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抗静电涂料的抗静电机理探讨

文档作者：李留东董存峰杨茂伟狄志刚付敏文档来源： 1．中航工业济南特种结构研究所 2．中海油常州涂料化工研究院，		点击数：	更新时间： 2021年09月26日
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Coatings Technology
抗静电涂料韵抗静电机理探讨 ¨l
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李留东 ，董存峰 ，杨茂伟 ， 狄志刚 ，付敏
(1．中航工业济南特种结构研究所，山东济南25002 3；2．中海油常州涂料化工研究院，
江苏常州21 3016)
摘要：简述了抗静电涂料的现状，对抗静电涂料
的导电机理进行了探讨，介绍了纳米管和导电纤维
等具有长径比值较大的导电填料的应用优点。
关键词：抗静电；涂料，机理；导电纤维
0引言
抗静电涂料是具有导电和排除积累静电荷能力的功
能性涂料。抗静电涂料伴随现代科学技术而发展，至今约
有半个多世纪的发展历史。早在1 948年，美国公布了将
银和环氧树脂制成导电胶的专利，这是最早公开的导电涂
料。20世纪50年代日本开始生产以银系和碳系为主的防
静电涂料。20世纪60年代美、英、日等国相继研制出抗
静电涂料。20世纪80年代国外防静电技术和电热涂料技
术获得迅速发展，我国也在20世纪50年代开始研究和应
用抗静电涂料。
通常，高分子材料大多是电绝缘I、生材料，其表面电阻
率p 和体积电阻率 很大 ( 、为l0 ～1 0”n ·171， 为
10 ～10 ’n ·m)。体积电阻率小于l0 n ·m的为高分子
导电材料， 于导电和电磁屏敲；体积电阻率为l0 一一1 0
n ·m为半导体材料，主要用于发热电阻件和电极 体积
电阻率电为l0 ～1 0 n ·m的材料主要用于抗静电材料 。
当材料体积电阻率小于l 0。n ·IT}，或表面电阻率／J、
于1 0 n ·m时，即使产生静电荷也会很快向周围环境泄
放。抗静电涂层作为功能性涂层，其表面电阻率通常在
1 0。～10 n ·m，可以利用静电的泄放效应，将积聚在物体
表面的静电荷及时泄放，避免静电积累所引起的各种问
题，因此广泛应用于电子、电器、航空、化工、印刷等多
种工业领域。
1国内外抗静电涂层材料研究状况
抗静电涂料分为添加型和本征型两类，本征型抗静电
涂料技术尚不成熟，因此目前大量使用的抗静电涂 一般
为添加型涂料。添加型抗静电涂料是在不导电的基料树脂
中添加一定的导电填料实现导静电的功能，只有导电填料
的体积分数达到一定的程度才能形成导电网络或通路，体
现出导电的性质。常用的导电填料有：碳系材料(炭黑、石
墨等)、金属粉末(银粉、铜粉、镍粉等)、半导体金属氧化
物(氧化锡、氧化铁、氧化锌)、导电纳米粒子和防静电助
剂等。其中金属粉末密度大，形成导电通路需要较大的体
积分数，表层易氧化，会降低甚至失去导电性，而且耐腐
蚀性差，从而影响涂层的其他性能，因此金属粉末作为导
电填料的应用受到一定限制：抗静电剂耐温性、耐水性、
耐油性、耐腐蚀性、耐久性差，抗静电性能不稳定；早期
抗静电涂料一般采用碳系材料作为导电填料，黑色导电石
墨和炭黑分散性差，制品颜色黑，不容易调制为较浅的其
他颜色；随着科技的发展，逐渐出现了半导体金属氧化物
和纳米导电粉等新型导电填料，并在抗静电涂料中得以应
用，这类材料颜色浅，易于调色，丰富了抗静电涂料的颜
色体系，但这类材料单独使用时添加量大，分散稳定性较
差，会影响涂料和及其涂层的，I'G~A，冈l比一般与碳系材料
配合使用。近年来出现了使用导电纤维作为导电填料的抗
静电涂料，由于导电纤维直径小，长径比大，仅需很少量
的导电纤维就能在涂层中形成导电的网络，可减小对涂层
其他性能的影响。
1．1国内抗静电涂料研究现状
我国对抗静电涂料的研究在2O世纪50年代兴起，天
津油漆厂、上海合成树脂研究所和武汉化工研究所研制出
较低电阻率的抗静电涂料。中海油常州涂料化工研究院在
2O世纪9O年代初研制出抗静电耐雨蚀涂层体系，该抗静
0
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炭黑，其颜色为黑色；在本世纪初，该院又采用新型复合 I 3
导电材料为导电介质，研制出全新一代浅色抗静电涂料。 l ! — 一
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为导电填料在该基体内的临界浓度)后，体系内的导电填料 一 一。。。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ～ ⋯ ⋯
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(c)场致发射效应理论 随着导电纤维长径比的增加，形成连续网络所需的纤
场致发射效应理论认为，当复合体系中导电填料含量 维浓度显著地下降。碳纤维的长径比越大，搭接形成网络
较低、导电粒子、司距较大、导电粒子之、司的内部电场很强 所需的碳纤维体积含量越小，根据图3，导电填料长径比
时，电子将有很大的几率飞跃树脂界面势垒而跃迁到相邻 与导电填料的临界浓度(体积分数)见表1。
的导电粒子上，产生场致发射电流，形成导电网络。
在导电填料含量较高的情况下，复合体系中导电粒子 表1导电填料长径比与导电填料的临界浓度
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图2高分子导电
图中2。为导电粒子
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3 导电填料的应用
关于导电复合材料的
专 ]的研究和论述。 1]ev
长 陉比对最大填充分教的
数 司存在指数关系，填料
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～ ～ ＼ 们的高度重视，也将对纳米技术的未来产生重大景乡响。
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＼l＼ 4结语
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} 经过半个多世纪的发展，科学家们对抗静电涂料导电
卜 ＼ 机理的研究和认识逐渐深入，在最初的导电通道理论基础
。 }Ⅲ ＼、 上又 I／X7隧道效应理论和场致发射效应理论，可以更合
E 理地解释不同导电填料浓度下涂层导电t生能的变化。
}I ! 现代工业的发展对抗静电涂料的性能要求和需求量
。
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都将进一步提高。近年来，随着导电纤维、碳纳米管等新
图3填料长径比与最大填充分数的关系 型导电填料的不断出现和产业化的实现，代替碳系和贵金
(下转第44页)
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的附着力要高于此)，而改性聚硅氧烷面漆随有机改性组分
用量增大，无机组分相应减少，其对无机硅酸锌底漆的粘
结附着力减弱，故实测附着力下降。三涂层配套体系中，
在附着力和单边扩蚀方面的差异不太明显，无规律可循。
究其原因，可能是三涂层配套试板测试的拉开法附着力主
要体现的是无机富锌底漆对底材的附着力，面漆对其的影
响较小。
图5、图6分别为3种面漆两涂层和三涂层配套试板
循环腐蚀4 200 h后的附着力扩蚀照。
图5 3种面漆两涂层配套试板
图6 3种面漆三涂层配套试板
3种面漆两种配套涂层存经过4 200 h循环腐蚀试验
后的附着力和扩蚀状况有差异但趋势一致，两涂层配套体
系在附着力和划线处单边扩蚀上的优势是显而易见的。
3种改性聚硅氧烷面漆因基料中有机改性组分含量差
异，漆膜的物理机械性能(如附着力、柔韧性等)及人工气
候加速老化性能等都有所差异。总体来说，当面漆中有机
改性组分用量增大时，漆膜的物理机械性能(如柔韧性等)
和涂装施工性能等会有所改善，但漆膜耐老化性能等会明
显下降，本文暂不详细讨论。
4结语
在本项研究中改性聚硅氧烷涂料两涂层配套体系优
于经典的三徐层配套体系。采用两涂层配套的徐层体系(无
机富锌底漆(面漆封闭 丙烯酸改性聚硅氧烷面漆)能顺利
通过4 200 h循环腐蚀老化试验，试板非划线处均未出现
开裂、起泡、生锈、失光、粉化等异常，漆膜外观保持得
很好，划线处单边扩蚀小于3 mm，试验后附着力远大于5
MPa，附着力衰减很小。
改性聚硅氧烷涂料两涂层配套体系可达到常规三涂
层防腐效果，对简化涂装工序、大大节约涂装成本来讲，
其意义深远，有必要继续研究与关注。目前海洋大气用高
耐候改性聚硅氧烷涂料受关注度远不及氟碳涂料，在涂装
应用上还有待提高完善，但随着我国环境保护的日益重视
和海洋开发的大力发展，改性聚硅氧烷面漆因其超高的施
工固体分、超低的VOC排放、优异的防腐性能等，必将有
美好的应用前景。
参考文献
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(上接第4O页)
属粉末等传统导电填料将是必然趋势，将在电子工业、建
筑工业、航空和军用工业等领域发挥更重要的作用。
参考文献
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