让你的油漆触电:导电涂料和神奇材料.

导电粒子 在涂料中的应用近年来有了巨大的飞跃. 革命性的材料 碳纳米管 (碳纳米管), 石墨烯 强度比钢高200倍,导电性比铜好. 这种独特的力量组合, 导电性和耐高温性有望赋予涂料独特的性能,挑战人们的想象. 本文将讨论和对比导电材料,重点是导电纳米材料及其在涂料应用中的潜在优势.


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其他更常用的导电颗粒包括导电炭黑, 石墨, 季铵盐, 铜, 铝, 银及银杂制品. 除了导电粒子, 有一些导电聚合物可以提供导电涂料,这可能在以后的文章中讨论. 涂层的表面电阻率几乎与相对湿度无关. 图1展示了石墨烯的结构, 石墨烯是一种二维结构,可以被认为是单壁碳纳米管的片状形式.

石墨烯的扫描探针图像显示碳原子的六边形二维排列-在勘探者知识中心了解更多关于导电涂层的信息.
图1 -石墨烯的扫描探针图像显示碳原子的二维六边形排列
电导率= S/cm或S/ m表面电阻率= Ω/(欧姆每平方)表面电阻= ΩVolume电阻率= Ω x cmVolume (bulk)电阻率=(电阻率x长度x宽度)/高度
体积电阻率是定义厚度的薄片电阻率的一种测量方法
表面电阻率是表征导电涂层最常用的方法. ASTM D257是测量表面电阻率最广泛使用的标准.
渗透理论:随着导电材料在涂层中的浓度增加, 电导率将达到一个点,电导率将突然增加,一旦达到临界浓度.

表1 -导电材料的常用术语

对于流过表面的电流, 表面电阻率 (欧姆/平方)可以定义为单位长度电压降的比值, 每单位宽度的表面电流.

防静电 指的是材料抑制摩擦电充电的特性. 抗静电涂层的表面电阻率至少为1 × 109,但小于1 × 1012.

静态耗散 涂料:

  • 1 × 10的表面电阻率5 欧姆/平方. or
  • 体积电阻率为1 × 10但小于1 × 1012 欧姆/平方. 表面电阻率或
  • 1 X 1011 ohm-cm体积电阻率.

导电 涂层的表面电阻率小于10欧姆/平方.,或体积电阻率小于104 ohm-cm.

总重量为2%的导电颗粒的漆膜ASTM D257表面电阻率欧姆/平方注意事项
季铵盐~ 1013水敏性向地表迁移
导电炭黑~ 1010(防静电)Color
石墨烯~ 107(静态耗散)ColorDispersibilty
碳纳米管(碳纳米管)< 103(导电)ColorDispersibility

表2 -带有导电添加剂的薄膜

石墨烯、单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的图像. 了解该技术如何应用于导电涂料配方.
图2 -石墨烯、SWNCNT、MWCNT的图像

要从石墨烯和碳纳米管中获得最佳导电性,对于水或溶剂应用来说,一个重要的方面是确保 分散 是最优和稳定的. 如果石墨烯和/或碳纳米管未有效分散, 这些粒子将不能充分分离而形成粒子束. 这些材料倾向于自我联结并形成集群, 哪些又不能提供足够的连接来支持电流的最佳传导.

为了克服这个问题,在许多情况下采用了非常规的分散方法. 声波降解法 这种方法能解开纳米粒子吗, 从而提供连接以支持当前(渗透).

众所周知,石墨烯和碳纳米管的团聚对其纳米组成的渗透阈值和电导率有重大影响. 导电材料之间的界面对导电也有深远的影响. 的 渗流阈值 该组合物中导电纳米材料浓度的阈值是由绝缘体突然转变为导体吗. 导电材料的纵横比(宽:高)对渗透阈值也有重要贡献(较低的纵横比有利于导电)。.

石墨烯之所以具有导电性,尤其是碳纳米管的导电性,是因为碳纳米管具有广泛的网状结构2 键和它们的PI键的堆积.

石墨烯可描述为单层厚度的石墨. 石墨也导电和可用的不同纯度,以及非晶或结晶形式.

石墨烯和碳纳米管等纳米粒子导电能力如此之强的另一个原因是它们非常小. 随着粒子尺寸的减小, 表面积与体积的比值急剧增加. 更大的表面积产生更大的粒子相互作用和更高的吸引力. 例如, 超过100纳米的表面积通常会削弱纳米颗粒增强性能的优势.

渗流阈值和颗粒结构对表面电阻率的影响. 在勘探者知识中心了解这如何影响导电涂料的配方.
图3 -渗流阈值和颗粒结构对表面电阻率的影响
纳米粒子和团聚-了解他们如何影响在勘探者知识中心的导电涂料的配方.
图4 -纳米颗粒和团聚

在涂料中正确使用导电纳米粒子可以获得多种有益的性能. 稳定分散的纳米粒子是优化这些材料的全部好处必不可少的. 其次, 使用纳米颗粒的配方必须经过定制以提供适当的接受度, 而不是作为一个drop-in来实现想要的属性.

材料电阻Ohm-M
石墨1 X 10-5
黄铜0.9 X 10-7
0.98 X 10-7
1.6 X 10-8
2.8 X 10-8
1.7 X 10-8
5.5 X 10-8

除了它们的电学特性, 石墨烯, 石墨和碳纳米管在高温下具有良好的稳定性. 此外, 由于其独特的分子结构, 当适当的分散, 它们还能提高机械性能. 据报道,CNTs在空气中的温度稳定性为750℃, 石墨烯和石墨超过600°C.

下一代导电材料在未来涂料中的应用将包括:

  • 防止电子放电的涂料
  • 通信设备
  • 消费电子产品
  • 计算机设备
  • 灵活的电气设备
  • 需要耐高温和提高机械性能的电子应用.

总之, 正确配方的涂料利用导电颗粒,特别是导电纳米颗粒,可以达到迄今为止无法通过其他方法获得的性能属性.

参考文献和进一步阅读: