CN109801734A

CN109801734A - 一种非导电基材粉末涂料静电喷涂方法及所使用的导电剂与其制备方法

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Publication number: CN109801734A
Application number: CN201811536840.4A
Authority: CN
Inventors: 司徒粤; 邹坚涛; 黄洪; 史英骥; 吴延军
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2018-12-15
Filing date: 2018-12-15
Publication date: 2019-05-24

Abstract

本发明公开了一种非导电基材粉末涂料静电喷涂方法及所使用的导电剂与其制备方法。本发明的导电剂，按质量百分比计，包括以下原料：2%~3%水溶性导电聚合物、0.5%~1%阴离子表面活性剂、1%~1.5%增稠剂、1~1.1%保湿剂，余量为去离子水。导电剂能连续的在非导电基材表面铺展，液膜干燥后，可以得到5~18um的薄膜，该膜具有一定导电性，其表面电阻约为10⁸‑10¹⁰Ω，可满足粉末涂料静电喷涂所需的导电性，解决了非导电基材无法进行粉末涂料静电喷涂的限制。本发明得到的涂层厚度为30~80um，且可控，涂层表面平整。

Description

一种非导电基材粉末涂料静电喷涂方法及所使用的导电剂与其制备方法

技术领域

本发明涉及粉末涂料静电喷涂技术领域，尤其涉及一种非导电基材粉末涂料静电喷涂方法及所使用的导电剂与其制备方法。

背景技术

粉末涂料与涂装技术作为节省资源、节省能源、无污染和高生产效率而得到世界各国的重视，在各种涂料品种中粉末涂料是近年来发展速度最快的品种。粉末涂料主要用静电喷涂法进行涂装，其是运用高压电场的感应效应或摩擦起电效应，使粉末涂料和被涂物受到感应而分别带上彼此相反电荷，从而把带电荷的粉末涂料吸附到带相反电荷的被涂物上面，然后被涂物经过熔融流平、烘烤固化得到涂膜的涂装方法，因此，静电喷涂通常要求被涂物具有足够的导电性。

目前，粉末涂料在一些非导电基材，比如塑料、木材、玻璃、陶瓷等材料上得到应用，但由于粉末涂料最常用的是静电喷涂法，这就需要基体材料具有一定的导电性。对于非导电或导电性差的基材，通常是先涂一层导电膜提高其导电性，然后再进行静电涂装。例如，对于木材、中纤板等含水量较高的基底，可采用红外加热的方式，将内部水分引导至表面，从而实现导电。也有人在木材预涂一层溶剂型或水性导电漆，从而让木材表面导电，然后进行粉末涂料静电喷涂。但是，这些方法往往是针对某一类材料开发，适用范围窄，且原料成本高、工序复杂、耗能高。

聚苯胺(PANI)是一种具有优良导电性的聚合物，由于其在水中的溶解度很低，所以应用受到一些限制。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种非导电基材粉末涂料静电喷涂方法及所使用的导电剂与其制备方法。

为达到上述目的采用的技术方案如下。

一种用于静电喷涂方法中的导电剂的组成按质量百分比计，包括以下原料： 2％～3％水溶性导电聚合物、0.5％～1％阴离子表面活性剂、1％～1.5％增稠剂、1～1.5％保湿剂，余量为去离子水。

进一步，上述导电聚合物的成分为用聚2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(PAMPS) 掺杂的PANI，表示为PANI/PAMPS。

该导电剂具体制备方法按以下步骤进行：(1)制备PAMPS，在N₂保护下，向AMPS水溶液中加入过硫酸铵水溶液，并不断搅拌，恒温反应；(2)制备 PANI/PAMPS，将苯胺加入到上述AMPS和过硫酸铵溶液中，并逐滴加入过硫酸铵，在氮气氛围、0～5℃温度下，不断搅拌进行反应；(3)PANI/PAMPS的提纯，将步骤(2)中的反应体系进行减压蒸馏浓缩，抽滤并洗涤，取沉淀产物，真空干燥，得到所述PANI/PAMPS。

进一步的，所述步骤(1)中，AMPS水溶液浓度为6.2～12.4wt％，过硫酸铵浓度为4～6wt％，且AMPS与过硫酸铵摩尔比为8～13.5：1，恒温55～65℃反应 5～7小时；所述步骤(2)中，苯胺与AMPS的摩尔比为0.2～0.4:1，苯胺与过硫酸铵的摩尔比为1～2：1，过硫酸铵溶液的滴加速度0.06～1.00g/min，过硫酸铵浓度为4～6wt％，反应12～24h；所述步骤(3)中，抽滤后水洗涤2～3次，真空干燥是在50～60℃下干燥1天。

进一步，上述的阴离子表面活性剂为羧酸盐、硫酸酯盐、磷酸酯盐、磺酸盐中的一种或多种。在导电剂中加入阴离子表面活性剂，有利于减小非导电基材与导电剂之间的界面张力，从而导电剂在表面连续地铺展，进而形成良好的导电涂膜。可根据不同的非导电基材表面，调整表面活性剂的用量。

进一步，上述的增稠剂为羧甲基纤维素钠、聚乙烯吡咯烷酮、甲基纤维素、淀粉磷酸钠、聚氧乙烯中的一种或多种。增稠剂能够显著增加导电剂的粘度，从而避免导电液涂覆于非导电基材上出现流挂现象。可根据所需要的粘度，调节增稠剂的用量。

进一步，上述的保湿剂为聚乙二醇，用于吸附水，从而增强导电剂涂膜的导电性。

所述的导电剂的制备：先将所述导电聚合物加入到去离子水中，不断搅拌、超声；待导电聚合物溶解完全，再依次加入阴离子表面活性剂、增稠剂和保湿剂，并不断搅拌、超声，待完全溶解即得到所述导电剂。

一种非导电基材粉末涂料静电喷涂方法，包括以下步骤：

(1)非导电基材预处理，让表面清洁无杂物油垢；

(2)施涂导电剂，将预处理过的基体采用喷涂、刷涂或浸润方式在其表面施涂所述含有水溶性导电聚合物的导电剂，干燥后得到一层薄膜；

(3)施涂粉末涂料，采用静电喷涂在所述步骤(2)施涂导电剂后的非导电基材表面施涂粉末涂料并固化。

进一步，上述步骤(2)中，干燥导电剂涂膜时，控制干燥温度不超过60℃。

进一步，导电剂涂膜干燥后，形成一层厚度为5-18um的薄膜，薄膜的表面电阻为10⁸-10¹⁰Ω，满足静电喷涂所需要的导电性，薄膜的厚度可根据涂覆的次数进行调整。

所述非导电基材选自木材、玻璃或陶瓷等非导电基材的处理。

本发明的原理：PAMPS能溶于水，掺杂PANI后，可增加PANI在水中的溶解度，不同掺杂度的PANI/PAMPS在水中的溶解度可达到3～5g。AMPS极易聚合并且亲水性较强，在引发剂的作用下迅速生成PAMPS；之后，苯胺(AN)在 PAMPS的水溶液中聚合，得到具有优良导电性的PANI/PAMPS。其可赋予非导电基材一定的导电性能。

采用上述技术方案的有益效果是：所述粉末涂料施涂方法可以在非导电基材上通过静电喷涂的方式施涂粉末涂料，上粉率好，表面平整，粉末涂料的喷涂厚度可达30～80um。导电剂的配方简单，成本低廉，薄膜表面电阻为10⁸-10¹⁰Ω，导电效果良好，成功地解决了非导电基材无法进行粉末涂料静电喷涂的技术难题，使得粉末涂料可以应用到塑料、木材、玻璃、陶瓷等非导电基材上，适用范围较广，且避免了溶剂型涂料的污染问题，让人们的生活环境更加绿色、环保。

附图说明

图1为实施例1合成的导电剂在基材上涂覆成膜后的SEM图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

如无具体说明，本发明的各种原料均可以市售购得。

实施例1

步骤一：采用化学氧化法制备水溶性导电聚合物，并配制导电剂。具体制备方法按以下步骤进行：

(1)制备PAMPS，在氮气氛围下，向50g浓度为12.4wt％的AMPS水溶液中加入21.4g浓度为4wt％的APS(过硫酸铵)水溶液，也即物质的量之比 AMPS/APS＝8，恒温55℃反应5小时，并不断搅拌；(2)制备PANI/PAMPS，在氮气氛围下，向步骤(1)的反应体系中加入0.56gANI(苯胺)，即ANI与AMPS 的物质的量之比ANI/AMPS＝0.2，并以0.06g/min的速度滴加22.8g浓度为6％wt 的APS水溶液，即滴加的APS总量的物质的量满足ANI/APS＝1，恒温0℃反应 12小时，并不断搅拌；(3)PANI/PAMPS的提取，将步骤(2)中的反应体系进行减压蒸馏浓缩体积为47ml，抽滤并用水洗涤2次，取沉淀产物，50℃真空干燥一天，得到PANI/PAMPS产物3.2g；(4)取上步中的PANI/PAMPS产物3.0g，加入盛有94.5g去离子水的烧杯中，并不断搅拌、超声处理。待PANI/PAMPS溶解完全后，加入0.5g十二烷基苯磺酸钠，搅拌溶解完全；加入1g羧甲基纤维素钠，搅拌溶解完全；加入1g聚乙二醇，搅拌溶解完全：即可得到导电剂。

步骤二：清理耐高温尼龙塑料表面灰尘和污物。

步骤三：用油漆刷将导电剂均匀地涂覆在塑料表面，得到一层导电液膜。

步骤四：在烘箱60℃条件下烘干导电液膜，可得到一层干膜，用超声测厚仪测得膜厚为10um，用万能电表测其表面电阻为10⁹Ω。该电阻的数值，说明该膜能够满足粉末涂料静电喷涂所要求的导电性。

步骤五：采用静电喷涂的技术将环氧粉末涂料涂装在塑料表面进行，200℃下加热固化12min。所使用粉末涂料配方见下表1。

表1实施例1中所述环氧粉末涂料配方

步骤六：用超声测厚仪测得环氧粉末涂料涂层厚度为55um，肉眼观察涂膜平整，无气孔针孔缩孔。

图1中，图中的黑暗区域为PAMPS，位于PAMPS上的明亮区域是PANI。所以从图1中可以看到，PANI与PAMPS掺杂成功了，且PANI在PAMPS的表面分布较均匀、密集，从而有利于涂膜的导电。

所以，可以利用导电剂在尼龙表面形成满足粉末涂料静电喷涂的导电层，从而成功地在尼龙表面进行粉末涂料静电喷涂。

实施例2

步骤一中的(1)～(3)步与实施例1相同。

(4)取上步中的PANI/PAMPS产物2.5g，加入盛有94.25g去离子水的烧杯中，并不断搅拌、超声处理。待PANI/PAMPS溶解完全后，加入0.5g十二烷基苯磺酸钠、0.25g十六烷基磷酸单酯盐，搅拌溶解完全；加入0.65g聚乙烯吡咯烷酮、0.6g羧甲基纤维素钠，搅拌溶解完全；加入1.25g聚乙二醇，搅拌溶解完全：即可得到导电剂。

步骤二至步骤六与实施例1相同，相应的结果数据见表3。

实施例3

步骤一中的(1)～(3)步与实施例1相同。

(4)取上步中的PANI/PAMPS产物2.5g，加入盛有93.75g去离子水的烧杯中，并不断搅拌、超声处理。待PANI/PAMPS溶解完全后，加入0.5g十二烷基苯磺酸钠、0.25g十六烷基磷酸单酯盐，搅拌溶解完全；加入0.75g淀粉磷酸钠、 0.75g聚氧乙烯，搅拌溶解完全；加入1.5g聚乙二醇，搅拌溶解完全：即可得到导电剂。

步骤二：清理中密度纤维板表面灰尘和污物。

步骤三至步骤六与实施例1相同，相应的结果数据见表3。

所以，可以利用导电剂在中密度纤维板表面形成满足粉末涂料静电喷涂的导电层，从而成功地在尼龙表面进行静电喷涂。

实施例4

步骤一中的(1)～(3)步与实施例1相同。

(4)取上步中的PANI/PAMPS产物2.0g，加入盛有94.0g去离子水的烧杯中，并不断搅拌、超声处理。待PANI/PAMPS溶解完全后，加入0.5g磺化油AH、 0.5g十二烷基琥珀酸，搅拌溶解完全；加入0.75g淀粉磷酸钠、0.75g聚氧乙烯，搅拌溶解完全；加入1.5g聚乙二醇，搅拌溶解完全：即可得到导电剂。

步骤二：清理陶瓷表面灰尘和污物。

步骤三至步骤六与实施例1相同，相应的结果数据见表3。

所以，可以利用导电剂在陶瓷表面形成满足粉末涂料静电喷涂的导电层，从而成功地在尼龙表面进行静电喷涂。

实施例5

步骤一中的(1)～(3)步与实施例1相同。

(4)取上步中的PANI/PAMPS产物2.5g，加入盛有94.1g去离子水的烧杯中，并不断搅拌、超声处理。待PANI/PAMPS溶解完全后，加入0.5g磺化油AH、 0.5g十二烷基琥珀酸，搅拌溶解完全；加入0.6g甲基纤维素钠、0.6g聚氧乙烯，搅拌溶解完全；加入1.2g聚乙二醇，搅拌溶解完全：即可得到导电剂。

步骤二至步骤六与实施例1相同，相应的结果数据见表3。

实施例6

(1)制备PAMPS，在氮气氛围下，向50g浓度为8.3wt％的AMPS水溶液中加入8.5g浓度为5wt％的APS(过硫酸铵)水溶液，也即物质的量之比 AMPS/APS＝10.7，恒温60℃反应6小时，并不断搅拌；(2)制备PANI/PAMPS，在氮气氛围下，向步骤(1)的反应体系中加入0.56gANI(苯胺)，即ANI与AMPS 的物质的量之比ANI/AMPS＝0.3，并以0.08g/min的速度滴加18.3g浓度为5％wt 的APS水溶液，即滴加的APS总量的物质的量满足ANI/APS＝1.5，恒温2℃反应18小时，并不断搅拌；(3)PANI/PAMPS的提取，将步骤(2)中的反应体系进行减压蒸馏浓缩至体积为39ml，抽滤并用水洗涤3次，取沉淀产物，60℃真空干燥一天，得到PANI/PAMPS产物2.4g；(4)取上步中的PANI/PAMPS产物 2.2g，加入盛有95.3g去离子水的烧杯中，并不断搅拌、超声处理。待PANI/PAMPS 溶解完全后，加入0.5g十二烷基苯磺酸钠，搅拌溶解完全；加入1g羧甲基纤维素钠，搅拌溶解完全；加入1g聚乙二醇，搅拌溶解完全：即可得到导电剂。

步骤二至步骤六与实施例1相同，相应的结果数据见表3。

实施例7

步骤一中的(1)～(3)步与实施例6相同。

(4)取上步中的PANI/PAMPS产物2.0g，加入盛有94.75g去离子水的烧杯中，并不断搅拌、超声处理。待PANI/PAMPS溶解完全后，加入0.5g十二烷基苯磺酸钠、0.25g十六烷基磷酸单酯盐，搅拌溶解完全；加入0.65g聚乙烯吡咯烷酮、0.6g羧甲基纤维素钠，搅拌溶解完全；加入1.25g聚乙二醇，搅拌溶解完全：即可得到导电剂。

步骤二至步骤六与实施例1相同，相应的结果数据见表3。

实施例8

步骤一中的(1)～(3)步与实施例6相同。

(4)取上步中的PANI/PAMPS产物2.3g，加入盛有93.95g去离子水的烧杯中，并不断搅拌、超声处理。待PANI/PAMPS溶解完全后，加入0.5g十二烷基苯磺酸钠、0.25g十六烷基磷酸单酯盐，搅拌溶解完全；加入0.75g淀粉磷酸钠、 0.75g聚氧乙烯，搅拌溶解完全；加入1.5g聚乙二醇，搅拌溶解完全：即可得到导电剂。

步骤二至步骤六与实施例3相同，相应的结果数据见表3。

实施例9

步骤一中的(1)～(3)步与实施例6相同。

步骤二至步骤六与实施例4相同，相应的结果数据见表3。

实施例10

步骤一中的(1)～(3)步与实施例6相同。

(4)取上步中的PANI/PAMPS产物2.4g，加入盛有94.2g去离子水的烧杯中，并不断搅拌、超声处理。待PANI/PAMPS溶解完全后，加入0.5g磺化油AH、 0.5g十二烷基琥珀酸，搅拌溶解完全；加入0.6g甲基纤维素钠、0.6g聚氧乙烯，搅拌溶解完全；加入1.2g聚乙二醇，搅拌溶解完全：即可得到导电剂。

步骤二至步骤六与实施例1相同，相应的结果数据见表3。

实施例11

(1)制备PAMPS，在氮气氛围下，向50g浓度为6.2wt％的AMPS水溶液中加入4.2g浓度为6wt％的APS(过硫酸铵)水溶液，也即物质的量之比 AMPS/APS＝13.5，恒温65℃反应7小时，并不断搅拌；(2)制备PANI/PAMPS，在氮气氛围下，向步骤(1)的反应体系中加入0.56gANI(苯胺)，即ANI与AMPS 的物质的量之比ANI/AMPS＝0.4，并以1g/min的速度滴加17.1g浓度为4％wt的 APS水溶液，即滴加的APS总量的物质的量满足ANI/APS＝2，恒温5℃反应24 小时，并不断搅拌；(3)PANI/PAMPS的提取，将步骤(2)中的反应体系进行减压蒸馏浓缩至体积为36ml，抽滤并用水洗涤2～3次，取沉淀产物，真空干燥，得到PANI/PAMPS产物1.8g，重复(1)(2)(3)，可得到产物3.6g；(4)与实施例1相同

步骤二：清理清理高温玻璃表面灰尘和污物。

步骤三、步骤四与实施例1相同

步骤五：采用静电喷涂的技术将紫外光固化粉末涂料喷涂在塑料表面。粉末涂料在红外线熔融炉90～120℃条件下熔融；然后进入强制对流的烘烤炉，使粉末涂料熔融温度均匀，充分流平；最后进入紫外光固化炉充分交联固化。所使用紫外光固化粉末涂料配方见下表2。200℃下加热固化12min。所使用粉末涂料配方见下表2。

步骤六：用超声测厚仪测得涂膜厚度为60um，无气孔针孔缩孔。

表2实施例2中所述紫外光固化粉末涂料配方

所以，可以利用导电剂在高温玻璃表面形成满足粉末涂料静电喷涂的导电层，从而成功地在尼龙表面进行静电喷涂。

实施例12

步骤一中的(1)～(3)步与实施例11相同；(4)与实施例2相同。

步骤二至步骤六与实施例11相同，相应的结果数据见表3。

实施例13

步骤一中的(1)～(3)步与实施例11相同；(4)与实施例3相同。

步骤二至步骤六与实施例11相同，相应的结果数据见表3。

实施例14

步骤一中的(1)～(3)步与实施例11相同；(4)与实施例4相同。

步骤二至步骤六与实施例11相同，相应的结果数据见表3。

实施例15

步骤一中的(1)～(3)步与实施例11相同；(4)与实施例5相同。

步骤二至步骤六与实施例11相同，相应的结果数据见表3。

各实施例的应用结果见表3。

表3实施例的应用效果

由表3可知，在一定范围内，当干膜的厚度越大时，干膜的表面电阻越小，静电喷涂的上粉量越多，粉末涂料涂层越厚，外观更佳。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限定。凡本领域的技术人员利用本发明的技术方案对上述实施例作出的任何等同的变动、修饰或演变等，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种用于静电喷涂方法中的导电剂，其特征在于，按质量百分比计，包括以下组分：2%~3%水溶性导电聚合物、0.5%~1%阴离子表面活性剂、1%~1.5%增稠剂、1%~1.5%保湿剂，余量为去离子水。

2.根据权利要求1所述的导电剂，其特征在于，所述水溶性导电聚合物是PANI/PAMPS，所述PANI/PAMPS的制备包括以下步骤：（1）制备PAMPS，在N₂保护下，向AMPS水溶液中加入过硫酸铵水溶液，并不断搅拌，恒温反应；（2）制备PANI/PAMPS，将苯胺加入到上述AMPS和过硫酸铵溶液中，并逐滴加入过硫酸铵，在氮气氛围、0~5℃温度下，不断搅拌进行反应；（3）PANI/PAMPS的提纯，将步骤（2）中的反应体系进行减压蒸馏浓缩，抽滤并洗涤，取沉淀产物，真空干燥，得到所述PANI/PAMPS。

3.根据权利要求2所述的导电剂，其特征在于：所述步骤（1）中，AMPS水溶液浓度为6.2~12.4wt%，过硫酸铵浓度为4~6wt%，且AMPS与过硫酸铵摩尔比为8~13.5：1，恒温55~65℃反应5~7小时；所述步骤（2）中，苯胺与AMPS的摩尔比为0.2~0.4:1，苯胺与过硫酸铵的摩尔比为1~2：1，过硫酸铵溶液的滴加速度0.06~1.00g/min，过硫酸铵浓度为4~6wt%，反应12~24h；所述步骤（3）中，抽滤后水洗涤2~3次，真空干燥是在50~60℃下干燥1天。

4.根据权利要求1所述的导电剂，其特征在于：所述阴离子表面活性剂为羧酸盐、硫酸酯盐、磷酸酯盐、磺酸盐中的一种或多种；所述增稠剂为羧甲基纤维素钠、聚乙烯吡咯烷酮、甲基纤维素、淀粉磷酸钠、聚氧乙烯中的一种或多种；所述增湿剂为聚乙二醇。

5.权利要求1-4任一项所述的导电剂的制备方法，其特征在于：先将所述导电聚合物加入到去离子水中，不断搅拌、超声；待导电聚合物溶解完全，再依次加入阴离子表面活性剂、增稠剂和保湿剂，并不断搅拌、超声，待完全溶解即得到所述导电剂。

6.一种使用权利要求1-4任一项所述导电剂的非导电基材粉末涂料静电喷涂方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：（1）基材预处理，去除表面灰尘和污物；（2）施涂所述导电剂，采用喷涂、刷涂或浸润方式在预处理过的基材表面施涂所述导电剂，干燥后得到一层薄膜；（3）施涂粉末涂料，采用静电喷涂在所述步骤（2）施涂导电剂后的基材表面施涂粉末涂料并固化。

7.根据权利要求6所述的非导电基材粉末涂料静电喷涂方法，其特征在于：所述步骤（2）中控制干燥温度不超过60℃。

8.根据权利要求6所述的非导电基材粉末涂料静电喷涂方法，其特征在于：所述步骤（2）中导电剂在非导电基材表面干燥后，得到的薄膜厚度为5-18um，所述薄膜的表面电阻为10⁸-10¹⁰Ω。

9.根据权利要求6所述的非导电基材粉末涂料静电喷涂方法，其特征在于：所述非导电基材选自塑料、木材、玻璃或陶瓷。