data-full-width-responsive="true"> 一种水性防静电涂料性能研究及其包装应用龙朝阳1 卢立新1,2*(1江南大学包装工程系,无锡214122;2国家轻工业包装制品质量监督检测中心,无锡214122) 近10 年来,导电涂料得到了迅速的发展,性能日益提高,种类日益增加,基本上形成了防静电涂料系列。防静电涂料现在已有多种,若以导电性成份来分,主要有炭系涂料,金属系涂料,金属氧化物系涂料,添加表面活性剂型涂料等[1 ] ,而且随着环保意识的加强,人们越来越多的开始关注环保的导电涂料,其最大优越性是消除或基本消除了一般涂料中所使用的易燃、易爆、且不利于环境保护的有机溶剂。因此,水性涂料是今后涂料工业发展的一个方向。本实验利用导电性石墨、炭黑作混合填料,水性丙烯酸树脂为基体树脂制备了一种复合防静电涂料,将其涂覆与基材表面形成一种导电聚合层,赋予材料特有的防静电功能,研究了炭黑、石墨混合比例及用量、环境温、湿度变化对涂层性能的影响,并对其防静电包装应用进行了探讨。1 实验部分11 原料导电炭黑H K240B2 ,上海卡吉特化工科技有限公司;导电石墨M2500 ,上海卡吉特化工科技有限公司;水性丙烯酸树脂M289 ,广州市米洋贸易有限公司;消泡剂、增稠剂、改性剂、分散剂,宜兴市广泰化工有限公司。12 试样制备将导电填料在85 ℃下烘干预处理,与适量水溶液、助剂、基体树脂按比例混合,变速搅拌后再用QZM21 型锥形磨研磨均匀,调整涂料黏度得防静电涂料待用。将50mm 50mm 的瓦楞纸板在温度23 ℃2 ℃,湿度50 % 5 %的恒温恒湿环境下处理24h 后待用。涂料混合体系黏度较大,可以采用涂布辊(或玻璃棒) 将涂料均匀涂覆在处理好的纸板上,待室温干燥后,置于25 ℃、50 %RH 下恒温恒湿处理24h 再进行性能测试,每个样品做3 个平行试样。13 性能测试涂层表面电阻率按军用电磁屏蔽材料通用规范GJB2604296进行测试,如图1 所示,采用对角线测试法,待测样品与电极截面必须清洁,将自制的端面为1cm 1cm 的铜方块电极与万用表连接进行表面电阻率的测试。测量时,按图中所示位置进行两次对角测试,所得测量值分别为R1 和R2 。表面电阻率Rs 为:Rs = (Rs1 + Rs2 ) / 2 (1)式中Rs1 = R1 / (L Rs2 = R2 / (L L = 4cm。
2 结果与讨论21 混合填料对涂层导电性的影响导电粒子的三维空间构型即导电网链质量的优劣对涂层导电性能起着至关重要的作用。炭黑是一种高结构性、高比表面积的物质,很容易形成空间导电网络,但在实际操作中也存在着黏度高、加工困难、在高质量分数下使聚合物原有性能损失较大等问题,而石墨的弯曲片层结构不利于增大导电粒子在空间接触几率和接触面积, 所以结合两者的优缺点对其进行混合, 可有效地弥补各自的不足 。显然混合填料的比例和含量与涂层导电性能有必然联系。将炭黑、石墨按一定比例(质量分数) 混合如:0 ∶100 、10∶90 、20 ∶80 、25 ∶75 、30 ∶70 ,对其表面电阻率进行测试,结果如图2 所示。当炭黑占混合填料含量为10 %时继续增加炭黑比例,涂层表面电阻率则进一步降低,这是因为炭黑与石墨接触,使涂料的导电结构更致密,形成良好的三维空间结构,从而降低涂料的电阻率。当炭黑含量为20 %时,涂层表面电阻率达到最低值。继续增加炭黑含量会使体系黏度变大,增加制备难度,而且聚合物树脂聚集连续状态被分割,形成细小区域,使聚合物原有性能遭破坏[5 ] ,电阻率升高,因此最优的炭黑、石墨混合比例为20 ∶80 ,即炭黑占混合填料质量分数为20 %。
渗流理论认为,当体系中的导电填料含量增加到一个临界值后会突然下降,变化幅度可达十几个数量级,然后体系的电阻率变化又回复平缓 。由图3 可知,随着混合填料的增加,电阻率急剧降低。填充量为20 %以前下降趋势明显,20 %～25 %之间下降趋势减缓,填充量继续增大后电阻率甚至有所回升。这是因为随着填充量的增加,导电粒子之间相互接触形成网链结构,电阻率急剧减小而形成电阻率突降现象,继续添加导电填料只是增加了导电通路数目,对电阻率贡献降低,因此变化较为平缓。而当石墨填充量超过25 %后,电阻率有所回升,可认为此时体系的聚合物连接基料相对于填料用量太少,导电填料粒子间形成空气泡或微裂纹 ,出现涂层性能下降和电阻率上升的趋势。因此当填料含量控制在5 %～25 %之间,可以有效调节涂层表面电阻率在102～1010/ cm2 。
22 温、湿度对涂层导电性的影响将防静电涂料涂覆与基材表面从而赋予材料特有的防静电功能,作为防静电包装材料在满足防静电性能的同时还要考虑环境因素对其性能的影响,尤其是温、湿度的影响。取炭黑、石墨比例为20 ∶80 ,混合填料含量分别为14 %和17 % ,将其涂覆于预处理的瓦楞纸板表面,待室温干燥后置于干燥箱内,每隔10 ℃(时间间隔为1h) 记录一次表面电阻率,研究其随温度变化的关系,如图4 。
在初始阶段,随着温度的升高,涂料的表面电阻率逐渐降低,当达到85 ℃时开始回升。这是因为温度的升高使得填料粒子吸收足够的能量,导电载流子浓度开始增加,导电通道数目变多,粒子不断发生跃迁,从而形成了更好的三维空间网链结构,导致电阻率下降 。但是当温度大于85 ℃后,此时基体树脂开始过度膨胀,填料粒子间距离增大到不能产生隧道效应,大量网链结构被破化,而且有可能发生了导电填料被氧化现象,使得涂层导电性能呈下降趋势,涂层表面电阻率随温度升高而升高。依然选取混合填料含量分别为14 %和17 % ,按照同样的处理方法将其置于恒温恒湿箱内(25 ℃) ,在相对湿度分别为20 % ,35 % ,50 % ,65 % ,80 % ,95 %时每隔24h 测试其表面电阻率,研究湿度变化对表面电阻率的影响。由图5 可知,随着相对湿度的增加,涂层表面电阻率呈升高趋势,但仍在一个数量级之内,这可能是两方面因素共同作用的结果 。一是由于水分的吸收导致填料粒子距离变大,电阻率升高;二是涂层表面吸附一层水膜导致电阻率有下降的趋势,因此整体变化趋势并不明显。但是当湿度超过80 %时,涂层体积过度膨胀,粒子间距大到无法进行跃迁阻碍了离子迁移,大量导电网链结构破坏,此时电阻率升高显著。
23 防静电涂料的包装应用涂层型防静电包装材料是指将导电性涂料涂敷于基材表面形成均匀的涂层,赋予其导电性能使之成为能够安全地耗散静电电荷或屏蔽住零部件使其免受外界静电电荷影响的功能材料 。显然将上述防静电涂料的导电填料含量控制在5 %～25 %之间,可以有效调节涂层表面电阻率在102 ～1010/ cm2 ,根据GJB/ Z86297 ,可以用作绝缘材料、静电耗散(逸散) 材料、导静电(静电导电) 材料、静电屏蔽和(或) 电磁屏蔽材料 。将其涂覆于瓦楞纸板表面制作防静电瓦楞纸板可以有效解决当前国内抗静电包装形式单一的缺陷,大大拓展了纸板的功能和使用范围,工艺实现简单,成本也相对较低。而且水性防静电涂料有效降低了有机物的含量及其
它有害物质(voc) 的挥发,属环保涂料。3 结 论(1) 混合导电填料的配比及含量对防静电涂料的导电性能具有重要影响,当炭黑、石墨比例为20 ∶80 ,即炭黑占填料质量分数为20 %时防静电性能优异,而且涂料黏度适中,容易制备。而且通过控制导电填料含量控制在5 %～25 %之间,可以有效调节涂层表面电阻率在102 ～1010/ cm2 ,将其涂覆于基材表面可以制备不同防静电要求的包装材料。(2) 制备的防静电涂层随温度的变化关系是先降低后升高,随湿度变化为逐渐升高,但仍处于同一个数量级内,防静电性能稳定。将其涂覆于基材表面可以制得不同防护等级的防静电包装材料。
