CN104449022B - 一种超低碳管含量碳系导电涂料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种超低碳管含量碳系导电涂料，包括基础涂料及其内掺杂的导电添加剂，所述导电添加剂为碳纳米管阵列，该碳纳米管阵列在基础涂料中均匀分散，导电涂料中碳纳米管的质量百分比浓度为0.1–0.5 wt%，导电涂料经空气喷涂后形成的漆膜的面电阻小于等于109Ω。制作时，先将碳纳米管阵列加入基础涂料中进行一次分散以得到中间混合涂料，再将中间混合涂料加入基础涂料中进行二次分散以得到所述导电涂料。本设计不仅能应用于静电喷涂、碳管含量较低、颜料的装饰性能较强，而且能使碳纳米管阵列在基础涂料中均匀分散、制备方法简单、生产成本较低。
Description
技术领域
本发明涉及一种导电涂料及其制备方法，尤其涉及一种超低碳管含量碳系导电涂料及其制备方法，具体适用于在实现静电喷涂的基础上降低碳管含量，并提高颜料装饰性能。
背景技术
导电涂料是指涂覆在非导电基材上，使之具有传导电流和排除静电荷积累的一种功能涂料。根据导电性能的不同，导电涂料可分为：用作导电体使用的涂料，如冬季取暖和汽车玻璃防霜的加热漆，船舶防污涂料；用作辐射屏蔽，如无线电波，电磁波屏蔽；用作抗静电涂料，如化工场地面、油罐车内壁等。导电涂料主要是由导电填料、树脂、溶剂、稀释剂和助剂组成。常用的导电添加剂有金属类粉末、金属氧化物、导电碳等，其中，常用的金属粉末有铜、镍、银粉等，银粉价格高，在电场下容易出现金属粉迁移，镍粉价格高，铜粉易被氧化、性能不稳定；金属氧化物类导电填料有二氧化钛、纳米氧化锌等，氧化物添加量较大，易导致涂料价格高；导电碳有石墨、碳纳米管、石墨烯等，碳系导电颜料添加量大，易导致颜料装饰性能差。
中国专利，公开号为CN101165127A，公开日为2008年4月23日的发明专利公开了一种含碳纳米管水性聚氨酯导电涂料及其制备方法，该发明将浓酸改性的多壁碳管、含量约2–10wt.％掺加到基础涂料中，以制备导电涂料，其缺陷包括：
首先，碳管的含量很高，会影响涂料的颜色，颜料的装饰性能较差；
其次，需要对碳管进行浓酸改性，该浓酸处理易污染环境；
再次，制备方法复杂，产业化代价高，生产成本较高。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的碳管含量较高、颜料的装饰性能较差、生产成本较高、制备方法复杂的缺陷与问题，提供一种碳管含量较低、颜料的装饰性能较强、生产成本较低、制备方法简单的超低碳管含量碳系导电涂料及其制备方法。
为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种超低碳管含量碳系导电涂料，包括基础涂料及其内掺杂的导电添加剂，所述导电添加剂为碳纳米管；
所述碳纳米管的类型为碳纳米管阵列，且碳纳米管在基础涂料中均匀分散；
所述导电涂料中碳纳米管的质量百分比浓度为0.1–0.5wt％，该导电涂料经空气喷涂后形成的漆膜的面电阻小于等于109Ω。
所述基础涂料为不导电性或弱导电性涂料。
一种上述超低碳管含量碳系导电涂料的制备方法，所述制备方法依次包括以下步骤：
一次分散：先将碳纳米管阵列加入基础涂料中，再用带球磨介质的一次高速分散设备进行一次分散以得到一次分散体，然后用滤网过滤掉一次分散体中的球磨介质以得到中间混合涂料，该中间混合涂料中碳纳米管的质量百分比浓度为0.5–1.5wt％；
二次分散：先将上述中间混合涂料加入基础涂料中，再用带球磨介质的二次高速分散设备进行二次分散以得到二次分散体，然后用滤网过滤掉二次分散体中的球磨介质以得到所述导电涂料，该导电涂料中碳纳米管的质量百分比浓度为0.1–0.5wt％，且该导电涂料经空气喷涂后形成的漆膜的面电阻小于等于109Ω。
所述一次分散中，分散设备的转速为2000rpm，分散时间为2h；所述二次分散中，分散设备的转速为2000rpm，分散时间为30min。
所述球磨介质是锆珠、玻璃珠、玛瑙珠或氧化铝珠。
所述球磨介质的直径是1mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明一种超低碳管含量碳系导电涂料及其制备方法中，在基础涂料内掺杂的是碳纳米管阵列，该碳纳米管阵列在基础涂料中均匀分散，碳管阵列属于粉末状碳管，碳管阵列中的碳管都朝一个方向，能够极大的提高基础涂料的导电性，因此，本设计中的导电涂料才能在碳纳米管浓度为超低(0.1–0.5wt％)时，具备较低的面电阻(小于等于109Ω)，其中，较低的面电阻使得本产品能应用于静电喷涂，从而作为合适的底漆存在，而超低的碳管含量使得本产品在作为底漆时不会影响面漆的颜色，具备较强的颜料装饰性能，此外，超低量也能降低碳管的单位使用量，利于降低导电涂料的成本。因此，本发明不仅能应用于静电喷涂、生产成本较低，而且碳管含量较低、颜料的装饰性能较强。
2、本发明一种超低碳管含量碳系导电涂料及其制备方法中，在制备产品时，需要经历两次分散，其目的在于确保碳纳米管阵列在基础涂料中的均匀分散，分散的越均匀才越利于发挥碳纳米管阵列的导电效果，才能在确保产品满足静电喷涂的要求下尽可能的降低碳管的使用量，以提高产品的颜料装饰性能与降低生产成本。因此，本发明不仅能使碳纳米管阵列在基础涂料中均匀分散，而且能提高产品的颜料的装饰性能，并降低生产成本。
3、本发明一种超低碳管含量碳系导电涂料及其制备方法中，在制备产品时，只需要进行两次分散的操作即可，步骤简易、清晰，便于操作，此外，所采用的碳纳米管阵列直接添加即可，不需要任何前置处理工艺，不仅简化了工艺、降低了生产成本，而且能够避免现有技术中前置工艺的缺陷，如酸化所造成的环境污染等。因此，本发明不仅制备方法简单、便于操作，而且生产成本较低、环保性较强。
附图说明
图1是本发明中超低碳管含量碳系导电涂料内含不同浓度碳纳米管时，经喷涂后的光学图片，从左到右的碳纳米管含量依次为0.1wt.％、0.12wt.％、0.15wt.％、0.18wt.％、0.2wt.％、0.3wt.％、0.4wt.％、0.5wt.％。
具体实施方式
以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1，一种超低碳管含量碳系导电涂料，包括基础涂料及其内掺杂的导电添加剂，所述导电添加剂为碳纳米管；
所述碳纳米管的类型为碳纳米管阵列，且碳纳米管在基础涂料中均匀分散；
所述导电涂料中碳纳米管的质量百分比浓度为0.1–0.5wt％，该导电涂料经空气喷涂后形成的漆膜的面电阻小于等于109Ω。
所述基础涂料为不导电性或弱导电性涂料。
一种上述超低碳管含量碳系导电涂料的制备方法，所述制备方法依次包括以下步骤：
一次分散：先将碳纳米管阵列加入基础涂料中，再用带球磨介质的一次高速分散设备进行一次分散以得到一次分散体，然后用滤网过滤掉一次分散体中的球磨介质以得到中间混合涂料，该中间混合涂料中碳纳米管的质量百分比浓度为0.5–1.5wt％；
二次分散：先将上述中间混合涂料加入基础涂料中，再用带球磨介质的二次高速分散设备进行二次分散以得到二次分散体，然后用滤网过滤掉二次分散体中的球磨介质以得到所述导电涂料，该导电涂料中碳纳米管的质量百分比浓度为0.1–0.5wt％，且该导电涂料经空气喷涂后形成的漆膜的面电阻小于等于109Ω。
所述一次分散中，分散设备的转速为2000rpm，分散时间为2h；所述二次分散中，分散设备的转速为2000rpm，分散时间为30min。
所述球磨介质是锆珠、玻璃珠、玛瑙珠或氧化铝珠。
所述球磨介质的直径是1mm。
本发明的原理说明如下：
喷涂分为普通空气喷涂和静电喷涂两种，静电喷涂能够节约涂料，降低成本。汽车的油漆分为底漆和面漆，面漆成本很高。本发明制作导电涂料的目的是将该导电涂料先用空气喷涂的方式，用于汽车的底漆，这样底漆就具有了一定的导电效果，然后喷涂面漆的时候就可以使用静电喷涂的方法，从而提高面漆的利用率，降低成本。静电喷涂一般要求底漆的面电阻不小于109欧姆，电阻越低，越能实现静电喷涂。
现有技术中也有将碳纳米管作为导电添加剂掺杂在基础涂料中的设计，但其所采用的碳纳米管基本是多壁碳纳米管，不仅需要对其进行浓酸改性等前置处理，污染环境，而且，即使是处理之后，其导电效果也不强，若要满足静电喷涂的需要，其碳纳米管的添加量必须很高，不仅增加了成本，更关键的导致喷涂后的底漆的颜色太深，易影响面漆的颜色，颜料装饰性能太差，难以满足现有的需求。
为克服以上缺陷，本发明的目的在于提供一种导电性好、碳管添加量超低的导电涂料，使其不仅能够满足电磁屏蔽、抗静电需求，能实现静定喷涂，而且颜色浅，外观装饰性能好，以其作为底漆不会影响面漆的颜色，不妨碍面漆的使用。另一目的在于提供一种导电涂料的制备方法，采用该制备方法可以实现上述导电涂料的制备，通过调节导电添加剂的加入量，可以实现不同导电性能的导电涂料的制备，且工艺简单、价格便宜、易于产业化，不污染环境。
一、碳纳米管阵列：
碳纳米管阵列宏观上呈粉末状，其微观结构中的碳管类似于庄稼苗，一个碳管阵列中的碳管都是朝一个方向的、有取向的碳管。碳管阵列具有很好的改善油漆性能的作用，当采用碳管阵列为导电添加剂，可以制备出超低碳管浓度的高导电性的导电涂料，而用其他类型碳管，如多壁碳管，则制备不出低碳管浓度高导电性的导电涂料。例如，用多壁碳管为导电添加剂，当碳管浓度高至2wt％时，涂料制成的漆膜的面电阻才约为1011-1012欧姆，不能满足静定喷涂的需要。碳管添加量如此低、导电性如此好的油漆，目前没有被公开过，此外，碳管添加量低，也就带来了不影响面漆颜色、添加成本低等优点。传统的碳黑添加量大于10wt％，一般的碳管添加量大于2wt％，才能使漆膜的面电阻达到1011欧姆，颜色影响太大。此外，碳管阵列作为导电添加剂，相比传统导电添加剂钛白、金属粉、金属氧化物，具有成本优势。
二、两次分散：
本发明中，两次分散是获得导电涂料的关键工艺，是分散导电涂料的重要手段。若只采用一次分散的话，由于碳管浓度很低，碳管和分散设备中的磨介作用力低，碳管不能很好的分散，涂料中的碳管就会聚沉，分散性不好，直接影响导电性能，此时得到的导电涂料的面电阻就较高，很难满足静电喷涂的需要。故先进行高浓度的一次分散，一般浓度为0.5–1.5wt％(低于0.5wt％，溶液较稀，磨介作用力低，碳管不能很好的分撒；高于1.5wt％，溶液则太稠，流动性很差，很难使用进行二次分散，无法将碳管均匀分散到基础涂料中)，一次分散能将碳管均匀分散于基础涂料中，然后再对一次分散所得的中间混合涂料进行二次分散，此时，碳管阵列就能够悬浮在基础涂料中，从而得到一个均一的导电涂料，确保最终导电涂料中碳管的均匀分散，而不会使碳管聚沉，分散效果很好，碳管的分散效果越好，其利用率越高，达到相同导电性时，单位使用量就越少，不仅利于提高导电性能，而且利于节省碳管使用量，降低成本。导电率是用漆膜的面电阻评价，面电阻越低，导电性越好。
三、基础涂料：
导电涂料主要有两种，一种是本征型导电涂料，涂料中的树脂由导电高分子构成，价格昂贵，另一种是掺杂型导电涂料，即向不导电的涂料中掺杂导电物质，使涂料导电，本发明一种超低碳管含量碳系导电涂料就属于掺杂型导电涂料中的一种，与传统的导电碳类掺杂型导电涂料相比，本导电涂料中的导电碳含量极低，在0.1wt％–0.5wt％之间，传统的导电碳含量一般大于10wt％。
向基础涂料中添加导电添加剂，都会增加其导电性，无论其原本是否导电，若其不导电或弱导电，则添加导电添加剂后其增加的导电性更加明显，故，本发明中的基础涂料应该可以涵盖所有的涂料。
基础涂料包含高分子树脂与溶剂。高分子树脂一般有酚醛树脂、环氧树脂、丙烯酸树脂等。溶剂则包括芳香烃类、酯类或二醇衍生物类，其中，芳香烃类，如苯、甲苯、二甲苯等；酯类，如醋酸甲酯、醋酸乙酯、醋酸丙酯等；二醇衍生物类，如乙二醇单甲醚、乙二醇单乙醚、乙二醇单丁醚等。
实施例1：
一种超低碳管含量碳系导电涂料的制备方法，所述制备方法依次包括以下步骤：
一次分散：将0.5g碳纳米管阵列，加入到100g基础涂料中，用带球磨介质的一次高速分散设备进行分散以得到一次分散体，分散设备的转速为2000rpm，分散时间为2h，然后用滤网过滤掉一次分散体中的球磨介质以得到中间混合涂料，该中间混合涂料中碳纳米管的质量百分比浓度为0.5wt％；
二次分散：先将上述中间混合涂料与400g基础涂料混合，再用带球磨介质的二次高速分散设备进行二次分散以得到二次分散体，然后用滤网过滤掉二次分散体中的球磨介质以得到所述导电涂料，该导电涂料中碳纳米管的质量百分比浓度为0.1wt％。
将最终得到的导电涂料用喷枪喷涂在塑料上，在80℃烘箱中烘烤30min后取出，用表面电阻仪测得漆膜的面电阻为109Ω，能满足静电喷涂的需要。
实施例2：
基本内容同实施例1，不同之处在于：二次分散中将中间混合涂料与317g基础涂料混合，最终得到的导电涂料中碳纳米管的质量百分比浓度为0.12wt％，其喷涂后的漆膜的面电阻为3×108Ω。
实施例3：
基本内容同实施例1，不同之处在于：二次分散中将中间混合涂料与233g基础涂料混合，最终得到的导电涂料中碳纳米管的质量百分比浓度为0.15wt％，其喷涂后的漆膜的面电阻为106Ω。
实施例4：
基本内容同实施例1，不同之处在于：二次分散中将中间混合涂料与177g基础涂料混合，最终得到的导电涂料中碳纳米管的质量百分比浓度为0.18wt％，其喷涂后的漆膜的面电阻为105Ω。
实施例5：
基本内容同实施例1，不同之处在于：二次分散中将中间混合涂料与150g基础涂料混合，最终得到的导电涂料中碳纳米管的质量百分比浓度为0.20wt％，其喷涂后的漆膜的面电阻为105Ω。
实施例6：
基本内容同实施例1，不同之处在于：二次分散中将中间混合涂料与66g基础涂料混合，最终得到的导电涂料中碳纳米管的质量百分比浓度为0.30wt％，其喷涂后的漆膜的面电阻为104Ω。
实施例7：
基本内容同实施例1，不同之处在于：二次分散中将中间混合涂料与25g基础涂料混合，最终得到的导电涂料中碳纳米管的质量百分比浓度为0.40wt％，其喷涂后的漆膜的面电阻为104Ω。
实施例8：
基本内容同实施例1，不同之处在于：一次分散中，将1.5g碳纳米管阵列，加入到100g基础涂料中，中间混合涂料中碳纳米管的质量百分比浓度为1.5wt％；二次分散中，将所述中间混合涂料与200g基础涂料混合，最终得到的导电涂料中碳纳米管的质量百分比浓度为0.50wt％，其喷涂后的漆膜的面电阻为103Ω。
实施例9：
基本内容同实施例1，不同之处在于：一次分散中，将0.75g碳纳米管阵列，加入到100g基础涂料中，中间混合涂料中碳纳米管的质量百分比浓度为0.75wt％；二次分散中，将所述中间混合涂料与200g基础涂料混合，最终得到的导电涂料中碳纳米管的质量百分比浓度为0.25wt％，其喷涂后的漆膜的面电阻为2×105Ω。
由以上9个实施例的制备过程，及其产品经喷涂后的面电阻可知，所有产品都在超低浓度碳管含量的基础上实现了能满足静定喷涂的导电需求。此外，图1是本发明中超低碳管含量碳系导电涂料内含不同浓度碳纳米管时，经喷涂后的光学图片，从左到右的碳纳米管含量依次为0.1wt.％、0.12wt.％、0.15wt.％、0.18wt.％、0.2wt.％、0.3wt.％、0.4wt.％、0.5wt.％，这些浓度在上方实施例中都能找到其对应的制备方法，由图片可知，产品喷涂后的颜色很浅，不会干扰其上再静电喷涂后的面漆的颜色，颜料的装饰性能很好。
Claims (6)
1.一种超低碳管含量碳系导电涂料，包括基础涂料及其内掺杂的导电添加剂，所述导电添加剂为碳纳米管，其特征在于：
所述碳纳米管的类型为碳纳米管阵列，碳纳米管在基础涂料中均匀分散，碳纳米管悬浮在基础涂料中；所述导电涂料中碳纳米管的质量百分比浓度为0.1–0.5 wt%，该导电涂料经空气喷涂后形成的漆膜的面电阻小于等于109Ω；所述导电涂料经空气喷涂后用于汽车的底漆；所述基础涂料包含高分子树脂与溶剂，所述高分子树脂为酚醛树脂、环氧树脂或丙烯酸树脂，所述溶剂为芳香烃类、酯类或二醇衍生物类，其中，芳香烃类指苯、甲苯或二甲苯，酯类指醋酸甲酯、醋酸乙酯或醋酸丙酯，二醇衍生物类指乙二醇单甲醚、乙二醇单乙醚或乙二醇单丁醚；
所述超低碳管含量碳系导电涂料依照下列步骤制备：
一次分散：先将碳纳米管阵列加入基础涂料中，再用带球磨介质的一次高速分散设备进行一次分散以得到一次分散体，然后用滤网过滤掉一次分散体中的球磨介质以得到中间混合涂料，该中间混合涂料中碳纳米管的质量百分比浓度为0.5–1.5 wt%；
二次分散：先将上述中间混合涂料加入基础涂料中，再用带球磨介质的二次高速分散设备进行二次分散以得到二次分散体，然后用滤网过滤掉二次分散体中的球磨介质以得到所述导电涂料，该导电涂料中碳纳米管的质量百分比浓度为0.1–0.5 wt%，且该导电涂料经空气喷涂后形成的漆膜的面电阻小于等于109Ω。
2.根据权利要求1所述的一种超低碳管含量碳系导电涂料，其特征在于：所述基础涂料为不导电性或弱导电性涂料。
3.一种权利要求1所述的超低碳管含量碳系导电涂料的制备方法，其特征在于：所述制备方法依次包括以下步骤：
一次分散：先将碳纳米管阵列加入基础涂料中，再用带球磨介质的一次高速分散设备进行一次分散以得到一次分散体，然后用滤网过滤掉一次分散体中的球磨介质以得到中间混合涂料，该中间混合涂料中碳纳米管的质量百分比浓度为0.5–1.5 wt%；
二次分散：先将上述中间混合涂料加入基础涂料中，再用带球磨介质的二次高速分散设备进行二次分散以得到二次分散体，然后用滤网过滤掉二次分散体中的球磨介质以得到所述导电涂料，该导电涂料中碳纳米管的质量百分比浓度为0.1–0.5 wt%，且该导电涂料经空气喷涂后形成的漆膜的面电阻小于等于109Ω。
4.根据权利要求3所述的一种超低碳管含量碳系导电涂料的制备方法，其特征在于：所述一次分散中，分散设备的转速为2000 rpm，分散时间为2h；所述二次分散中，分散设备的转速为2000 rpm，分散时间为30 min。
5.根据权利要求3所述的一种超低碳管含量碳系导电涂料的制备方法，其特征在于：所述球磨介质是锆珠、玻璃珠、玛瑙珠或氧化铝珠。
6.根据权利要求5所述的一种超低碳管含量碳系导电涂料的制备方法，其特征在于：所述球磨介质的直径是1mm。
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