涂膜中挥发,涂膜从液态转化为固态,此时,涂膜中还有很少量的液体流动,这个转变的速度会影响涂膜的最终性能,如流平性、抗流挂性、光泽、成膜性等。理想的情况是,涂膜干燥时很快进入第三阶段,就不易出现龟裂、起泡、针孔等涂膜缺陷。
4 导电涂料的配方设计
涂料成膜后的流变性、耐磨性、粘性、附着力、表干性等物理性能,以及其他化学、机械性能都是涂料最基本的性能,而导静电性是导电涂料必不可少的重要技术指标,因此,设计配方时必须同时兼顾多方面的因素。不同的导电填料(炭黑) 的加入量对涂层性能有较大影响。当涂料中炭黑的含量增加时,涂层的物理性能随之下降,并会给涂层带来严重缺陷。因此,主体导静电填料的用量应尽可能地少。另一方面,为使制得的导电涂料涂覆于包装袋或包装箱表面后能很好地发挥其排除积累静电荷的目的,炭黑的含量不得低于其临界浓度,以确保涂层的电阻率符合表面电阻率小于1010 Ω的规定。由此,可得出一个炭黑浓度的限制范围,在此范围内进行试验与设计。经多次试验,前面已经得出导电填料(炭黑) 的用量与表面电阻率的关系曲线,如图1～4 所示。
水性涂料在炭黑浓度为10 %附近的表面电阻率有值。在炭黑浓度小于6 %时,由于炭黑浓度较小,导电填料彼此不接触,形成链式结构的几率很小,炭黑的增减对涂层电阻率的影响不明显; 当炭黑浓度为6 %～30 %时,开始一段区域(6 %～10 %) ,由于用于涂料制备的炭黑颗粒较大,在很稀的基料溶液中经充分搅拌仍不能很好地分散,有时甚至还会沉积。因此,其涂层电阻率有上升趋势。而在后一段区域(10 %～30 %) ,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。处于分散状态的导电填料粒子间的距离越小,形成的导电通道越多,涂层的电阻率随填料用量的增大而降低。在炭黑浓度大于30 %时,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,导电填料粒子间形成空气泡或微裂纹,会出现涂层性能下降和电阻率上升的趋势。因此,兼顾涂料的导静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,设计涂料配方时宜选择炭黑浓度15 %～30 %的稳定区域。在该区域内得到的表面电阻率值与国外标准试样的表面电阻率值(4108 ×1011 Ω) 很接近,可见选择的范围是合理的。
对于溶剂型涂料,基料与导电填料之间的分散与润湿情况类似于水性涂料。观察图3 和图4 的炭黑浓度-表面电阻率曲线, 不难看出, 在炭黑浓度为25 %～35 %的区域内,涂层性能比较稳定。设计涂料配方时宜在该区域内确定。