CN105623490A - 一种透波抗静电涂料及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透波抗静电涂料及其制备方法与应用，以低损耗抗静电碳纤维为导电填料，以聚合物涂料为基体，能同时满足抗静电和透波的表面防护要求。所述低损耗抗静电碳纤维的长度为0.1～6mm，含碳量为60～90％，体电阻率为1×10^-2～1×10³Ω·cm，介电损耗小于20。透波抗静电涂料的制备方法是将低损耗抗静电碳纤维按重量比大于0.1％且小于5％的含量加入到以聚氨酯为主要成分的聚合物涂料中即得到。将制备的涂料涂覆于基底上，干燥后形成透波抗静电涂层。本发明的优势为该透波抗静电涂料及其涂层能够同时满足抗静电和透波的要求，因此在发挥静电防护作用的同时，几乎不影响电磁波的传输。

Description

一种透波抗静电涂料及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于新材料领域，涉及一种能够同时满足抗静电和透波表面防护要求的涂料，其制备方法以及在飞机、通讯、医疗等抗静电领域的应用，具体涉及一种透波抗静电涂料及其制备方法与应用。

技术背景

静电是一种客观的自然现象，产生的方式有多种，如接触、摩擦、感应等。在电子工业、石油工业、兵器工业、纺织工业、橡胶工业、航空航天以及军事等领域，都需要采用静电防护技术来消除静电危害，减少静电造成的损失。在静电防护技术中，在产品或工件表面制备抗静电涂层是最常用的方法之一。

在某些特殊的应用领域，要求零部件或产品既要满足抗静电要求又要同时满足对电磁波的传输性能要求。例如，飞机在高速飞行时与空气强烈摩擦会使飞机表面产生静电，如果静电不能及时释放而积累到一定程度就会发生放电现象，对无线电通讯和导航系统都会产生干扰，甚至会引起雷击或燃爆油箱，带来巨大危害，因此必须对其表面进行抗静电防护。另一方面，飞机上的一些设备需要辐射或接收电磁波，因此抗静电涂层必须同时具有良好的透波性能，以减少对电磁波传输效率的影响。除了飞机外，其他一些应用领域如兵器、船舰、通讯、导弹、医疗等对产品表面防护涂层具有同样的抗静电和透波性能要求。

现有的抗静电涂料中，起抗静电作用的导电填料主要是金属粉、导电云母、炭黑、石墨烯、石墨粉、碳纳米管等，这些导电填料的导电率较高、损耗较大且长径比较小，为了达到一定的抗静电效果，需要很大的添加量才能在涂层中形成连续的导电网络，不但额外增加了重量，更导致涂层的损耗增加，因而对电磁波的反射率增加，大大降低了对电磁波的传输率。根据大量文献报道，当前应用的抗静电涂层仅能满足单一的抗静电要求，不能同时满足损耗低、透波性好的性能要求。

以下列举了几个中国专利公开了不同的抗静电涂料，这些抗静电涂料都采用金属粉、导电云母、炭黑、石墨烯或石墨粉等填料，因此都不能在抗静电的同时满足透波要求。这些专利包括：公开号为CN1296441C的中国专利公开了一种防静电涂料的制备方法，主要以膨胀石墨材料与有机成膜物质和溶剂等混合制得；公开号为CN1147552C的中国专利公开了纳米聚氨酯防静电涂料及其制备方法，将配制好的纳米聚氨酯涂料加入到云母导电粉中，搅拌均匀，研磨，即制成纳米聚氨酯抗静电涂料；公开号为CN1085927的中国专利公开了防静电涂料，是以聚氨酯为基体加入铝粉、助剂等物质复合而成；公开号为CN104877524A的中国专利公开了一种耐高温抗静电涂料，主要以导电粉、石墨粉、炭黑为导电填料；公开号为CN104449010A的中国专利公开了聚合物/石墨烯抗静电涂料、其制备方法及应用，以石墨烯、碳纳米管和金属粉等为导电填料。

碳纤维、石墨纤维是一种具有长径比优势的导电填料，但普通碳纤维或石墨化的碳纤维都是电磁波的强反射体，损耗很高，不适合用来制备透波涂层。公开号为CN104387957A的中国专利公开了一种抗静电涂料及其制备方法，主要组分为聚吡咯导电聚合物，添加碳纤维粉以增强涂料的强度和耐磨性，该专利中的碳纤维粉没有起到抗静电作用；公开号为CN1286931C的中国专利公开了一种碳纤维导静电涂料及其制备方法，是将石墨化的短切碳纤维与环氧树脂混合制得。由于普通碳纤维或石墨化的碳纤维都是电磁波的强反射体，可以推测以上两个专利公开的导静电涂料损耗高、透波性差。公开号为CN101220535A的中国专利公开了一种防静电用碳纤维及其制备方法，以及公开号为CN102839448B的专利公开了一种防静电用碳基纤维及其制备方法与应用。上述两个专利只公开了防静电碳纤维及其制备方法，没有涉及抗静电涂料或透波抗静电涂料，而且根据专利中公开的数据不能制备出能够同时满足抗静电和良好透波性要求的防护涂层。

综上表明，现有的导电填料和抗静电涂料都不能满足一些特殊领域对表面防护涂层损耗低、透波性好的性能要求，因此急需开发一种新型的透波抗静电涂料及其涂层。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有抗静电涂料不能同时兼顾抗静电和良好透波性的双重需求的问题。针对此，本发明提供了一种透波抗静电涂料及其制备方法与应用，本发明的透波抗静电涂料兼具抗静电和良好的透波性，可以应用于飞机、通讯设备、兵器、导弹、舰艇、医疗设备等产品或零部件的表面防护。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种低损耗抗静电碳纤维，长度为0.1～6mm，含碳量为60～90％，体电阻率为1×10^-2～1×10³Ω·cm，介电损耗小于20。

上述低损耗抗静电碳纤维的制备方法，具体步骤如下：

(1)聚合和纺丝：将重量比≥92％的丙烯腈和余量的衣康酸、丙烯酸、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸中任一种或两种聚合，获得纺丝液；采用湿法纺丝或干喷湿纺技术制得聚丙烯腈纤维；

(2)热稳定化：在空气或氮气气氛中将步骤(1)中的聚丙烯腈纤维加热到250～280℃，热稳定化时间为40～120min；

(3)碳化工艺：将步骤(2)处理后的纤维在惰性气体或真空中加热到500～1100℃，碳化时间为5～30min，即得到。

上述低损耗抗静电碳纤维在制备涂料和涂层中的应用，所述的应用方法为在聚合物涂料的基体中加入上述的低损耗抗静电碳纤维作为导电填料，将涂料涂覆于基底上干燥后形成涂层。

一种透波抗静电涂料，以上述低损耗抗静电碳纤维为导电填料，以聚合物涂料为基体，所述低损耗抗静电碳纤维所占的重量比为大于0.1％小于5％；所述聚合物涂料其组分按重量比为：70～90％的聚氨酯树脂，5～20％的氟碳树脂、聚脲树脂、丙烯酸树脂中的任一种，1～5％分散介质，余量为溶剂和助剂。

所述涂料的制备方法为将上述低损耗抗静电碳纤维加入到所述聚合物涂料中，混合均匀即可(优选：机械搅拌混合、超声混合中的一种或两种方法配合使用。)。

所述涂料的使用方法：将制备好的涂料直接涂覆于基底上，干燥后即形成透波抗静电涂层。

所述的涂料在电子工业、石油工业、纺织工业、橡胶工业、航空航天、军事、医疗中所涉及的产品或设备表面的应用。尤其在飞机、兵器、船舰、通讯、导弹、医疗产品或设备表面的应用。

本发明具有优点：

(1)该透波抗静电涂料以及使用后制备的涂层能够同时满足抗静电和透波的要求，因此在发挥静电防护作用的同时，几乎不影响电磁波的传输。将本发明制备的涂料涂覆于聚四氟乙烯基底板材上获得的透波抗静电涂层，经检测其表面电阻率为0.1～50MΩ，介电损耗角正切值为0.03～0.4，满足飞机、医疗设备等对静电防护及电磁波传输性能的特殊要求。

(2)该透波抗静电涂料所采用的导电填料既不是普通市售碳纤维，也不是普通抗静电碳纤维，而是能同时满足抗静电和透波要求的专用碳纤维，其介电常数和介电损耗的频谱图如图1所示。

(3)该透波抗静电涂料特别适用于同时要求抗静电和透波的应用领域，如飞机、兵器、舰艇、通讯、导弹、医疗等，另外也适用于单一抗静电要求的应用领域。

(4)本发明的涂料的制备方法简单，直接将原料混合即可，使用方法也非常方便，直接将混合后的涂料涂覆于基底，常温干燥即可。

附图说明

图1为低损耗抗静电碳纤维的介电常数频谱(a)和介电损耗频谱(b)。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

制备透波抗静电涂料及涂层，步骤如下：

(1)按重量比98％丙烯腈、2％衣康酸称取各单体，进行聚合反应，采用湿法纺丝制备聚丙烯腈纤维。

(2)在空气气氛下将步骤(1)制备的聚丙烯腈纤维加热至250℃，进行热稳定化，时间100min，然后在氮气气氛下将纤维加热至760℃，进行碳化，时间15min，获得低损耗抗静电碳纤维，将该纤维短切至2～3mm。

(3)将短切低损耗抗静电碳纤维按重量比2％加入到组分重量比为80％聚氨酯树脂、10％氟碳树脂、2％片状云母、1％ATO、7％溶剂和助剂的聚合物涂料中，机械搅拌混合均匀。

(4)将混合后的复合涂料涂覆于待防护基底表面，自然干燥后获得透波抗静电涂层。

实施例2

制备透波抗静电涂料及涂层，步骤如下：

(1)按重量比95％丙烯腈、2％衣康酸、3％丙烯酸甲酯称取各单体，进行聚合反应，采用湿法纺丝制备聚丙烯腈纤维。

(2)在氮气气氛下将步骤(1)制备的聚丙烯腈纤维加热至280℃，进行热稳定化，时间120min，然后在氮气气氛下将纤维加热至900℃，进行碳化，时间5min，获得低损耗抗静电碳纤维，将该纤维短切至1～3mm。

(3)将短切低损耗抗静电碳纤维按重量比1％加入到组分重量比为90％聚氨酯树脂、2％氟碳树脂、2％丙烯酸树脂、1％片状云母、1％ATO、4％溶剂和助剂的聚合物涂料中，机械搅拌辅助超声搅拌混合均匀。

(4)将混合后的复合涂料涂覆于待防护基底表面，自然干燥后获得透波抗静电涂层。

实施例3

制备透波抗静电涂料及涂层，步骤如下：

(1)按重量比92％丙烯腈、5％甲基丙烯酸、3％丙烯酸称取各单体，进行聚合反应，采用干喷湿纺技术制备聚丙烯腈纤维。

(2)在空气气氛下将步骤(1)制备的聚丙烯腈纤维加热至270℃，进行热稳定化，时间60min，然后在氮气气氛下将纤维加热至650℃，进行碳化，时间25min，获得低损耗抗静电碳纤维，将该纤维磨碎至0.1～1mm。

(3)将上述低损耗抗静电碳纤维按重量比5％加入到组分重量比为70％聚氨酯树脂、10％丙烯酸、5％氟碳树脂、4％片状云母、1％ATO、10％溶剂和助剂的聚合物涂料中，机械搅拌混合均匀。

(4)将混合后的复合涂料涂覆于待防护基底表面，自然干燥后获得透波抗静电涂层。

实施例4

制备透波抗静电涂料及涂层，步骤如下：

(1)按重量比99％丙烯腈、1％丙烯酸甲酯称取各单体，进行聚合反应，采用湿法纺丝制备聚丙烯腈纤维。

(2)在氮气气氛下将步骤(1)制备的聚丙烯腈纤维加热至260℃，进行热稳定化，时间90min，然后在氮气气氛下将纤维加热至550℃，进行碳化，时间30min，获得低损耗抗静电碳纤维，将该纤维短切至3～5mm。

(3)将短切低损耗抗静电碳纤维按重量比0.2％加入到组分重量比为为80％的聚氨酯树脂、10％的聚脲树脂、2％片状云母、1％ATO、7％的溶剂和助剂的聚合物涂料中，机械搅拌混合均匀。

(4)将混合后的复合涂料喷涂于待防护基底表面，自然干燥后获得透波抗静电涂层。

实施例5

制备透波抗静电涂料及涂层，步骤如下：

(1)按重量比97％丙烯腈、3％衣康酸称取各单体，进行聚合反应，采用干喷湿纺技术制备聚丙烯腈纤维。

(2)在空气气氛下将步骤(1)制备的聚丙烯腈纤维加热至270℃，进行热稳定化，时间80min，然后在氮气气氛下将纤维加热至700℃，进行碳化，时间10min，获得低损耗抗静电碳纤维，将该纤维短切至1～2mm。

(3)将短切低损耗抗静电碳纤维按重量比3％加入到组分重量比为85％的聚氨酯树脂、5％的氟碳树脂、5％聚脲树脂、1％ATO、4％的溶剂和助剂的聚合物涂料中，超声搅拌混合均匀。

(4)将混合后的复合涂料喷涂于待防护基底表面，自然干燥后获得透波抗静电涂层。

上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种低损耗抗静电碳纤维，其特征是：长度为0.1～6mm，含碳量为60～90％，体电阻率为1×10^-2～1×10³Ω·cm，介电损耗小于20。

2.如权利要求1所述的低损耗抗静电碳纤维的制备方法，其特征是：具体步骤如下：

(1)热稳定化：在空气或氮气气氛中将聚丙烯腈纤维加热到250～280℃，热稳定化时间为40～120min；

(2)碳化：将步骤(1)处理后的纤维在惰性气体或真空中加热到500～1100℃，碳化时间为5～30min，即得到。

3.如权利要求1所述的低损耗抗静电碳纤维的制备方法，其特征是：所述步骤(1)中的聚丙烯腈纤维的制备方法如下：将重量比≥92％的丙烯腈和衣康酸、丙烯酸、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸中任一种或两种聚合，获得纺丝液；然后，采用湿法纺丝或干喷湿纺技术制得聚丙烯腈纤维。

4.权利要求1所述的低损耗抗静电碳纤维在制备涂料和涂层中的应用。

5.一种透波抗静电涂料，其特征是：以权利要求1所述的低损耗抗静电碳纤维为导电填料，以聚合物涂料为基体，所述低损耗抗静电碳纤维所占的重量比为大于0.1％小于5％；所述聚合物涂料其组分按重量比为：70～90％的聚氨酯树脂，5～20％的氟碳树脂、聚脲树脂、丙烯酸树脂中的任一种，1～5％分散介质，余量为溶剂和助剂。

6.权利要求5所述的涂料在电子工业、石油工业、纺织工业、橡胶工业、航空航天、军事、医疗中所涉及的产品或设备表面的应用。

7.如权利要求6所述的应用，其特征是：所述应用为在飞机、兵器、船舰、通讯、导弹、医疗产品或设备表面的应用。

8.权利要求5所述的涂料的制备方法，其特征是：将所述低损耗抗静电碳纤维加入到所述聚合物涂料中，混合均匀即可。

9.如权利要求8所述的制备方法，其特征是：所述混合为机械搅拌混合、超声混合中的一种或两种方法配合使用。

10.权利要求5所述的涂料的使用方法，其特征是：将制备好的涂料直接涂覆于基底上，干燥后即可。