给你的油漆一个震撼:导电涂料和神奇材料.

导电粒子 近年来,在涂料中的应用有了巨大的飞跃. 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使涂料具有挑战想象力的特殊性能. 本文将对导电材料进行讨论和对比,重点介绍导电纳米材料及其在涂层应用中的潜在优势.


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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, 银及其组合物. 除导电颗粒外, 有许多导电聚合物可以提供导电涂料,可能会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,可以看作是单层碳纳米管.

石墨烯的扫描探针图像显示碳原子的六角形二维排列-在勘探者知识中心了解更多关于导电涂层的知识.
图1 -石墨烯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/平方)表面电阻率= ΩVolume电阻率= Ω × cm体积(体积)电阻率=(电阻率×长×宽)/高度
体积电阻率是在规定的厚度上测量薄片电阻率
表面电阻率是表征导电涂层最常用的手段. ASTM D257是测量表面电阻率最广泛使用的标准.
渗透理论:随着涂层中导电材料浓度的增加, 当达到临界浓度时,电导率会突然增加.

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)可定义为单位长度电压降之比, 到每单位宽度的表面电流.

防静电 指一种材料抑制摩擦电荷的特性. 抗静电涂层的表面电阻率至少为1 × 109,但小于1 X 1012.

静态耗散 涂料:

  • 表面电阻率为1 × 105 欧姆/平方. or
  • 体积电阻率为1 × 10欧姆-厘米,但小于1 X 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.

漆膜导电颗粒占总重量的2%ASTM D257表面电阻率欧姆/平方注意事项
季铵盐~ 1013水敏感性向地表迁移
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 -含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、单碳纳米管和多碳纳米管的图像

从石墨烯和碳纳米管中获得最佳导电性的一个重要方面是确保石墨烯和碳纳米管在水或溶剂型应用中具有良好的导电性 分散 是最优且稳定的. 如果石墨烯和/或碳纳米管未有效分散, 这些粒子将不能被充分分离,从而形成粒子束. 这些材料倾向于自缔合并形成簇, 哪些又不能提供足够的连接性来支持电流的最佳传导.

为了克服这个问题,在许多情况下使用了非常规的分散手段. 声波降解法 有这样一种方法可以解开纳米颗粒吗, 从而提供了支持当前(渗透)的连接性。.

众所周知,石墨烯和碳纳米管的团聚对其纳米成分的渗流阈值和导电性有重大影响. 导电材料之间的界面对导电性能也有深远的影响. 的 渗流阈值 该成分的导电纳米材料的浓度达到临界值时,是否显示出从绝缘体到导体的突变. 导电材料的纵横比(宽:高)也对渗滤阈值有重要贡献(低纵横比有利于导电)。.

石墨烯以及更多的碳纳米管之所以具有导电性能,是因为它们具有广泛的碳纳米管网络2 以及PI键的堆积.

石墨烯可以描述为单层厚度的石墨. 石墨也是导电的,有不同的纯度,也有无定形或结晶状.

石墨烯和碳纳米管等纳米颗粒导电能力强的另一个原因是它们非常小. 随着粒子的尺寸减小, 表面积与体积之比急剧增加. 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100nm的表面积通常会使纳米颗粒所提供的增强性能的优势失效.

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对导电涂料配方的影响.
图3 -渗流阈值和颗粒结构对表面电阻率的影响
纳米颗粒和团聚-在勘探者知识中心了解它们如何影响导电涂层的配方.
图4 -纳米颗粒和团聚

导电纳米颗粒在涂料中的适当使用可以赋予涂料多种有益的性能. 分散纳米颗粒的稳定性对于充分发挥这些材料的优势至关重要. 其次, 使用纳米颗粒的配方必须量身定做,以提供适当的接受度, 而不是作为一个drop-in来实现一个理想的财产.

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

除了它们的电性质, 石墨烯, 石墨和碳纳米管在高温下具有良好的稳定性. 此外, 因为它们独特的分子结构, 当适当的分散, 它们还可以提高机械性能. 据报道,碳纳米管在空气中的温度稳定性为750℃, 超过600°C的石墨烯和石墨.

下一代导电材料在未来涂料中的应用将包括:

  • 电气应用中防止电子放电的涂层
  • 通信设备
  • 消费电子产品
  • 计算机设备
  • 灵活的电气设备
  • 需要耐高温和增强机械性能的电子应用.

总之, 使用导电颗粒特别是导电纳米颗粒的适当配方的涂料可以获得迄今为止无法通过其他方法获得的性能属性.

参考资料和进一步阅读: