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导电涂料技术综述

时间:2018-03-04 15:15:18    来源:互联网整理    作者:匿名  浏览次数:
[导语]   摘要:导电涂料是伴随着现代科学而迅速发展起来的特种涂料。1933年6月6日, 美局授权了第一个导电涂料专利,由于导电涂料的特殊功能被广大研究员所认识,有关导电涂料的研究也越来

摘要:导电涂料是伴随着现代科学而迅速发展起来的特种涂料。1933年6月6日, 美局授权了第一个导电涂料专利,由于导电涂料的特殊功能被广大研究员所认识,有关导电涂料的研究也越来越活跃。伴随着科技的进一步发展,尤其是电子、电气产品的飞速发展,导电涂料也得到了快速的发展。本文对导电涂料技术的发展进行了概述,对国内外申请人进行统计分析,通过上述统计,分析了国内外导电涂料的发展现状和导电涂料的发展趋势。

关键词:导电,涂料,特种涂料

一、导电涂料技术概述

导电涂料是涂于高电阻率的高分子材料上,使之具有传导电流和排除积累静电荷能力的特种涂料,可涂覆于任何形状基材的表面或内部。导电涂料按组成及导电机理可分为两大类:结构型(亦称本征型)导电涂料与复合型(亦称添加型、掺杂型)导电涂料。

本征型导电涂料其导电机理一般认为是高分子聚合物分子内部电子的转移使其具有导电性。复合型导电涂料是指以高分子聚合物为基础加入导电物质,利用导电物质的导电作用来达到涂层电导率在10-12 S/m以上。它既具有导电功能,同时又具有高分子聚合物的许多优异特性,可以在较大范围内根据使用需要调节涂料的电学和力学性能,并且成本较低,简单易行,因而获得较为广泛的应用。复合型导电涂料由高分子聚合物、导电填料、溶剂及助剂等组成。常用的导电填料有金属系填料、碳系填料、金属氧化物系填料、复合填料、新型纳米导电填料等。复合型的导电涂料其导电机理较为复杂,主要包括以下三种导电机理的理论:(1)无限网链理论、(2)热力学理论、(3)竞争理论。上述三种理论分别从导电粒子含量;导电体系内部的界面能与导电粒子含量的关系;导电通道机理、隧道效应机理和场致发射机理之间的竞争关系三个不同方向对导电机理进行了阐述。

二、 导电涂料的发展历程

2.1国外导电涂料的发展

美国通用电气公司早在1933年就取得了第一份导电涂料的专利(US1913214),但是,导电涂料并没有像想象中那样得到蓬勃发展。随着电子电气产品的不断普及,人们对导电涂料的认识不断加深,此后,导电涂料才伴随着这股潮流迅猛的发展起来。

根据全球历年导电涂料专利申请量的变化,可以大致将导电涂料的发展可以大致分为三个阶段。第一阶段是导电涂料的起步阶段(1933年-1972年),此时导电涂料申请量非常少,在电子电气领域的应用也不活跃。第二阶段是稳步发展阶段(1972年-1984年),随着欧美国家和日韩等对金属系导电涂料的研究取得巨大进步,尤其是镍系、铜系、银系等导电涂料,人们对导电涂料的认识进一步加强,这段时间的申请量每年都在100件左右,并呈现出稳定增长的态势。随着导电涂料在抗静电、电磁屏蔽等领域应用的扩展,导电涂料的研究也越来越深入,功能性也越来越明确。第三阶段(1984年至今)为快速发展阶段。随着个人电脑发展进入快车道;大量电气产品如冰箱、电视机、手机等进入家家户户;大型油气田的开发,油气运输中油罐车、油轮的安全保护措施以及雷达等军工设施对电磁屏蔽性能的严苛要求;导电涂料的需求越来越旺盛,对导电涂料性能的要求也越来越高。随着人们对个人通讯电子设备,如手机、平板电脑、PDA等的个性化和外观要求越来越高,导电涂料领域的发展也是越来越完备,甚至是到了21世纪仍然保持了旺盛的生命力和良好的发展前景,2011年至2014年的累计申请量达到了1877件。

经过统计分析发现,不同国家在导电涂料领域的专利占有量大致为:日本37%、美国7%、欧盟17%、中国10%、韩国6%、加拿大3%、台湾3%、澳大利亚2%、其他15%。虽然,导电涂料最早由美国通用电气公司开创,并且其在技术积累阶段对欧美国家做出的贡献非常巨大,但是随着新技术的不断发展,日本人通过自己精益求精的作风,在电子电气和精细化工等领域取得了巨大的成就,其申请量已经远超欧美,达到了全球占有量的37%,超过了总量的三分之一,几乎与欧、美、中、德、韩的总量持平。我国作为一个发展中国家,起步较晚,起点较低,技术的积累薄弱,得益于近年来取得的举世瞩目的经济成就,我们在导电涂料领域成长极快,专利申请占有量超过美国的7%,达到10%,仅次于邻国日本和欧盟。此外,韩国、澳大利亚、加拿大、台湾等地区,在导电涂料领域也处于世界领先水平。

2.2国内导电涂料的发展

前面分析了我国在导电涂料领域的地位,但是在对国内具体的申请人进行分析之后发现,在我国导电涂料领域的主要申请人中,外国大型企业居多,尤其是美国的杜邦公司,其导电涂料专利拥有量为196件,而排在其后的四家企业的导电涂料专利拥有量之和为213件。其次,其他的主要申请人中大多是日本企业,包括三菱综合材料株式會社(52件)、日产化学株式会社(43件)、信越聚合物株式会社(39件)、住友金属矿山株式会社(35件)、株式会社村田制作所(29件)、TDK(28件)等,虽然日本企业各自的申请量都不及杜邦,但它们形成了集团优势,如此多企业的集合,往往能够与杜邦这种庞然大物形成抗衡之势。我们很庆幸的看到在主要申请人的前三名中出现了比亚迪股份有限公司(56件)的身影,它代表了中国企业在该领域的力量。另外,国内还有很多研究所和科研单位由于申请量较少排名并不靠前,比如西安交通大学、兰州理工大学、国家电网等,他们均在该领域均有所投入,由于体量和技术积累不足等缘故,专利申请量并不太多。

三、导电涂料的发展趋势

随着导电涂料研究和开发的不断深入,其应用也日益广泛,尤其是在电子工业、建筑工业、航空和军用工业等领域,具有重要的实用价值。展望未来导电涂料的研究和开发,导电涂料呈以下发展趋势:

(1)开发高性价比的导电涂料;对于复合型导电涂料,主要是开发高导电性、低成本的新型导电填料,以代替银、镍、铜等贵重金属材料,例如在铜粉、镍粉、玻璃微球的表面镀银,可以获得导电性能优异的导电填料。将基体树脂与炭黑以化学法结合,制成炭黑接枝聚合物,可改善炭黑的分散性,得到的导电涂料以其电阻值均匀性好,而适用于印刷电路。

(2)重视本征型导电涂料的开发;目前,本征型导电涂料的开发和应用受到冷落,主要是因为本征型导电涂料在合成、施工过程中难度较大,限制了本征型导电涂料的推广。但是,在本征型导电涂料中无需加入价格昂贵的导电填料,可提高导电涂料的性价比,如果能够在制备方法上有所突破,将极大促进本征型导电涂料的发展。

(3)研究和开发纳米导电涂料;利用导电涂料的导电能力,可将电能转化为热能,用以加热工业建筑物,其显著优点是不占空间。在寒冷地区,导电涂料可用于实现石油输送管道的保温、舰船甲板的加热去冰以及汽车、飞机、舰船玻璃表面的防雾、防结冰等。此类外用涂料对耐老化、耐洗刷、抗紫外线等性能要求很高。在涂料中加入纳米材料,所得纳米涂料的耐老化、防渗漏、耐洗刷等性能均得到很大提高,从而提高了涂料的档次,延长了涂膜的使用寿命。经纳米材料改性后的导电涂料产品外观显得更加饱满、均匀,涂膜光洁细腻,触感优良,防水性好,与基底材料的粘合力提高,尤其是改性后的涂料抗紫外线、耐洗刷性能非常优越。

(4)大力发展环保型导电涂料;随着国际上对环境保护和节约资源的呼声日益高涨,发展环保型导电涂料已是大势所趋。通常,实现环保型导电涂料的途径有:水溶性导电涂料、粉末导电涂料和高固含量导电涂料。

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