偶聯(lián)劑對(duì)炭黑導(dǎo)電涂料導(dǎo)電性能的影響

       1、實(shí)驗(yàn)部分

       1.1　實(shí)驗(yàn)設(shè)備高速攪拌機(jī):LJQ 4型；超聲波振蕩器:CX250型；數(shù)字多用表:BY1943型；電子天平:DT系列；電熱恒溫干燥箱:DH72.1型。

        1.2　實(shí)驗(yàn)材料特導(dǎo)電炭黑HGIP：平均粒徑33ｎｍ，比電阻值0.52Ω·ｃｍ，醇酸清漆，醇酸專用稀釋劑，鈦酸酯偶聯(lián)劑:NTC401、CT 136、JSC，硅烷偶聯(lián)劑:KH550、KH570。

        1.3　試樣制備：將按照GB172779規(guī)定的75×25ｍｍ玻璃板用丙酮洗凈，烘干后置于干燥皿中待用。偶聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%、4.5%、5%，炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為15%。將特導(dǎo)電炭黑用偶聯(lián)劑處理后，加入醇酸樹脂以及稀釋劑用高速攪拌機(jī)進(jìn)行分散，然后按GB172779的刷涂法，涂于玻璃板上，每個(gè)樣品做3塊平行試樣，之后室溫固化24ｈ，在60℃下固化，待漆膜完全干燥后進(jìn)行表面電阻測(cè)試。對(duì)KH550質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%的體系，采用四種方法進(jìn)行試驗(yàn):①直接加入法，按上述步驟將偶聯(lián)劑、炭黑直接加入樹脂中制成樣品;②預(yù)處理法，將偶聯(lián)劑用專用稀釋劑進(jìn)行稀釋后，加入炭黑，在磁力振蕩機(jī)中振蕩60min，過(guò)濾，自然干燥后按上述步驟制成樣品;③后處理法，將偶聯(lián)劑和醇酸樹脂混合均勻后，放置于磁力振蕩機(jī)中振蕩60min后加入炭黑，按上述方法制成樣品；④綜合處理法，將所用的偶聯(lián)劑分成兩份，分別按②、③的方法對(duì)炭黑和醇酸樹脂進(jìn)行處理后按上述方法制成樣品。

        1.4　性能測(cè)試采用數(shù)字多用表測(cè)定試樣的電阻值R，SEM觀察涂層表面狀態(tài)

        2、結(jié)果與討論

        2.1　偶聯(lián)劑對(duì)導(dǎo)電性的影響偶聯(lián)劑通過(guò)化學(xué)反應(yīng)和無(wú)機(jī)填料表面進(jìn)行偶聯(lián)結(jié)合，從而可提高填料在基料中的分散性和濕潤(rùn)性。需要根據(jù)不同的基料填料體系，以及要實(shí)現(xiàn)的功能來(lái)選擇合適的偶聯(lián)劑及其處理方法。本實(shí)驗(yàn)研究的炭黑醇酸導(dǎo)電涂料在不加任何偶聯(lián)劑的情況下，其電阻為105Ω。按照直接加入的工藝，研究五種偶聯(lián)劑對(duì)導(dǎo)電性的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1、圖2所示。圖1為三種鈦酸酯偶聯(lián)劑NTC401、CT136、JSC對(duì)體系導(dǎo)電性的影響。如圖1所示，加入NTC 401、CT136、JSC后，涂層的電阻沒有改善，相反隨著偶聯(lián)劑用量增加，電阻值還從104Ω升高至279Ω。說(shuō)明NTC 401、CT136、JSC對(duì)炭黑-醇酸的偶聯(lián)厚度可能較大，阻礙炭黑顆粒的相互接觸，因而導(dǎo)電性降低。因此，NTC 401、CT136、JSC并不適合該體系。硅烷偶聯(lián)劑KH 550和KH570對(duì)體系導(dǎo)電性的影響見圖2所示，在偶聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～2.5%的范圍內(nèi)，均能適當(dāng)降低涂層的電阻。對(duì)于KH550，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2 5%時(shí)涂層電阻達(dá)到最低值43Ω；而KH570質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%時(shí)，電阻為54Ω。因此較合適的偶聯(lián)劑是KH 550，最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%。在沒有加入偶聯(lián)劑的情況下，33nm的特導(dǎo)電炭黑很難與樹脂緊密結(jié)合，成膜性不好，如圖3所示為涂層的成膜情況，其中圖3(ａ)則是無(wú)偶聯(lián)劑體系的SEM電鏡照片。由圖可見，炭黑微粒分散不均勻，尤其炭黑與樹脂未見良好的界面過(guò)渡層；當(dāng)復(fù)合體系加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%的KH550時(shí)，見圖3(ｂ)，此時(shí)炭黑微粒的分散性很好，偶聯(lián)劑明顯改善了炭黑與醇酸樹脂的相容性和化學(xué)反應(yīng)性，賦予炭黑與基體良好的界面粘接性，而且偶聯(lián)厚度合適，此時(shí)涂層的電阻最低。

       2.2　不同處理方法對(duì)導(dǎo)電性的影響根據(jù)偶聯(lián)劑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、耐水性、實(shí)際使用的對(duì)象和場(chǎng)合，采用有效的使用方法，才能充分實(shí)現(xiàn)偶聯(lián)劑的效果。偶聯(lián)劑的一般使用方法有兩種：預(yù)處理法和直接加入法。實(shí)驗(yàn)中還在此基礎(chǔ)上考慮了后處理法和綜合處理法，在偶聯(lián)劑對(duì)樹脂和填料的作用機(jī)理上進(jìn)行了考察。對(duì)于KH 550采用不同方法進(jìn)行處理所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1所示。表1結(jié)果表明，預(yù)處理法得到的涂層電阻最高，后處理法次之，直接加入法得到的涂層電阻較低，而綜合處理法最低。根據(jù)復(fù)合型導(dǎo)電涂料的導(dǎo)電機(jī)理，只有在導(dǎo)電粒子表面形成厚度適中的保護(hù)膜時(shí)，偶聯(lián)劑才能起到分散、保護(hù)作用，同時(shí)又能提高導(dǎo)電性[3，4]。當(dāng)偶聯(lián)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定時(shí)，預(yù)處理法由于能夠避開溶劑和醇酸樹脂的影響，因而包覆效果最好，但影響了涂層的導(dǎo)電性；綜合處理法的效果最好，在這種情況下，偶聯(lián)劑中極性段與炭黑表面產(chǎn)生吸附作用，包括化學(xué)吸附和物理吸附，使得偶聯(lián)劑包覆在炭黑顆粒表面，形成一定厚度的阻礙層，降低了炭黑粒子間的吸引力及凝聚力[5]；同時(shí)用偶聯(lián)劑的柔性段對(duì)基質(zhì)形成了很好的相容性，將兩者混合分散后，獲得了較好的分散穩(wěn)定性。后處理法中，偶聯(lián)劑與醇酸樹脂-溶劑體系混合較長(zhǎng)時(shí)間后(60min)，偶聯(lián)劑可能已經(jīng)失去了偶聯(lián)功能，是不合常規(guī)的處理方法，似乎是沒有意義的，但結(jié)果表明，后處理法依然能降低體系電阻，說(shuō)明偶聯(lián)劑在導(dǎo)電涂料中的作用并非僅僅是偶聯(lián)、分散。對(duì)于比較復(fù)雜的復(fù)合導(dǎo)電涂料體系，如何選擇或者設(shè)計(jì)合成高效的偶聯(lián)劑，依賴于對(duì)偶聯(lián)劑作用機(jī)理的深刻認(rèn)識(shí)。上述研究表明，偶聯(lián)劑的作用可能不止于偶聯(lián)、分散，其它作用尚須進(jìn)一步深入研究。由此可見，加入合適的偶聯(lián)劑能夠提高導(dǎo)電性。

       3、結(jié)論：(1)對(duì)于不同的復(fù)合導(dǎo)電涂料體系，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)選擇合適的偶聯(lián)劑及最佳用量。(2)炭黑-醇酸導(dǎo)電涂料中，硅烷偶聯(lián)劑KH550質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%，分別用偶聯(lián)劑對(duì)炭黑和醇酸進(jìn)行處理后再加入，所得的體系具有較好成膜性的同時(shí)，體系的導(dǎo)電性最好。