紫外光固化法制备漆酚_石墨复合导电涂料的研究

      摘 要: 以漆酚为基体, 石墨为导电填料, 利用紫外光固化法制备漆酚/石墨复合导电涂料, 讨论了涂膜中石墨的含量以及固化方式等对漆膜导电性能的影响, 并测试了漆膜的常规物理机械性能。结果表明, 在紫外光辐照下, 漆酚/石墨混合物涂膜可快速固化。当石墨含量达到25% ( w t% )时, 漆膜的表面电阻率为442Ω . cm, 硬度为6H, 附着力2级, 冲击强度为45kg. cm。

导电涂料是涂覆于非导电底材上, 使其具有一定的传导电流和消散静电荷能力的涂料, 其成膜物质大多数是绝缘的。为了使涂料具有导电性, 常用的处理方法是掺入导电微粒[ 1] 。以银、铜、镍等为填料的金属系导电涂料, 具有导电性高、屏蔽效能好等优点, 但存在填充量大、沉积现象严重、抗氧化性差等缺点。与之相比, 炭系导电填料具有导电性好、性能稳定、来源广泛、价格低廉等优点, 为此研究人员对炭系导电涂料进行了大量的研究。目前, 炭系导电涂料以其优良的导电、导热、耐腐蚀等性能, 广泛地应用于化学、国防、电子和石油化工等行业[ 2 ] 。
生漆是我国特产, 其漆膜具有坚硬、耐热、耐腐蚀等特性, 几千年来一直作为优质涂料而得到广泛应用[ 3- 4] 。但以生漆或漆酚的聚合物为基体的功能性导电涂料, 迄今鲜有报道[ 5] 。为此, 本文以漆酚为基体, 以来源广泛、廉价的石墨为导电填料, 利用紫外光固化法制备复合导电涂料, 并对其导电性能和影响因素作了初步的研究, 以期为进一步开发漆酚特种涂料和开拓生漆的应用范围, 提供实验参考。

1 实验部分
1. 1  原料与试剂
生漆, 购自西安生漆涂料研究所; 漆酚, 采用酒精法从生漆中提取, 含量为95% ; 石墨, 南平化工厂生产; 无水乙醇为分析纯。

1. 2  试样的制备
将漆酚和石墨按一定的比例混合, 加入适量的无水乙醇, 进行超声分散后, 继续搅拌一定时间使其分散均匀。将混合物均匀地涂布在洁净的玻璃片和马口铁片上, 置于光强为103mW /cm2 的紫外光下辐照2m in, 辐照距离为10cm。所有实验均在空气中进行。

1. 3  仪器与测试方法
漆膜表面电阻率采用SZ82型数字式四探针测试仪测试, 每个样品平行测定三次并取其平均值。热稳定性采用美国- 瑞士M ettlerTGA /SDTA 851型热重分析仪测试, 测试条件为: 氮气气氛, 升温速率10度 /m in, 样品用量2. 2mg。红外光谱采用美国N ico let5700 FT – IR 红外光谱仪, 压片法测试。扫描电镜采用JSM – 7500 型冷场发射扫描电子显微镜(日本JEOL公司) , 在液氮条件下将试样脆断, 断面喷金后测试。漆膜的硬度、附着力和耐冲击等常规物理机械性能, 分别按GB /T 6739- 1996、GB 1720-79和GB /T 1732- 93等方法测试。

2 结果与讨论
2. 1  漆酚/石墨复合漆膜的紫外光固化
紫外光辐照前后的漆酚/石墨复合涂膜的红外光谱图如图1 所示。对比紫外光固化前( a) 和固化后( b)漆酚的红外光谱图可以看出, 曲线a在3200-3500cm- 1处的漆酚羟基强吸收峰??OH在曲线b中明显减弱; 在3012cm- 1处的漆酚侧链不饱和键- CH =CH – 吸收峰??= C- H, 在曲线b中消失; 在1620cm- 1和1592cm- 1两处的吸收峰, 在曲线b的1627cm- 1处出
现单峰。这无疑是漆酚经紫外光辐照后生成了漆酚聚合物的反映[ 6] 。当在漆酚中加入25% 和40% 的石墨导电填料后, 其红外光谱图分别如图( c) 和( d)所示。漆酚的苯环特征吸收峰由曲线b 中的1627cm- 1分别红移到曲线c中的1616cm- 1和曲线d中的1617cm- 1, 曲线c、曲线d 中的980cm- 1 和730cm- 1吸收峰, 与曲线b 相比也有部分减弱, 这可能是由于漆酚与石墨之间存在相互作用的结果。
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2. 2  漆酚/石墨复合漆膜的导电性能
导电粒子在基体中的分散情况是决定复合导电涂料导电性能的最关键因素。为了解石墨粒子在复合膜中的分散情况, 进行了扫描电镜观察。不同石墨含量的漆膜断面的扫描电镜图如图2所示。从中可以看出, 含15% 石墨的复合漆膜断面呈现出不连续的石墨层状或片状形貌。而含25% 石墨的复合漆膜断面中, 片状结构明显增多, 石墨与石墨之间能相互连接, 因而形成了导电网络。
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在导电填料填充的涂层中, 只有当导电粒子的填充量达到某一特定值时, 电流才能通过, 涂层才具有导电性, 此特定值称为渗流临界值。石墨含量对复合漆膜表面电阻率的影响如表1 所示。当石墨含量小于25% 时, 复合漆膜的表面电阻率较大, 电阻率在104 数量级以上。这是由于此时的石墨导电填料含量相对较少, 导电粒子大部分相互分离, 未能形成导电网络, 因而复合漆膜的导电性提高很少。而当石墨含量达到25% 时, 石墨导电粒子相互接触形成导电通道, 导电网络已经基本形成, 复合体系的导电性发生突变, 其表面电阻率为442??. cm。当石墨含量大于25% 时, 尽管导电粒子的接触更充分, 并逐渐向三维空间发展, 形成的导电网络更加完善, 但其表面电阻率的下降趋势变缓, 趋于平稳态。
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为了解固化方式对漆酚/石墨复合导电涂料导电性能的影响, 进行了紫外光固化法和热固化法的比较实验, 结果见表2。从表可以看出, 紫外光固化的漆膜表面电阻率比热固化的小得多。由于热固化方式所需时间(在120?? 下固化24h)比紫外光固化方式的长得多, 在固化过程中石墨沉降到漆膜底部,导致其表面电阻率明显比紫外光固化的大很多。因此, 选择紫外光固化方式对制备漆酚/石墨复合导电涂料是一种较理想的固化方式。
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2. 3  漆酚/石墨复合漆膜的耐热性能
为了解漆酚/石墨复合导电漆膜的耐热性能, 采用热重分析对其进行了表征。其结果如图3所示。受热330?? 时, 漆酚膜和含25% 石墨的漆酚/石墨复合漆膜均开始失重, 失重率都小于5%。二者出现最大失重率的温度都在450?? 左右。由此可见, 含石墨的复合漆膜和漆酚固化膜都具有很好的耐热性。
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2. 4  漆酚/石墨复合漆膜的常规物理机械性能
界面是复合材料产生协同效应的根本原因, 它对复合材料的性能尤其是力学性能起着重要的作用, 其形成主要取决于基体与增强材料相容性[ 7 ] 。漆酚/石墨复合漆膜的常规物理机械性能如表3所示。当加入一定量的石墨后, 复合漆膜的硬度有所增加。而对于附着力和耐冲击强度没有改变。

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3  结论
可利用紫外光固化法制备漆酚/石墨复合导电漆膜。紫外光固化法制备导电涂料, 固化时间短, 导电粒子沉降少。对于制备导电性良好的导电涂料,紫外光固化法比热固化法更优越。当石墨质量分数达到25% 时, 光固化复合漆膜的表面电阻率为442?? . cm, 硬度6H, 附着力2级, 冲击强度45kg. cm。

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