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在你的油漆中加入电击:导电涂料和神奇材料.

导电粒子 在涂料中的应用近年来取得了巨大的飞跃. 革命性的材料 碳纳米管 (碳纳米管), 石墨烯 强度是钢的200倍,导电性优于铜. 这种独特的力量组合, 导电性和耐高温性有望在涂料中赋予挑战想象力的特殊性能. 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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其他更常用的导电粒子包括导电炭黑, 石墨, 季铵盐, 铜, 铝, 银及其混合物. 除了导电粒子, 有许多导电聚合物可以提供导电涂层,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,可以被认为是薄片形式的单壁碳纳米管.

石墨烯扫描探针图像显示六边形二维碳原子排列-在勘探者知识中心了解更多关于导电涂层.
图1 -石墨烯的扫描探针图像,显示碳原子的六边形二维排列
电导率= S/cm或S/m表面电阻率= Ω/ ' '(欧姆每平方)表面电阻率= ΩVolume电阻率= Ω x cmVolume(体积)电阻率=(电阻率x长x宽)/高
体积电阻率是测量薄片在一定厚度上的电阻率
表面电阻率是表征导电涂层最常用的方法. ASTM D257是测量表面电阻率使用最广泛的标准.
渗透理论:当导电材料在涂层中的浓度增加时, 一旦达到临界浓度,电导率就会突然增加.

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)可以定义为电压降与单位长度的比值, 对每单位宽度的表面电流.

防静电 指的是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 X 109,但小于1 × 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 × 1012 欧姆/平方. 表面电阻率或
  • 1 X 1011 欧姆-厘米体积电阻率.

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.

漆膜中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(CNTs)< 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、SWNCNT、MWCNT的图像

从石墨烯和碳纳米管中获得最佳导电性用于水或溶剂应用的一个重要方面是确保 分散 是最优且稳定的. 如果石墨烯和/或碳纳米管没有有效分散, 颗粒将不能充分分离而形成颗粒束. 这些物质倾向于自联并形成簇, 这反过来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,在许多情况下采用非传统的分散方法. 声波降解法 有这样一种方法可以解开纳米颗粒吗, 从而提供了支持电流(渗透)的连接性.

石墨烯和碳纳米管的团聚对其纳米组合物的渗透阈值和导电性有重要影响. 导电材料之间的界面对导电性也有深远的影响. 的 渗流阈值 该组合物的导电纳米材料的浓度从绝缘体突然转变为导体的阈值是什么. 导电材料的宽高比(宽高比)对渗透阈值也有重要影响(低宽高比有利于导电)。.

石墨烯和碳纳米管导电的原因是其广泛的sp网络2 键和键的叠加.

石墨烯可以描述为单层厚度的石墨. 石墨也导电,可在不同的纯度以及无定形或晶体形式.

石墨烯和碳纳米管等纳米颗粒具有如此强的导电性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大的吸引力. 例如, 超过100纳米的表面积通常会削弱纳米颗粒在提高性能方面的优势.

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 -渗透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 -纳米颗粒和凝聚

在涂料中适当使用导电纳米颗粒可以赋予多种有益的性能. 分散纳米颗粒的稳定对于优化这些材料的全部效益至关重要. 其次, 使用纳米颗粒的配方必须量身定制,以提供适当的接受度, 而不是作为一个旁听者来实现所需的属性.

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, 由于它们独特的分子结构, 适当分散时, 它们还可以增强机械性能. 据报道,CNTs在空气中的温度稳定性为750°C, 超过600℃的石墨烯和石墨.

使用下一代导电材料的未来涂料的应用将包括:

  • 电气应用中防止电子放电的涂料
  • 通信设备
  • 消费电子产品
  • 计算机设备
  • 柔性电气设备
  • 要求耐高温和增强机械性能的电子应用.

总之, 利用导电颗粒,特别是导电纳米颗粒,适当配方的涂料可以达到迄今为止通过其他方法无法获得的性能属性.

参考资料和进一步阅读:

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