导电粉末涂料的制备和性能研究

巴旭民，潘向东，周正发，徐卫兵

（1.合肥工业大学 化学与化工学院，安徽合肥 230009；2.艾仕得华佳涂料（黄山）有限公司，安徽黄山 245061）

工艺·设备

导电粉末涂料的制备和性能研究

巴旭民1，2，潘向东2，周正发1，徐卫兵1

（1.合肥工业大学 化学与化工学院，安徽合肥 230009；2.艾仕得华佳涂料（黄山）有限公司，安徽黄山 245061）

一般情况下，粉末涂层呈现绝缘特性，但在一些特殊应用领域，如矿井管道的涂装，要求涂层具有优异的导电性，通常要求其表面电阻≤106Ω。采用导电炭黑和有机导电剂为导电成分，纯环氧、环氧/聚酯、纯聚酯为基料树脂，制备了多种体系的导电粉末涂料。研究了各种导电材料对涂料性能的影响。阐述了导电粉末涂料的导电机理，并提供了一种制备浅色导电粉末涂料的方法。

导电炭黑；粉末涂料；环氧树脂；聚酯树脂

0 引言

一般情况下粉末涂层呈绝缘特性（电阻一般> 1012Ω），但在一些特殊应用领域，如矿井管道的涂装，要求涂层具有优异的导电性，通常要求其表面电阻≤106Ω［1］。

以银、铜、镍等为填料的金属系导电涂料，具有导电性高、屏蔽性能好等优点，但其存在填充量大、抗氧化性差、成本高等缺点。与之相比，炭系导电填料具有导电性能好、性能稳定、来源广泛、价格低廉等优点，炭系导电涂料以其优良的导电、导热、防腐等性能，广泛用于国防、电子、石油化工等行业［2］。但炭系导电涂料存在导电炭黑填充量大、分散不均、吸油量大、只能配制黑色涂层等问题［3］。有机导电剂既能克服金属系导电填料的缺点，又能克服炭系导电填料的缺点，近年来开始受到广泛关注。

本研究利用导电炭黑、有机导电剂为导电成分，以纯环氧、环氧/聚酯、纯聚酯为基料树脂，制备多种体系的导电粉末涂料。研究导电炭黑、有机导电剂等对涂层表面电阻等性能的影响，为导电粉末涂料的推广应用积累基础。

1 试验部分

1.1 原材料

环氧树脂，国都化学；环氧/聚酯、纯聚酯树脂，安徽神剑；环氧固化剂，南海化学；TGIC（异氰脲酸三缩水甘油酯），黄山华惠；导电炭黑，卡博特；有机导电剂，自制；流平剂，Estron；硫酸钡，矽比科。

1.2 导电涂料的制备

称取树脂及固化剂600 g、填料350 g、有机导电剂及其它助剂，在高速混合机中混合5 min，混合后的物料经过35平行双螺杆挤出机挤出，压辊压片，破碎，磨粉，120目过筛。

1.3 性能测试

通过静电喷涂方式将制得的导电粉末涂料喷涂在钢板或钢管上，并在200℃烘箱中烘烤10 min，从烘箱中取出样板进行以下性能测试。

电阻：采用电阻计，按照MT 181—1988《煤矿井下用塑料安全性能检验规范》进行检测。

水煮附着力：采用高温水箱，按照CJ/T 120—2008《给水涂塑复合钢管》进行检测。

耐冲击性：采用冲击仪，按照HG/T 2006— 2006《热固性粉末涂料》进行检测。

2 结果与讨论

2.1 基料树脂对涂层导电性的影响

研究纯环氧、环氧/聚酯、纯聚酯基料树脂中不同炭黑用量对涂层表面电阻的影响，结果见图1。

图1 炭黑用量对涂层电阻的影响Figure 1 The influence of carbon black amount on the resistance of coating

由图1可见：纯环氧体系中，当导电炭黑用量<3%时，随其用量的增加，电阻迅速下降；而当导电炭黑用量>3%时，涂层电阻变化趋缓。环氧/聚酯、纯聚酯体系中也呈现出相似的趋势。这是因为在炭黑填充的涂层中，只有当导电粒子填充量达到某一特定值（绝缘性聚合物的堆积密度小到一定值）时，电流才能通过，涂层才具有导电性，此特定值称为渗流临界值［4］。在导电填料体积分数小于渗流临界值时，载流子流通的通道完全被绝缘性聚合物所阻断，此时，涂层的电阻基本上是绝缘性聚合物的电阻；当导电填料的体积分数达到渗流临界值时，导电粒子相互接触而导通。这种导电机理称为渗流作用，即导电粒子相互接触而产生的导电作用［5］。在纯环氧体系中，当导电炭黑用量<3%时，导电炭黑所占体积分数较小，载流子流通的通道被绝缘性的环氧树脂阻断，电阻很大；当导电炭黑用量≥3%时，导电炭黑相互接触，载流子流通的通道连通，电阻迅速下降。所以，纯环氧体系的渗流临界值为3%。

环氧/聚酯、纯聚酯体系的渗流临界值约为1.5%，为纯环氧体系的一半。这是因为导电涂料成膜后，导电粒子或粒子团之间必定包裹有聚合物，当两个导电粒子之间聚合物薄层（非导电层）<10 nm时，在电场作用下，电子就能越过很低的势垒而流动，这种导电机理称为隧道效应。环氧/聚酯、纯聚酯涂层中含有大量极性非常强的酯键，降低了聚合物薄层的势垒，便于电子通过。从另一方面讲，这也降低了炭黑的渗流临界值。因此，环氧/聚酯、纯聚酯体系的导电是渗流作用和隧道效应综合作用的结果。

2.2 导电炭黑对涂层性能的影响

1#、2#、3#三种导电炭黑的特性见表1。

表1 3种导电炭黑的特性Table 1 The characteristics of three kinds of conductive carbon black

上述3种炭黑制备的涂层的性能见表2。

表2 3种导电炭黑制得的涂层的性能Table 2 The performance of coating prepared by three kinds of conductive carbon black

由表2可见：导电炭黑的性能对涂层的外观、导电性、机械性能影响很大。炭黑的吸油值越大，涂层的流平性和机械性能越差。导电炭黑的生产方法不同，其导电性也不同。1#、2#导电炭黑制得涂层的导电性、机械性能和外观均较好，但2#导电炭黑的成本更低，涂层的外观和水煮附着力均在标准范围内，因此，选择2#导电炭黑较为理想。

2.3 有机导电剂在粉末涂料中的应用

导电炭黑吸油量大，影响涂层的机械性能和附着力；炭黑填充量大，难以挤出，且分散不均匀；另外，导电炭黑只能制备黑色涂料，颜色单一，难以满足装饰性要求。

研制了一种新型有机导电剂，它可以在一定程度上解决导电炭黑存在的问题。不同导电填料组合对涂层性能的影响见表3。

表3 不同导电填料组合对涂层性能的影响Table 3 The influence of different conductive filler compound on the performance of coating

由表3可见：由于有机导电剂中含有特定的极性基团，便于载流子流动，具有良好的导电性；有机导电剂和导电炭黑具有协同效应，可有效降低涂层的电阻；采用有机导电剂可制得浅色涂层，使得涂层具有更好的装饰性。

2.4 有机导电剂在纹理型粉末涂料中的应用

为了使得涂层具有更好的装饰性，粉末涂料通常有砂纹、锤纹、平面等外观，表4中列出了有机导电剂在各种纹理型粉末涂料中的应用试验结果。

表4 有机导电剂在纹理型粉末涂料中的应用Table 4 The application of organic conductive agent in the texture powder coatings

由表4可见：有机导电剂可用于平面、砂纹、锤纹3种常见纹理型粉末涂料中，并且涂层的电阻变化不大。

3 结语

（1） 环氧/聚酯、纯聚酯体系比纯环氧体系具有更好的导电性，且导电炭黑用量少；

（2） 导电炭黑对涂层的机械性能和导电性影响很大，2#导电炭黑制备的涂层具有更好的导电性能和机械性能；

（3） 有机导电剂用于粉末涂料中具有良好的导电性，它与导电炭黑具有协同作用；

（4）有机导电剂可用于制备平面、砂纹、锤纹等常见的纹理型粉末涂料，所得的涂层具有良好的导电性。

1 张俊智，周师岳.粉末涂料与涂装工艺学［M］.北京：化学工业出版社，2008（1）：14.

2 王平，郭洪. 导电涂料［J］.现代涂料与涂装，1997（3）：1-4.

3 高恭. 炭系导电涂料研究［J］.涂料工业，1992（4）：1-5.

4 刘亚群，许佩新，章连众，等.炭系填充型导电复合材料电性能的研究［J］. 浙江大学学报（工学版），2004，38（2）：253-256.

5 陈伟，张会堂，刘瑄，等. 炭黑-石墨导电涂料导电性能之影响因素的试验研究［J］.炭素技术，2003，125（2）：25-27.

The Preparation and Performance Study of Conductive Powder Coatings

Ba Xumin1，2，Pan Xiangdong2，Zhou Zhengfa1，Xu Weibing1
（1.School of Chemistry and Chemical Engineering，Hefei University of Technology，Hefei Anhui，230009，China；2.Axalta Huajia Coatings（Huangshan）Co.，Ltd.，Huangshan Anhui，245061，China）

The powder coating has the insulation characteristics in general，but in some special application fields，such as the mine pipeline coating，the excellent conductive property of coating was required，normally the surface resistance below 106Ω was required. A variety of conductive powder coatings were prepared by the conductive carbon black and organic conductive agent as the conductive components，and pure epoxy，epoxy/polyester hybrid and pure polyester as the base resin. The influence of various conductive materials on the the performance of coatings was studied. The conductive mechanism of conductive powder coatings was expounded. Meanwhile，a preparation method of light color conductive powder coatings was provided.

conductive carbon black；powder coatings；epoxy resin；polyester resin

TQ 630.7

A

1009-1696（2016）06-0013-03

2016-07-19

巴旭民（1984—），男，合肥工业大学在职研究生，主要从事粉末涂料的生产和研究。