CN114106688A - 防静电涂层材料及其配置方法、防静电涂层及其形成方法 - Google Patents

防静电涂层材料及其配置方法、防静电涂层及其形成方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种防静电涂层材料及其配置方法、防静电涂层及其形成方法，其中，防静电涂层材料，其特征在于，包括：聚合物分子和金属离子的螯合物以及导电纳米材料，其中，聚合物分子中含有氨基，在配置防静电涂层材料时，以导电纳米材料作为主体导电材料，可以满足涂层的导电要求，且加入含氨基的聚合物和金属离子的螯合物，聚合物分子中的氨基与金属离子发生相互作用，得到具有导电性能的复合物，在进一步提升防静电涂层的导电性能的同时，还可以提升涂层的机械耐磨性。

Description

防静电涂层材料及其配置方法、防静电涂层及其形成方法
技术领域
本申请属于防静电技术领域，更具体地，涉及一种防静电涂层材料及其配置方法、防静电涂层及其形成方法。
背景技术
近年来，随着新型功能性材料的合成和发展，应用于电子电气、精密仪器、石油化工、航空航天等领域的防静电材料受到人们的广泛关注。尤其在制造行业中，防静电涂层起着非常重要的作用，它需要具备优异的防静电功能、较高的表面硬度、较强的机械耐磨性以及简单的加工技术。现有的防静电材料包括本征型和添加型两大类。本征型防静电材料导电性能优异，但一些成膜物质导电材料存在制备复杂，成本偏高的问题。添加型防静电材料种类较多，成本较低，但是其综合性能不够理想。现阶段随着人们对材料性能的需求越来越高，亟需开发既满足导电性能又具有较强的机械耐磨性以及低成本的防静电复合材料。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本申请提供了一种防静电涂层材料及其配置方法、防静电涂层及其形成方法，其目的在于在保证防静电的同时提升涂层的机械耐磨性，由此解决目前静电涂层机械耐磨性不佳的技术问题。
为实现上述目的，按照本申请的第一个方面，提供了一种防静电涂层材料，包括：聚合物分子和金属离子的螯合物以及导电纳米材料，聚合物分子中含有氨基，其中，聚合物分子和金属离子的螯合物以及导电纳米材料形成混合溶液，或以包含聚合物分子和金属离子的螯合物形成第一溶液，以包含导电纳米材料的溶液作为第二溶液且第一溶液和第二溶液配合使用。
在其中一个实施例中，所述聚合物分子包括PEI、PEIE、PAM、PAAm和PFN中的一种或多种。
在其中一个实施例中，所述导电纳米材料包括金属纳米线、碳纳米管、石墨烯、高分子导电聚合物和金属氧化物中的一种或多种，其中，所述金属纳米线包括Au纳米线、Ag纳米线和Cu纳米线中的一种或多种，所述碳纳米管包括单壁、多壁碳纳米管中的一种或多种，所述石墨烯为单层、双层、少层和多层石墨烯的一种或多种，所述高分子导电聚合物包括聚乙炔、聚吡咯、聚联苯、聚噻吩、聚呋喃、聚(3,4-二氧乙基噻吩)、聚(3,4-二氧丙基噻吩)、聚苯并噻吩、聚苯胺、或其共聚物及衍生物中的一种或多种，所述金属氧化物包括SnO2、TiO2、ZnO、Al2O3和In2O3中的一种或多种。
为实现上述目的，按照本申请的第二个方面，提供了一种防静电涂层材料的配置方法，所述防静电涂层材料为上述的防静电涂层材料，所述配置方法包括：
将含有氨基的聚合物溶液和金属有机盐混合，获得第一溶液，所述第一溶液含有聚合物分子和金属离子；
将导电纳米材料加入所述第一溶液，得到包含聚合物分子和金属离子的螯合物以及导电纳米材料的混合溶液，或，配置包含导电纳米材料的第二溶液。
在其中一个实施例中，根据防静电涂层的耐磨性能要求调节所述防静电涂层材料中的聚合物分子的质量分数，防静电涂层的耐磨性能随所述聚合物分子的质量分数的提高而提升。
为实现上述目的，按照本申请的第二个方面，提供了一种防静电涂层，包括形成于固体上的主体层，所述主体层包括含氨基的聚合物分子、金属离子和导电纳米材料。
在其中一个实施例中，还包括基底层和/或覆盖层，所述基底层包括含氨基的聚合物分子和金属离子，所述覆盖层包括含氨基的聚合物分子和金属离子。
为实现上述目的，按照本申请的第三个方面，提供了一种防静电涂层，包括形成于固体上的主体层、基底层和/或覆盖层，其中，所述主体层包括导电纳米材料，所述基底层包括含氨基的聚合物分子和金属离子，所述覆盖层包括含氨基的聚合物分子和金属离子。
为实现上述目的，按照本申请的第四个方面，提供了一种防静电涂层的形成方法，包括：
将上述的防静电涂层材料涂布于固体上，其中，
以混合溶液涂布于固体上形成防静电涂层的主体层；
或以第一溶液和第二溶液分别涂布于固体上，涂布第二溶液形成主体层，涂布第一溶液形成位于所述主体层底部的基底层和/或涂布第一溶液形成位于所述主体层顶部的覆盖层；
通过调节防静电涂层材料中的聚合物分子的质量分数，调节防静电涂层的耐磨性能。
在其中一个实施例中，还包括：
在以混合溶液涂布于固体上形成防静电涂层的主体层之前，将第一溶液涂布于所述固体上形成基底层，所述主体层形成于所述基底层上；
和/或，
在混合溶液涂布于固体上形成防静电涂层的主体层之后，将第一溶液涂布于所述主体层上形成覆盖层。
本申请人经研究发现，在配置防静电涂层材料时，以导电纳米材料作为导电材料，可以满足涂层的导电要求，且加入含氨基的聚合物和金属离子的螯合物，聚合物分子中的氨基与金属离子发生相互作用，得到具有导电性能的复合物，在进一步提升防静电涂层的导电性能的同时，还可以提升涂层的机械耐磨性。因此，在本申请中，通过配置包含聚合物分子和金属离子的螯合物以及导电纳米材料的静电涂层材料，利用该防静电涂层材料涂布于固体上，可以得到导电性能和机械耐磨性能较佳的防静电涂层，同时，可以通过调节防静电材料中的聚合物分子的质量分数，可以调节防静电涂层的机械耐磨性，使得该防静电涂层材料能应用于不同的场合。
附图说明
图1为一实施例的防静电涂层材料的配置方法的步骤流程示意图；
图2为一实施例的防静电涂层结构示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。此外，下面所描述的本申请各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
首先，本申请提出一种防静电涂层材料，其包括聚合物分子和金属离子的螯合物以及导电纳米材料，其中，聚合物分子中含有氨基。
具体的，聚合物分子和金属离子的螯合物以及导电纳米材料可以形成混合溶液。也可以以包含聚合物分子和金属离子的螯合物形成防静电涂层材料的第一溶液，以包含导电纳米材料的溶液作为防静电涂层的第二溶液，在涂布期间，第一溶液和第二溶液配合使用形成叠层。
在一实施例中，该含氨基的聚合物分子PEI(聚乙烯亚胺)、PEIE(乙氧基化聚乙烯亚胺)、PAM(聚丙烯酰胺)、PAAm(聚丙烯酰胺)和PFN(9,9-二辛基芴-9,9-双(N,N-二甲基胺丙基)芴)中的一种或多种。
在一实施例中，该金属离子可以是Zn2+、Al3+、Sn2+和Ti4+中的一种或多种。
在一实施例中，导电纳米材料为金属纳米线、碳纳米管、石墨烯、高分子导电聚合物和金属氧化物中的一种或多种。其中，金属纳米线为Au纳米线、Ag纳米线和Cu纳米线中的一种或多种；碳纳米管为单壁和多壁碳纳米管中的一种或多种；石墨烯为单层、双层、少层和多层石墨烯的一种或多种；高分子导电聚合物为聚乙炔、聚吡咯、聚联苯、聚噻吩、聚呋喃、聚(3,4-二氧乙基噻吩)、聚(3,4-二氧丙基噻吩)、聚苯并噻吩、聚苯胺、或其共聚物及衍生物中的一种或多种；金属氧化物为SnO2、TiO2、Al2O3、ZnO和In2O3中的一种或多种。
在一实施例中，防静电涂层材料中，导电纳米材料的质量分数为5％～95％。聚合物和导电纳米材料的质量比为(0.001～0.25)：1。当金属离子是通过金属有机盐的形式溶解于材料中，则聚合物和金属有机盐的质量比为1：(5～20)。需要说明的是，防静电涂层材料的具体配比可以综合考量导电性能和机械耐磨性灵活调节。
相应地，本申请还提出一种防静电涂层材料的配置方法，用于配置上文介绍的任意一种防静电涂层。如图1所示，该方法包括：
步骤S110：将含有氨基的聚合物溶液和金属有机盐混合，获得第一溶液，第一溶液含有聚合物分子和金属离子。
具体的，可以先将含氨基的聚合物溶解于溶剂中，得到聚合物溶液，将金属有机盐溶解于聚合物溶液，得到第一溶液。在一些实施例中，含氨基的聚合物、金属离子的选取可参考上文介绍。
步骤S120：将导电纳米材料加入第一溶液，得到包含聚合物分子和金属离子的螯合物以及导电纳米材料的混合溶液，或，配置包含导电纳米材料的第二溶液。
具体的，可以先将导电纳米材料溶解于溶剂中，得到导电纳米材料溶液，然后将导电纳米材料溶液与第一溶液混合，得到混合溶液。或者，单独配置包含导电纳米材料的第二溶液。在一些实施例中，导电纳米材料的选取可参考上文介绍。
进一步的，在配置防静电涂层材料时，可以根据防静电涂层的机械耐磨要求确定防静电涂层材料中聚合物分子的质量分数，聚合物分子的质量分数越高，防静电涂层的机械耐磨性越好，但是其导电性能可能会有所减弱，因此，防静电涂层材料的具体配比可以综合考量导电性能和机械耐磨性灵活调节，例如，若是将防静电涂层涂布于机械齿轮上，机械齿轮摩擦或者错位产生静电，防静电涂层需要有较强地机械耐磨性，而且对于其电导率有一定的要求，如果电导率太大，设备就会烧毁，如果电导率很小，防静电作用不明显。
相应地，本申请还提出一种防静电涂层，如图2所示，该防静电涂层包括涂布于固体100上的主体层220，其中，该主体层包括含氨基的聚合物分子、金属离子和导电纳米材料。在一实施例中，该主体层具体是将上文介绍的防静电涂层材料涂布于固体100上所形成。在一些实施例中，聚合物分子、金属离子和导电纳米材料的选取可参考上文介绍。
在一实施例中，防静电涂层还包括基底层210、或包含覆盖层230、或既包含基底层210也包含覆盖层230。其中，基底层210包括含氨基的聚合物分子和金属离子；覆盖层230包括含氨基的聚合物分子和金属离子。基底层和覆盖层的材料和组分相同。在一实施例中，覆盖层230中的聚合物分子和金属离子的质量比、主体层220中的聚合物分子和金属离子的质量比、以及基底层210中的聚合物分子和金属离子的质量比是相同的。在本实施例中，通过设置基底层210、覆盖层230，可以进一步提升防静电涂层的机械耐磨性。
可选的，在防静电涂层中，基底层的厚度范围为2nm～200nm，主体层的厚度范围为20nm～500um，覆盖层的厚度范围为10nm～500nm。在一实施例中，防静电涂层整体的方阻范围为10Ω～1011Ω，既能够将静电导走，又不会使得电流过大而引入新的问题。
相应地，本申请还提出一种防静电涂层，与上文中防静电涂层不同的是，其导电纳米材料位于主体层中，聚合物分子、金属离子位于覆盖层和/或基底层中。
相应的，本申请还提出一种防静电涂层的形成方法，该形成方法包括：将防静电涂层材料涂布于固体上，形成防静电涂层的主体层，其中，通过调节防静电涂层材料中的聚合物分子的质量分数，调节防静电涂层的耐磨性能。其中，形成防静电涂层的方式有多种。
第一种方式，当配置的防静电涂层材料为包含聚合物分子和金属离子的螯合物以及导电纳米材料的混合液时，可以涂布于固体上形成主体层。在一实施例中，防静电涂层可以仅包含该主体层。在另一实施例中，在形成主体层之前，该方法还包括：将基底材料涂布于固体上形成基底层，基底材料包括含氨基的聚合物分子和金属离子的螯合物，主体层形成于基底层上。在一实施例中，在形成主体层之后，该方法还包括：将覆盖材料涂布于主体层上形成覆盖层，覆盖材料包括含氨基的聚合物分子和金属离子的螯合物。其中，基底材料和覆盖材料的成分和配比相同，具体为将含有氨基的聚合物溶液和金属有机盐混合，获得第一溶液，以该第一溶液作为基底材料和覆盖材料。将导电纳米材料加入该第一溶液，得到包含聚合物分子和金属离子的螯合物以及导电纳米材料的混合溶液。
第二种方式，当配置的防静电涂层材料包括第一溶液和第二溶液时，可以以第一溶液和第二溶液分别涂布于固体上，涂布第二溶液形成主体层，涂布第一溶液形成位于主体层底部的基底层和/或涂布第一溶液形成位于所述主体层顶部的覆盖层。
具体的，聚合物分子、金属离子和导电纳米材料的选取可参考上文介绍。通过形成基底层和覆盖层，可以进一步提升防静电涂层的机械耐磨性。
以下以具体的实施例进行说明。
实施例1
采用喷涂方式制备防静电涂层
(1)配置基底材料和覆盖材料：先配置质量分数为0.5％的PEIE溶液，溶剂为2-甲氧基乙醇，加入醋酸锌使聚合物的质量和醋酸锌的质量为1:14，搅拌0.5h得到澄清溶液，再将其稀释至质量分数为20％，得到第一溶液；
(2)配置防静电涂层材料：将Ag银纳米线溶液加入上述第一溶液中，使Ag银纳米线的质量分数为25％，聚合物与Ag纳米线的质量比为0.01:1，震荡摇匀；
(3)防静电涂层具体制备过程：取1.7×1.7cm2大小的玻璃作为基底，设置喷枪的高度不变，保持垂直距离为20～25cm,在洗净的玻璃片上常温喷涂300μL基底材料，150℃下加热10min，得到基底层。接着常温喷涂500μL防静电涂层材料；或增加防静电涂层材料的喷涂量至570μL；或增加防静电涂层材料的喷涂量至590μL；或增加防静电涂层材料的喷涂量至605μL；或增加防静电涂层材料的喷涂量至615μL；或增加防静电涂层材料至625μL，喷涂完毕后150℃下加热10min；防静电涂层材料根据导电要求适量增加，得到主体层。最后常温喷涂400μL覆盖材料，150℃下加热20min，得到覆盖层。本实例方法制备的防静电涂层的方阻在10Ω-1011Ω之间可调。
实施例2
采用旋涂方式制备防静电涂层
(1)配置基底材料和覆盖材料：先配置质量分数为0.5％的PEIE溶液，溶剂为2-甲氧基乙醇，加入醋酸锌使聚合物的质量和醋酸锌的质量为1:14，搅拌0.5h得到澄清溶液；
(2)将Ag纳米线溶液加入上述第一溶液中，使Ag纳米线的质量分数为25％，聚合物与Ag纳米线的质量比为0.01:1，震荡摇匀；
(3)防静电涂层具体制备过程：取1.7×1.7cm2大小的玻璃作为基底，在洗净的玻璃片上旋涂基底材料，转速为4000rpm，45s后150℃下加热10min，得到基底层。在上述基底层上旋涂一层配置防静电涂层材料，转速为5500rpm，45s后150℃下加热10min；防静电涂层中间层为两层的，第一层转速为5500rpm，45s后150℃下加热3min；第二层转速为7000rpm，45s后150℃下加热15min；防静电涂层中间层为三层的，第一层转速为5500rpm，45s后150℃下加热3min；第二层转速为7000rpm，45s后150℃下加热3min；第三层转速为8000rpm，45s后150℃下加热15min；中间层层数根据导电要求适量增加，得到主体层。在上述主体层上继续旋涂覆盖层溶液，转速为3000rpm，45s后150℃加热10min，得到覆盖层；本实例方法制备的防静电涂层的方阻在10Ω-1011Ω之间可调。
实施例3
采用刮涂方式制备防静电涂层：
(1)配置基底材料和覆盖材料：先配置质量分数为0.5％的PEIE溶液，溶剂为2-甲氧基乙醇，加入醋酸锌使聚合物的质量和醋酸锌的质量为1:14，搅拌0.5h得到澄清溶液；
(2)配置防静电涂层材料：将Ag银纳米线溶液加入上述第一溶液中，使Ag纳米线的质量分数为20％，聚合物与Ag银纳米线的质量比为0.04:1，震荡摇匀；
(3)防静电涂层具体制备过程：将2.5×7.5cm2的载玻片作为基底，将干净的载玻片放置于基底温度为50℃的刮涂台，取20μL的基底材料，狭缝高度为150μm，刮涂速度设置为10mm/s，刮涂1次后150℃下加热10min，得到基底层；待刮涂台基底温度冷却至35℃，取20μL防静电涂层材料，狭缝高度为100μm，刮涂速度设置为10mm/s，正反交替刮涂2～14次，每次刮涂后150℃下加热3min，最后一次刮涂完毕后150℃下加热15min，得到主体层；最后再升高刮涂台基底温度为50℃，取20μL覆盖材料，狭缝高度为100μm，刮涂速度设置为10mm/s，刮涂1次后150℃下加热20min，得到覆盖层。本实例方法制备的防静电涂层的方阻在10Ω-1011Ω之间可调。
实施例4
(1)防静电涂层材料：高分子导电聚合物PEDOT:PSS Al 4083溶液，溶剂为水；
(2)覆盖材料：先配置质量分数为0.5％的PEIE溶液，溶剂为2-甲氧基乙醇，加入醋酸锌使聚合物的质量和醋酸锌的质量为1:14，搅拌0.5h得到澄清溶液；
(3)防静电涂层具体制备过程：取1.7×1.7cm2大小的玻璃作为基底，在洗净的玻璃片上旋涂防静电涂层材料，转速为3500rpm，45s后150℃下加热10min，得到主体层；在上述主体层上继续旋涂覆盖材料，转速为3000rpm，45s后150℃加热10min，得到覆盖层；本实例方法制备的防静电涂层的电导率为10-3S/cm，方阻为108Ω。
实施例5
(1)基底材料和覆盖材料：先配置质量分数为0.5％的PEIE溶液，溶剂为2-甲氧基乙醇，加入醋酸锌使聚合物的质量和醋酸锌的质量为1:14，搅拌0.5h得到澄清溶液；
(2)防静电涂层材料：金属氧化物纳米粒子溶液SnO2，溶剂为水；
(3)防静电涂层具体制备过程：取1.7×1.7cm2大小的玻璃作为基底，在洗净的玻璃片上旋涂基底材料，4000rpm，45s后150℃下加热10min，得到基底层；在上述基底层上旋涂防静电涂层材料，转速为3500rpm，45s后150℃下加热30min，得到主体层；在上述主体层上继续旋涂覆盖材料，转速为3000rpm，45s后150℃加热10min，得到覆盖层；本实例方法制备的防静电涂层的电导率为10-2S/cm，方阻为107Ω。
本申请人经研究发现，在配置防静电涂层材料时，以导电纳米材料作为主体导电材料，可以满足涂层的导电要求，且加入含氨基的聚合物和金属离子的螯合物，聚合物分子中的氨基与金属离子发生相互作用，得到具有导电性能的复合物，在进一步提升防静电涂层的导电性能的同时，还可以提升涂层的机械耐磨性。因此，在本申请中，通过配置包含聚合物分子和金属离子的螯合物以及导电纳米材料的静电涂层材料，利用该防静电涂层材料涂布于固体上，可以得到导电性能和机械耐磨性能较佳的防静电涂层，同时，可以通过调节防静电材料中的聚合物分子的质量分数，可以调节防静电涂层的机械耐磨性，使得该防静电涂层材料能应用于不同的场合。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种防静电涂层材料，其特征在于，包括：聚合物分子和金属离子的螯合物以及导电纳米材料，聚合物分子中含有氨基，其中，聚合物分子和金属离子的螯合物以及导电纳米材料形成混合溶液，或以包含聚合物分子和金属离子的螯合物形成第一溶液，以包含导电纳米材料的溶液作为第二溶液且第一溶液和第二溶液配合使用。
2.如权利要求1所述的防静电涂层材料，其特征在于，所述聚合物分子包括PEI、PEIE、PAM、PAAm和PFN中的一种或多种。
3.如权利要求1所述的防静电涂层材料，其特征在于，所述导电纳米材料包括金属纳米线、碳纳米管、石墨烯、高分子导电聚合物和金属氧化物中的一种或多种，其中，所述金属纳米线包括Au纳米线、Ag纳米线和Cu纳米线中的一种或多种，所述碳纳米管包括单壁、多壁碳纳米管中的一种或多种，所述石墨烯为单层、双层、少层和多层石墨烯的一种或多种，所述高分子导电聚合物包括聚乙炔、聚吡咯、聚联苯、聚噻吩、聚呋喃、聚(3,4-二氧乙基噻吩)、聚(3,4-二氧丙基噻吩)、聚苯并噻吩、聚苯胺、或其共聚物及衍生物中的一种或多种，所述金属氧化物包括SnO2、TiO2、ZnO、Al2O3和In2O3中的一种或多种。
4.一种防静电涂层材料的配置方法，其特征在于，所述防静电涂层材料为权利要求1至3任一项所述的防静电涂层材料，所述配置方法包括：
将含有氨基的聚合物溶液和金属有机盐混合，获得第一溶液，所述第一溶液含有聚合物分子和金属离子；
将导电纳米材料加入所述第一溶液，得到包含聚合物分子和金属离子的螯合物以及导电纳米材料的混合溶液，或，配置包含导电纳米材料的第二溶液。
5.如权利要求4所述的防静电涂层材料的配置方法，其特征在于，根据防静电涂层的耐磨性能要求调节所述防静电涂层材料中的聚合物分子的质量分数，防静电涂层的耐磨性能随所述聚合物分子的质量分数的提高而提升。
6.一种防静电涂层，其特征在于，包括形成于固体上的主体层，所述主体层包括含氨基的聚合物分子、金属离子和导电纳米材料。
7.如权利要求6所述的防静电涂层，其特征在于，还包括基底层和/或覆盖层，所述基底层包括含氨基的聚合物分子和金属离子，所述覆盖层包括含氨基的聚合物分子和金属离子。
8.一种防静电涂层，其特征在于，包括形成于固体上的主体层、基底层和/或覆盖层，其中，所述主体层包括导电纳米材料，所述基底层包括含氨基的聚合物分子和金属离子，所述覆盖层包括含氨基的聚合物分子和金属离子。
9.一种防静电涂层的形成方法，其特征在于，包括：
将权利要求1至3任一项所述的防静电涂层材料涂布于固体上，其中，
以混合溶液涂布于固体上形成防静电涂层的主体层；
或以第一溶液和第二溶液分别涂布于固体上，涂布第二溶液形成主体层，涂布第一溶液形成位于所述主体层底部的基底层和/或涂布第一溶液形成位于所述主体层顶部的覆盖层；
通过调节防静电涂层材料中的聚合物分子的质量分数，调节防静电涂层的耐磨性能。
10.如权利要求9所述的防静电涂层的形成方法，其特征在于，还包括：
在以混合溶液涂布于固体上形成防静电涂层的主体层之前，将第一溶液涂布于所述固体上形成基底层，所述主体层形成于所述基底层上；
和/或，
在混合溶液涂布于固体上形成防静电涂层的主体层之后，将第一溶液涂布于所述主体层上形成覆盖层。
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