给你的油漆带来冲击: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很大的飞跃. 革命性的材料 碳纳米管 (CNTs) and graphene 强度比钢高200倍,电导率比铜好. 这种独特的力量组合, 电导率和耐高温性有望赋予涂料难以想象的特殊性能. 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, graphite, 季铵盐, copper, aluminum, 银及其组合物. 除了导电粒子, 有许多导电聚合物可以提供导电涂层,可能会在未来的文章中讨论. 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,可以认为是单壁碳纳米管的片状形式.

石墨烯扫描探针图像显示碳原子的六边形二维排列-在探矿者知识中心了解更多关于导电涂层的信息.
图1 -石墨烯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/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
体积电阻率是在确定厚度的板材电阻率的量度
表面电阻率是表征导电涂层最常用的方法. ASTM D257是应用最广泛的表面电阻率测量标准.
渗透理论:当导电材料在涂层中的浓度增加时, 当达到临界浓度时,电导率会突然增加.

表1导电材料的通用术语

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

Antistatic 指一种材料能够抑制摩擦充电的特性. 抗静电涂料的表面电阻率至少为1 × 109,但小于1x1012.

静态耗散 涂料:

  • 表面电阻率为1 × 105 ohms/sq. or
  • 体积电阻率为1 × 10欧姆-厘米,但小于1 × 1012 ohm/sq. 表面电阻率或
  • 1 X 1011 ohm-cm体积电阻率.

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

导电颗粒占总重量2%的漆膜ASTM D257表面电阻率Ohms/square注意事项
季铵盐~ 1013水敏感性迁移到地表
导电炭黑~ 1010(antistatic)Color
Graphene~ 107(静态耗散)ColorDispersibilty
碳纳米管(碳纳米管)< 103(conductive)ColorDispersibility

表2 -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图像

从石墨烯和碳纳米管获得水或溶剂载体应用的最佳电导率的一个重要方面是确保 dispersion 是最优和稳定的. 如果石墨烯和/或CNTs没有有效分散, 这些粒子将不能充分分离而形成粒子束. 这些材料倾向于自结合并形成簇, 反过来又不能提供足够的连接性来支持电流的最佳传导.

为了克服这一问题,在许多情况下采用非传统的分散方法. Sonication 有一种方法可以解开纳米粒子的缠结吗, 从而提供连接以支持当前(渗滤).

众所周知,石墨烯和CNTs的团聚对其纳米组合物的渗透阈值以及电导率有重大影响. 导电材料之间的界面对电导率也有深刻的影响. The 渗流阈值 导电纳米材料的浓度阈值是否显示从绝缘体到导体的突变. 导电材料的长径比(宽:高)对渗透阈值也有重要贡献(长径比越低,导电性越好)。.

石墨烯的电导率高,而碳纳米管的电导率更高的原因是它们广泛的sp网络2 键和键的堆积.

石墨烯可以描述为单层厚度的石墨. 石墨还具有导电性,可以从不同纯度的石墨中获得,也有非晶或结晶形式.

像石墨烯和碳纳米管这样的纳米粒子导电能力如此之强的另一个原因是它们非常小. 当粒子的尺寸减小时, 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. For example, 超过100nm的表面积通常会抵消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. 在探矿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
纳米颗粒和团聚——在探矿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

在涂料中适当地使用导电纳米颗粒可以获得多种有益的性能. 稳定分散的纳米颗粒对于优化这些材料的所有优点至关重要. Secondly, 使用纳米颗粒的配方必须经过调整以提供适当的接受度, 而不是作为一个临时访问来实现想要的属性.

Material电阻Ohm-M
Graphite1 X 10-5
Brass0.9 X 10-7
Platinum0.98 X 10-7
Silver1.6 X 10-8
Aluminum2.8 X 10-8
Copper1.7 X 10-8
Zinc5.5 X 10-8

除了它们的电学性质, graphene, 石墨和碳纳米管在高温下具有良好的稳定性. Furthermore, 因为它们独特的分子结构, 当适当的分散, 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℃, 石墨烯和石墨在600℃以上.

下一代导电材料在未来涂料中的应用将包括:

  • 用于电气应用的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
  • 需要耐高温和增强机械性能的电子应用.

In summary, 适当地利用导电颗粒,特别是导电纳米颗粒的涂料可以获得迄今为止其他方法无法获得的性能属性.

参考文献和进一步阅读: