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高效排导静电粉末涂料的秘密在于导电碳纤维?
2022年09月29日    新闻来源:中国牛涂网 ntw360.com    |  投稿

静电粉末涂料具有环保、安全性能高、成本相对较低、易涂装等特点,同时具有防静电这一附加特殊功能,在电子信息、化工安全、煤炭防爆等领域得到了日益广泛的应用。


防静电粉末涂料因其美观性、简易性等特点,也非常适用于家电产品、小家电产品、电力配电柜等民用领域。


常规的防静电粉末涂料通常由35%~55%的成膜树脂、10%~30%的导电材料、15%~30%的填料和1%~5%的助剂构成,混合物料经熔融混合挤出、压片破碎、粉碎(研磨)等步骤制得中国牛涂网ntw360.com


导电材料的添加方式通常为在粉末涂料的生产过程中加入,这样不仅使得导电材料的利用效率不高,而且由于导电材料的吸油值较高等一些问题,对最终涂料的基础性能造成了很大影响。


传统的防静电粉末涂料用导电材料主要是炭黑、金属材料等。炭黑不仅污染大、操作麻烦,而且因其添加量较高,会大大降低粉末涂料本身的抗冲击强度、附着力和耐磨性。


不仅如此,采用炭黑作为导电材料的粉末涂料还无法调色(只能做成黑色),大大降低了涂料的装饰效果;


而将金属材料作为导电材料添加到防静电粉末涂料中时,虽然能够提供更为丰富的颜色,但是其相对密度较大且价格高昂,大幅提高了涂料的生产成本。


本研究以聚酯/环氧混合体系为主体成膜物,利用导电碳纤维作为导电材料成分添加到粉末涂料基础配方中,制备出高效排导静电的粉末涂料。


配方原材料

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粉末涂料涂层排导静电的原理

根据前人的研究总结,目前关于粉末涂料涂层排导静电的原理解释主要有无限网链理论、热力学理论和竞争理论三大理论。具体内容如下:

01

无限网链理论于1972年由F.Butch提出,其主要观点是:当高聚物体系中的金属微粒的浓度达到某一临界值后,金属微粒便会如同桥的作用一样,使自由电子载流子“排队”从高聚物的这一端到达另一端,使绝缘体变成了半导体或导体, 涂膜中导电微粒构成的导电网链质量的优劣决定了其排导静电能力。


02

竞争理论认为,导电粉末涂料的导电机理是导电通道、隧道效应、场致发射3种机理相互竞争的结果。

由于涂层中的部分导电粒子能够相互接触而形成链状导电通道,这是导电通道机理;

而隧道效应与场致发射机理则认为涂层导电不是由电粒子直接接触而起导电作用, 而是由于热振动或内部电场作用使电子在粒子间迁移而形成电流;


在导电材料含量较低,且外加电压较低的条件下,导电粒子的间距较大,形成链状导电通道的几率较小,此时起主要作用的是隧道效应。


在导电材料含量低、外加电压高的条件下,导电粒子间的内部电场很强, 电子将有很大的机会飞跃至成膜物界面层而跃迁到相邻导电粒子上产生电流, 此时场致发射机理起主要作用。


影响掺杂型排导静电粉末涂料的排导静电性能的因素较多,主要有3大因素:

一、是成膜主体物的种类及特性,如结晶程度、结构类型、相对分子质量大小、表面张力大小及黏度等;

二、是导电材料的种类及性质,如导电微粒的大小、用量、质量稳定性、微观表面特性;

三、是粉末涂料制备过程中生产工艺的影响,如挤出机类型、生产温度、熔融混合效果等。


03

热力学理论认为在涂层主体成膜物与导电填料之间形成的界面效应对掺杂型体系中导电回路的形成有很大的影响;


在排导静电粉末涂料制备过程中,导电填料粒子的自由表面变成润湿的界面, 在基体与填料之间形成了界面层,体系产生界面能过剩,随着导电填料的增加, 临界浓度是一个与体系界面能有关的参数;


当体系的界面能过剩达到一定程度,导电粒子开始形成导电网络,宏观上表现为体系的电阻率突然降低, 此理论很好地解释了以碳黑为导电材料的抗静电粉末涂料的静电排导作用过程。


不同涂层外观的排导效果的对比

一般来说,根据涂层的外观效果,涂层可以分为流平、砂纹、橘纹等。按照基础配方材料,以环氧/聚酯混合体系为成膜主体物,添加同一比例的导电碳纤维,分别制备流平型、砂纹型和橘纹型的粉末涂料涂层进行表面电阻率的测试对比,结果如表2所示。

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试验结果表明,无论是平面涂层还是纹理涂层,添加一定量的导电碳纤维,涂层均可以排导静电。


橘纹型的涂料形成的涂层表面凹凸不平,电阻率较小,原因可能是碳纤维颗粒在熔融固化成膜过程中受到了贝纳德旋涡效应的影响,形成的导电粒子桥接网链更紧密。


导电碳纤维粒径的影响

在一定的范围内;粒径越大(长),短切纤维分散过程越容易形成更紧密的网络结构;粒径过小则会导致相邻的导电纤维粒子间距较长,导电粒子的桥接网链结构较稀疏。


按照基础配方分别选用50目、100目、250目的导电碳纤维来制备成3组皱纹型涂层,其试验结果见表3。

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分别对3组样品的涂层用显微镜放大分析,其表面情况如图1所示。

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由图1可知,在添加量一定的条件下,导电碳纤维的粒径越大,其在涂层中形成的导电网络结构链就越紧密,涂层表面电阻率就越低,静电排导效果就越好。


导电碳纤维用量的影响

导电碳纤维的电阻率为1.4×10-3 Ω·cm, 导电能力较强。不同的用量对涂层的电阻率的影响实验见表4。

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由表4可以看出,在一定的条件下,表面电阻率随碳纤维的用量增加而递减。但是考虑到粉末涂料的静电喷涂涂装工艺和成本,建议导电碳纤维的用量不宜超过1.6%。


生产工艺的影响

粉末涂料的生产过程中,挤出机的熔融挤出过程是保证涂料配方中各成分充分混合均匀的重要过程。


通常按挤出机的螺杆数量来分类,一般分为单螺杆挤出机和双螺杆挤出机。按照同一配方,本研究分别用单螺杆挤出机和双螺杆挤出机制备了排导静电的粉末涂料样品,并使用显微镜检测所得样品涂层的表面情况,结果如图2所示。

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从图2来看,同等条件下,与双螺杆挤出机相比,双螺杆挤出机制备样品涂层单螺杆挤出机制备样品涂层单螺杆挤出机生产制备的排导静电的粉末涂料涂层中导电碳纤维粒子桥段更长,形成的导电网络更明显。


这是由于在挤出机挤出过程中,双螺杆挤出机的旋转运动过程产生的剪切力对导电碳纤维粒子的破坏程度更强,碳纤维粒子被碾碎的比例更高。因此在制备排导静电的粉末涂料生产过程中选用单螺杆挤出机生产较佳。


结语

利用导电碳纤维作为导电材料成分添加到粉末涂料配方中制备的粉末涂料具有高效排导静电的效果。

同时,由于导电碳纤维导电性能优异,在产品配方中的添加量较少,克服了传统防静电粉末涂料生产制备过程中使用导电材料比例较高带来的生产操作麻烦、成本高的缺点。与传统的抗静电粉末涂料相比,本研究的粉末涂料产品具有更佳的性价比。


标签:粉末涂料工业涂料技术中心今日头条
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