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环氧导电防腐涂料
发布时间:2013-3-4  阅读次数:3083  字体大小: 【】 【】【

导电涂料应用广泛,尤其是在电子工业、建筑工业、航天航空、石油化工和军用工业等领域,具有重要的实用价值[1-5]。它具有设备简单、施工方便、成本低廉、可涂覆于各种复杂形状表面等优点[6]。但导电涂料通常被涂覆于不导电的基体(如塑料、陶瓷、钢化玻璃等)上,使其具有导电性,从而达到导电、防静电或电磁屏蔽的目的。而本文所制备的导电防腐涂料是用于导电金属基体的防护。以电解行业中的电解铜和电解锌为例,电解铜的电解槽内电解液含20%(质量分数)H2SO4,由于温度较高,硫酸介质及其产生的酸雾具有强烈的腐蚀性[7];电解锌的整个工艺流程都有较强的酸液及酸雾,会腐蚀生产设备及生产车间[8]。而电解工艺中广泛采用铜棒作为导电棒,在这种潮湿的酸性环境下,铜棒很容易被腐蚀,表面会生成一层铜绿,严重影响了铜的导电性,所以需对其进行定期的更换,造成了资源的损失。而本文制备的导电防腐涂料,既可保持金属基体良好的导电性,又可以减缓金属基体在酸性环境中的腐蚀,起到保护金属、减少损失和节约能源的作用。由于铜价格较贵,而铝价格低廉,且导电性也较好,故本文选用铝片作为基体材料。

目前,导电涂料按组成及导电机理[9]可分为两大类:结构型导电涂料和掺合型导电涂料[10]。掺合型导电涂料是目前的主流,其配方一般包括树脂、导电填料、溶剂及其他助剂[11]。许多报道[12-15]都有关于树脂的选择及不同导电填料的优缺点等详细介绍。环氧树脂是目前在导电涂料中应用广泛的树脂之一,它具有与金属、塑料、玻璃等的结合力好,耐化学品性好,耐盐雾,机械性能好等优点;银包玻璃微珠则具有很好的导电性,价格便宜,又可弥补银易迁移的缺点。本实验选用改性环氧树脂为黏结剂,银包玻璃微珠为导电填料,研究了树脂和导电填料等因素对涂料性能的影响,最终得到导电防腐涂料的最佳制备条件。

2·实验

2.1实验材料

自制改性E-44环氧树脂,正丁醇和二甲苯均为分析纯,增韧剂、银包铜粉、银包玻璃微珠均为昆明理工恒达科技有限公司生产,2.5cm×5cm的铝片。

2.2涂料的制备

通过前期初步的条件实验,确定涂料制备的基础

配方如下:

w(树脂)25%

w(导电涂料)75%

θ(烘烤)60°C

t(烘烤)2h

制备方法如下:(1)按7∶3的体积比,配制正丁醇和二甲苯混合溶剂;(2)将溶剂与树脂混合,搅拌均匀;(3)将导电填料加入(2)中,搅拌均匀,放置0.5h;(4)将配制好的涂料涂覆于已处理过的金属基体上,涂层厚度为1mm左右;(5)将试样放置于电热鼓风干燥箱中干燥,60°C烘烤2h,取出后检测性能。

2.3导电涂层的性能表征

以涂层外观、导电性能、结合力及耐腐蚀性等参数来表征导电防腐涂料的各项性能。

2.3.1涂层外观

通过肉眼观察制备出的导电涂层表面是否平整、光滑、致密。若涂层较粗糙,有孔隙,则酸雾很容易渗入而腐蚀基体,导致涂层的防腐性较差。所以涂层外观对防腐性有很大的影响。

2.3.2涂层电阻率的测量

表面电阻率的测量依据军用电磁屏蔽涂料通用规范要求进行。涂层的表面电阻率的测量采用棒状电极,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;待测样品表面保证清洁。测试设备为SD2002型数字欧姆表(上海乾峰电子仪器有限公司)。

2.3.3涂层结合力的检测

采用胶带粘贴法,用胶带纸粘贴涂层表面,看是否有粉体被粘落。

2.3.4抗腐蚀性实验

将涂有导电防腐涂料的铝片悬挂在电沉积铜或锌的工作槽中经酸雾腐蚀,以检测其耐腐蚀性。

3·结果与讨论

3.1树脂的选择

树脂是导电浆料的基体,其性能很大程度上决定了导电涂料的性能。本实验通过对改性环氧树脂,聚氨酯树脂HD-1、HD-2和BY-1010,羟基丙烯酸树脂及热塑性丙烯酸树脂等进行对比。结果如表1所示。


羟基丙烯酸树脂及热塑性丙烯酸树脂等进行对比

  

尽管环氧树脂的性能优良,有很好的耐水、耐化学品性(耐酸、耐碱)[16],但它本身形成的涂层较脆,且大部分环氧树脂的分子量较低,不具成膜性,需与其他树脂交联方可成膜。故需对环氧树脂进行改性,以改善其脆性,增加柔韧性。本文选用改性环氧树脂作为导电涂料的载体。从表1可见,由改性环氧树脂制得的涂层较均匀、平整,与基体结合力较好。

3.2溶剂的选择

作为导电涂层的溶剂,需要对树脂具有较好的溶解力,且不能降低导电材料的导电性,挥发速度快。环氧树脂通常所用的溶剂环己酮、正丁醇和二甲苯,分别以A、B、C表示。为了获得匹配性较好的溶剂,对各种溶剂进行了对比,结果如表2所示。


对各种溶剂进行对比

  

由表2可见,由以B+C混合液作为溶剂配制的导电涂料,其性能优良,且B和C的沸点较A低,挥发速度较快,涂层易干,烘干温度仅60°C,因此更能节约能源,且易于施工,所得涂层的电阻率也较低。故选择B+C混合液作溶剂。

3.3导电填料的选择

导电填料是涂层导电的关键,导电填料的选择及其相关的性能决定了涂层的导电性能。本文研究了导电填料的种类、含量、粒径等对涂层电阻率的影响。

3.3.1导电填料的选择

复合系导电填料目前主要有银包铜粉、银包玻璃微珠。以铝为基材,对银含量均为30%的两种导电填料进行研究,结果见表3。


对银含量均为30%的两种导电填料进行研究

  

由表3可见,由两种导电填料所得涂料的导电性均较好,但银包铜复合系导电填料价格较高,且当其含量为80%时,所得涂料的黏度较低,流动性较差,涂层粗糙、不均匀。腐蚀实验发现,由银包铜粉所制得的涂层不致密,酸雾很容易渗入,在电解工作槽中放置较短时间后即起泡、脱落;而银包玻璃微珠复合系所得的涂层的电阻率基本为≤1?·cm,且价格仅为银的1/3。当银包玻璃微珠含量为80%时,所得涂料的流动性好,涂层平整、致密,导电性好。故选择银包玻璃微珠做导电填料。

3.3.2银包玻璃微珠含量的影响

涂层导电是通过导电填料粒子间的相互接触形成的导电通路来实现的,涂层的电阻率与导电填料的填充量之间有直接关系[17]。改变银包玻璃微珠(其中银的质量分数为30%)的加入量,按实验方法配制导电涂料涂,并将其涂覆于铝基体上进行检测,试验结果示于表4。


按实验方法配制导电涂料涂,并将其涂覆于铝基体上进行检测

  

由表4可见,银包玻璃微珠含量在70%~90%的范围时,电阻率随其增大而减小,涂层的导电性较好。当导电填料含量<70%时,由于粒子之间相互接触的几率较小,导电网络不容易形成,从而使电阻率急剧增大;当导电填料的含量>90%时,虽然粒子相互接触的几率增大,但是由于树脂的含量相对较少,连接导电粒子的树脂黏结效果相应下降,反而使得粒子间相互接触的机会减少,导电网络也差,因而电阻率也增大,并且导电浆料的黏结性也较差;当填料含量达到临界值时,才会形成空间导电网络,这时涂层的导电率趋于最大值[18]。由表可4知,银包玻璃微珠含量在70%~90%时,涂层电阻率达到最佳值。为了保证涂层具有很好的导电性和结合力,确定银包玻璃微珠含量为80%;若为了保证涂层具有一定的防腐性能,银包玻璃微珠含量以70%为佳。实际应用中,应根据不同的需要确定其含量。

3.4烘干温度的影响

按以上配比制备导电涂料,将其涂于铝基体上,改变烘干温度,进行检测,试验结果如表5所示。


将其涂于铝基体上,改变烘干温度,进行检测

  

由表5可知,烘干温度过高,溶剂挥发加剧,涂层易出现针孔及开裂现象,造成导电性能下降;但烘干温度过低,则固化时间延长,导电性能也降低,出现基体树脂浮于导电膜表面的现象,从而造成表面导电性能的恶化。所以,较适宜的烘干温度为50~80°C,最佳温度为60°C。

4·结论

经实验确定导电涂料的最优配方为:环氧改性树脂质量分数为30%,银包玻璃微珠(其中银的质量分数为30%)为70%,溶剂为正丁醇和二甲苯的混合溶液,烘干温度为60°C,烘干时间2h。以此工艺所得到的导电防腐涂料,可实现低温干燥,操作方便,与金属基体的结合力较好,耐腐蚀性好,其电阻率与金属基体的差值小于100m?·cm,可以将其用于金属在导电环境下的防护,在保证其良好导电性的前提下,可减缓金属的腐蚀。

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