工艺参数对ATO复合涂料抗静电性能的影响
摘要：研究了主要工艺参数对ATO抗静电涂料导电性能的影响，用渗滤模型分析了导电填料含量对涂层导电性能的影响；填料表面处理实验表明，偶联剂能提高ATO的最大填充量。另外，讨论了基体树脂种类、固化工艺对涂层导电性能的影响，并确定了优化的工艺参数。
关键词：抗静电涂料；ATO；偶联剂；表面处理；导电性能
0引言
高分子材料因其在生产、加工及使用等方面的优越性能，在现代电子产品及设备中得到广泛应用，但大多数高分子材料容易产生静电荷的积累，导致静电吸尘、电击电震、甚至火灾、爆炸等不良后果[1]。解决该问题的有效方法之一是使用导电涂料，赋予材料表面导电性。目前，导电涂料中导电填料的主要品种有金属粉末、碳系粉末和金属氧化物粉末等。其中，金属填料导电性好，但价格昂贵(如金粉、银粉、镍粉等)或易被氧化(如铜粉)，不适于大规模使用；以碳系为主的导电涂料其导电性、耐腐蚀性好，但因颜色深，限制了其应用范围[2]。因此，综合性能优良、装饰性好的浅色导电涂料近年发展迅速。
掺锑二氧化锡(AntimonyDopedTinOxide，简称ATO)，是一种N型半导体材料，与传统的抗静电材料相比，ATO导电粉体具有优良的导电性、浅色透明性，良好的耐候性和稳定性以及低的红外发射率等[3]，是一种极具发展潜力的新型多功能导电材料。本文以ATO为导电填料制备了一种抗静电涂料，用渗滤模型分析了导电填料的含量对涂层导电性能的影响。另外，讨论了基体树脂种类、偶联剂含量、固化工艺以及溶剂对涂层导电性能的影响。
关键词：抗静电涂料；ATO；偶联剂；表面处理；导电性能
0引言
高分子材料因其在生产、加工及使用等方面的优越性能，在现代电子产品及设备中得到广泛应用，但大多数高分子材料容易产生静电荷的积累，导致静电吸尘、电击电震、甚至火灾、爆炸等不良后果[1]。解决该问题的有效方法之一是使用导电涂料，赋予材料表面导电性。目前，导电涂料中导电填料的主要品种有金属粉末、碳系粉末和金属氧化物粉末等。其中，金属填料导电性好，但价格昂贵(如金粉、银粉、镍粉等)或易被氧化(如铜粉)，不适于大规模使用；以碳系为主的导电涂料其导电性、耐腐蚀性好，但因颜色深，限制了其应用范围[2]。因此，综合性能优良、装饰性好的浅色导电涂料近年发展迅速。
掺锑二氧化锡(AntimonyDopedTinOxide，简称ATO)，是一种N型半导体材料，与传统的抗静电材料相比，ATO导电粉体具有优良的导电性、浅色透明性，良好的耐候性和稳定性以及低的红外发射率等[3]，是一种极具发展潜力的新型多功能导电材料。本文以ATO为导电填料制备了一种抗静电涂料，用渗滤模型分析了导电填料的含量对涂层导电性能的影响。另外，讨论了基体树脂种类、偶联剂含量、固化工艺以及溶剂对涂层导电性能的影响。
发表时间：2008-7-1 15:07:55
1实验部分
1。1主要原材料
导电粉：掺锑二氧化锡HN-500，粒径≤100nm，比表面积70～80m2/g，江苏河海纳米科技股份有限公司；醇酸树脂(固含量49。5%)：石家庄金鱼硝基涂料有限公司；环氧树脂(环氧值0。41～0。47)：湖南岳阳石油化工总厂；偶联剂：江苏常州市新区利进化工有限公司。
1。2导电填料的表面改性
先将偶联剂用一定量的溶剂溶解后，加入导电粉，在室温下搅拌均匀，然后在90℃左右继续搅拌混合0。5h，烘干，研磨。
1。3导电涂料的制备
将已处理的ATO粉、树脂、溶剂按照一定的比例混合，用QZM-1型锥形磨进行分散，制得导电浆料；然后按照GB/T1727—1992刷涂法将其均匀涂刷在经水、丙酮洗净的玻璃板上固化成膜，每个样品做3块平行试样。
1。4涂层导电性能测试
用BY型1943数字多用表测定涂层表面电阻。
表面电阻率的测量与计算依据GJB2604—1996要求的方法采用棒状电极，进行涂层表面电阻率的测量，测量电极的端面为1cm×1cm方块；为使电极截面与被测样品有良好的接触，测量端面施加2kg/cm2的压力；待测样品及电极截面保证清洁。
1。1主要原材料
导电粉：掺锑二氧化锡HN-500，粒径≤100nm，比表面积70～80m2/g，江苏河海纳米科技股份有限公司；醇酸树脂(固含量49。5%)：石家庄金鱼硝基涂料有限公司；环氧树脂(环氧值0。41～0。47)：湖南岳阳石油化工总厂；偶联剂：江苏常州市新区利进化工有限公司。
1。2导电填料的表面改性
先将偶联剂用一定量的溶剂溶解后，加入导电粉，在室温下搅拌均匀，然后在90℃左右继续搅拌混合0。5h，烘干，研磨。
1。3导电涂料的制备
将已处理的ATO粉、树脂、溶剂按照一定的比例混合，用QZM-1型锥形磨进行分散，制得导电浆料；然后按照GB/T1727—1992刷涂法将其均匀涂刷在经水、丙酮洗净的玻璃板上固化成膜，每个样品做3块平行试样。
1。4涂层导电性能测试
用BY型1943数字多用表测定涂层表面电阻。
表面电阻率的测量与计算依据GJB2604—1996要求的方法采用棒状电极，进行涂层表面电阻率的测量，测量电极的端面为1cm×1cm方块；为使电极截面与被测样品有良好的接触，测量端面施加2kg/cm2的压力；待测样品及电极截面保证清洁。
2008-7-1 15:08:18
2结果与讨论
2。1ATO含量对涂料导电性能的影响
导电涂料的导电通路是通过添加导电填料形成的，因此ATO含量对涂层的导电性能有直接的影响。
涂层表面电阻率与ATO含量的关系见图1。
图1ATO含量与涂层表面电阻率的关系
2。1ATO含量对涂料导电性能的影响
导电涂料的导电通路是通过添加导电填料形成的，因此ATO含量对涂层的导电性能有直接的影响。
涂层表面电阻率与ATO含量的关系见图1。
图1ATO含量与涂层表面电阻率的关系
图片：1tl07043_clip_image002.gif 上传时间：2008-7-1 15:10:48
图1ATO含量与涂层表面电阻率的关系
2008-7-1 15:10:48
由图1可见，随着ATO含量的增加，涂层表面电阻率呈逐渐下降的趋势。当ATO含量小于30%时，涂层表面电阻率>109Ω•cm，此时，粒子主要分布在二维平面上，而且粒子大多被树脂基体包围，粒子之间接触或接近以形成导电通道的机会很少，仅有少部分粒子联结成有限大小的集团；当ATO含量在40%～60%之间时，涂层的电阻率急剧下降，达几个数量级。这是因为，此时这些小集团之间的距离已很小，任何一个新的点集的加入都可能将这些有限集团联接成贯穿整个涂层的导电通道，并且导电网络也从二维向三维过渡，表现为只增加少量的填料含量，涂层的电阻率就大幅度降低[4]。当填料含量为65%时，体系的表面电阻率达到最小；超过临界点后，三维导电网络形成，进一步增大ATO含量，对涂层电阻的改善并没有贡献，相反会影响涂层的色泽、力学性能甚至出现小裂纹，破坏了导电网络的连续性，导致涂层表面电阻率不降反升。
许多研究表明，复合体系中导电填料的含量增加到“渗滤阈值”时，体系电阻急剧降低，此突变区域很窄，在突变区域之后，体系电阻随导电填料含量的增加又回复平缓，不同体系有不同的“渗滤阈值”[5]。由以上分析可知，对于本体系，纳米ATO含量在65%时达到阈值极限，而40%～60%为渗滤区。
许多研究表明，复合体系中导电填料的含量增加到“渗滤阈值”时，体系电阻急剧降低，此突变区域很窄，在突变区域之后，体系电阻随导电填料含量的增加又回复平缓，不同体系有不同的“渗滤阈值”[5]。由以上分析可知，对于本体系，纳米ATO含量在65%时达到阈值极限，而40%～60%为渗滤区。
2008-7-1 15:11:16
2。2偶联剂对涂层性能的影响
按粉体预处理工艺，试验不同的偶联剂含量对涂层导电性能的影响，实验结果见图3。
图3偶联剂含量与涂层表面电阻率的关系
按粉体预处理工艺，试验不同的偶联剂含量对涂层导电性能的影响，实验结果见图3。
图3偶联剂含量与涂层表面电阻率的关系
图片：2tl07043_clip_image004.jpg 上传时间：2008-7-1 15:12:14
图3偶联剂含量与涂层表面电阻率的关系
2008-7-1 15:12:13
从图3可知，偶联剂含量在1%与5%时，涂层的电阻率较低；偶联剂含量在其他范围内，涂层的电阻率都较高。通过大量实验表明，偶联剂含量在5%左右时，涂层的导电性能及各项力学性能都较为稳定。因此，本体系中偶联剂用量为5%较为合适。图4为无偶联剂和含5%偶联剂时涂层的表面电阻率与填料含量的关系曲线。
图4偶联剂对涂层的影响
从图4可以看出，不含偶联剂的涂层，当导电填料含量达到65%时，表面电阻率达到103Ω•cm，而含5%偶联剂的涂层，当ATO含量达到60%时，涂层的表面电阻率就达到103Ω•cm-1，这说明添加偶联剂能提高填料在树脂基体中的分散性，降低导电填料的添加量。另一方面，实验中还发现，使用偶联剂预处理粉体填料，当添加量达到75%时，涂层才开始出现细小裂纹，而未使用偶联剂的涂层，当添加量达到70%时，就已开裂不能成膜。这表明偶联剂可以提高填料的最大填充量。
图4偶联剂对涂层的影响
从图4可以看出，不含偶联剂的涂层，当导电填料含量达到65%时，表面电阻率达到103Ω•cm，而含5%偶联剂的涂层，当ATO含量达到60%时，涂层的表面电阻率就达到103Ω•cm-1，这说明添加偶联剂能提高填料在树脂基体中的分散性，降低导电填料的添加量。另一方面，实验中还发现，使用偶联剂预处理粉体填料，当添加量达到75%时，涂层才开始出现细小裂纹，而未使用偶联剂的涂层，当添加量达到70%时，就已开裂不能成膜。这表明偶联剂可以提高填料的最大填充量。
图片：3tl07043_clip_image006.gif 上传时间：2008-7-1 15:13:19
图4偶联剂对涂层的影响
2008-7-1 15:13:19
2。3基体树脂对涂料导电性能的影响
基体树脂是导电填料的载体，它不仅决定了涂层的理化和机械性能，而且影响涂层的抗静电性能。以干性中油度醇酸树脂和低相对分子质量的双酚A型环氧树脂E-44为基料树脂的实验结果如表1。
表1基体树脂对涂层表面电阻的影响
由表1可见，以醇酸树脂为基料树脂的涂层导电性能好于以环氧树脂为基料的涂层，出现该结果可能的原因是ATO在环氧树脂中分散性较差，且环氧树脂固化时体积收缩率低(仅2%左右)，进一步影响了导电通路的形成[6-7]，具体原因有待进一步研究。另外，由于环氧树脂需加入固化剂才能固化成膜，加上其结构复杂，可选用的固化剂也较多，使得成膜后的性能各异。本实验中，笔者选择的是一种改性胺类固化剂。
基体树脂是导电填料的载体，它不仅决定了涂层的理化和机械性能，而且影响涂层的抗静电性能。以干性中油度醇酸树脂和低相对分子质量的双酚A型环氧树脂E-44为基料树脂的实验结果如表1。
表1基体树脂对涂层表面电阻的影响
由表1可见，以醇酸树脂为基料树脂的涂层导电性能好于以环氧树脂为基料的涂层，出现该结果可能的原因是ATO在环氧树脂中分散性较差，且环氧树脂固化时体积收缩率低(仅2%左右)，进一步影响了导电通路的形成[6-7]，具体原因有待进一步研究。另外，由于环氧树脂需加入固化剂才能固化成膜，加上其结构复杂，可选用的固化剂也较多，使得成膜后的性能各异。本实验中，笔者选择的是一种改性胺类固化剂。
图片：4tl07043_clip_image008.gif 上传时间：2008-7-1 15:14:16
表1基体树脂对涂层表面电阻的影响
2008-7-1 15:14:15
2。4固化工艺对涂料导电性能的影响
将经偶联剂预处理的ATO粉体以65%用量和醇酸树脂混合制成涂料。在不同的固化工艺条件下干燥，测量其表面电阻率。固化工艺(温度和时间)对导电涂料的导电性能影响很大，固化温度过高，固化时间缩短，但溶剂急剧挥发，涂层易出现针孔，影响导电性，同时还会带来基材变形软化等问题。固化温度过低，固化时间延长，涂层中填料粒子沉降，容易产生树脂浮于涂层表面的现象，从而使涂层表面电阻率增加[8]。考虑醇酸树脂本身的特点，通过实验确定固化温度为50℃。图5是50℃条件下固化时间对涂层电阻率的影响。
图5，50℃时固化时间对涂层表面电阻率的影响
从图5可以看出，固化时间<24h时，固化不充分，这样就延长了室温固化时间，从而造成涂层中的填料粒子沉降，导致表面电阻率偏高；当固化时间>48h时，高温固化时间过长，溶剂挥发过快，导致表面电阻率回升，因此最佳的固化时间为48h左右。由上面分析得出最佳固化工艺为50℃，48h，室温可完全固化。
3结语
本文研究的ATO复合导电涂料体系，选择醇酸树脂为基体树脂，导电填料ATO的添加量在60%～65%，以5%的偶联剂预处理粉体填料，涂层在50℃固化48h后室温完全固化，涂料的导电性能较好，表面电阻率为103Ω•cm。
将经偶联剂预处理的ATO粉体以65%用量和醇酸树脂混合制成涂料。在不同的固化工艺条件下干燥，测量其表面电阻率。固化工艺(温度和时间)对导电涂料的导电性能影响很大，固化温度过高，固化时间缩短，但溶剂急剧挥发，涂层易出现针孔，影响导电性，同时还会带来基材变形软化等问题。固化温度过低，固化时间延长，涂层中填料粒子沉降，容易产生树脂浮于涂层表面的现象，从而使涂层表面电阻率增加[8]。考虑醇酸树脂本身的特点，通过实验确定固化温度为50℃。图5是50℃条件下固化时间对涂层电阻率的影响。
图5，50℃时固化时间对涂层表面电阻率的影响
从图5可以看出，固化时间<24h时，固化不充分，这样就延长了室温固化时间，从而造成涂层中的填料粒子沉降，导致表面电阻率偏高；当固化时间>48h时，高温固化时间过长，溶剂挥发过快，导致表面电阻率回升，因此最佳的固化时间为48h左右。由上面分析得出最佳固化工艺为50℃，48h，室温可完全固化。
3结语
本文研究的ATO复合导电涂料体系，选择醇酸树脂为基体树脂，导电填料ATO的添加量在60%～65%，以5%的偶联剂预处理粉体填料，涂层在50℃固化48h后室温完全固化，涂料的导电性能较好，表面电阻率为103Ω•cm。
图片：5tl07043_clip_image002_0000.gif 上传时间：2008-7-1 15:16:47
图5，50℃时固化时间对涂层表面电阻率
2008-7-1 15:16:46