导电材料的分类及其在涂料中的应用_李达

关键词： 导电材料； 分类； 应用； 涂料 中图分类号： TQ 630. 4 文献标识码： B 文章编号： 0253 － 4312（ 2010） 11 － 0067 － 05
Classification of Conductive Materials and Its Application in Coatings
（ 2） 多壁碳纳米管 /杂萘联苯聚醚砜酮复合导电材料。 它是由多壁碳纳米管和杂萘联苯聚醚砜酮复合而成的优良导 电材料。冯学斌等［17］采用溶液共混及原位复合法，制备出多 壁碳纳米管 / 杂萘联苯聚醚砜酮复合材料。研究发现，随着多 壁碳纳米管（ MWNTs） 含量的增加，复合材料电阻率基本呈现 逐渐下降的趋 势，并 在 一 定 范 围 内 发 生 渗 流 现 象。 与 溶 液 共 混复合材料相比，原 位 复 合 材 料 具 有 更 低 的 渗 流 阈 值 和 更 优 良的导电性。此外，在 MWNTs 含量较高时，2 种材料复合的 体积电阻率随 MWNTs 含量变化并不明显，均保持在 106 Ω·cm 数量级。
较高，作为导电材料推广使用还需要较长一段时间。
1. 2 金属系导电材料
金属系导电材料 主 要 包 括 银 系、铜 系、镍 系 等 导 电 材 料， 具有良好的导电 性 和 延 展 性，颜 色 相 对 较 浅，因 此，应 用 较 为 广泛。其中，以银系导电材料的导电性能最佳，抗氧化能力最 强，但价格高昂，使 用 过 程 中 容 易 发 生 银 离 子 迁 移 造 成 短 路。 镍和铜［3］价格较金属银便宜很多，但这 2 种材料制备成粉体 后，容易发生氧化反应，造成电阻的急剧上升，影响导电性能， 用有机磷化合物、偶联剂、杂环类化合物或羰基化技术等处理 可以提高其抗氧化能力，但相对较高的使用成本，还是使其应 用领域受到了限制［4］。
1. 3 金属氧化物系导电材料
金属半导体氧化物以其熔点高、抗氧化能力强、价格适中 等优点，受到应 用 企 业 的 喜 爱。目 前 比 较 常 见 的 导 电 金 属 氧 化物有掺锑二氧化锡（ ATO） 、掺铝氧化锌（ ZAO） 、掺铟氧化锡 （ ITO） 等。
1. 3. 1 掺锑二氧化锡导电材料
掺杂了锑的二氧化锡（ 简称 ATO） 的导电性明显提高，且 具有颜色浅、稳 定 性 好 等 优 良 特 性。在 一 定 的 锑 掺 杂 量 范 围 内，掺锑量越多，导 电 性 能 越 好，但 粉 体 颜 色 越 深。 为 得 到 浅 色的导电粉，顾达等［5］研究出一种在掺锑量较少情况下，使锑 均匀地掺杂于二氧化锡的粉体中的浅色 ATO 导电粉的制备方 法，克服了现有技 术 所 存 在 的 掺 锑 不 匀 以 及 高 温 煅 烧 使 粒 径 长大，影响导电效果的缺陷。
除上述 2 种 无 机 / 无 机 复 合 导 电 材 料 外，还 有 导 电 云 母［14］、导电二氧 化 钛 等 复 合 无 机 导 电 材 料，这 些 材 料 已 经 被 推向市场。
1. 5. 2 有机 / 无机复合材料
（ 1） 聚噻吩 /多壁碳纳米管复合导电材料。多壁碳纳米 管（ MWNTs） 以其优良的导电性能（ 16. 1 S / m） 被用作填充物 制备聚噻吩 / 碳纳米管导电复合材料［15］。聚噻吩是一种重要 的结构型导电高 分 子 材 料，在 掺 杂 状 态 或 非 掺 杂 状 态 都 具 有 很高的环境稳定性，并且由于其结构的多功能性，使得聚噻吩 在电导体、电 极 材 料、有 机 半 导 体 等 领 域 都 有 很 好 的 应 用 前 景。将聚噻吩与多壁碳纳米管复合获得的导电材料具有更为 优异的电学、光学性能。聚噻吩 / MWNTs 复合材料的制备方 法有很多种，常用的方法为机械共混法、溶液混合法和原位复 合法。王红敏等［16］的实验结果表明，共混聚噻吩和多壁碳纳 米管在后者 含 量 很 低 时，复 合 材 料 的 电 导 率 开 始 上 升，随 着 MWNTs 含量的增加，电导率持续增加，当 MWNTs 含量达 10% ～ 20% 时，增长速度变得缓慢，电导率逐渐接近纯的碳纳米 管，最终达到平衡值。
1. 5. 1 无机 / 无机复合材料
（ 1） 重晶石复合材料。杨华明等［11］以高纯超微细重晶石
粉作为基体，采用 化 学 共 沉 淀 技 术，利 用 半 导 体 掺 杂 原 理，以 锑掺杂氯化锡水 解 对 重 晶 石 进 行 包 覆，再 经 焙 烧 制 得 锑 掺 杂 SnO2 包覆重晶石的导电粉末。
（ 2） 石墨 / 陶瓷复合导电材料。郑昕等［12 － 13］ 以长石、透 辉石、石英等作为陶瓷基体并掺杂石墨，经湿混、干燥、干压成 型、快速烧结等工艺制备出了石墨 / 陶瓷复合导电材料，并发 现随着石墨掺量的增加，复合导电材料的电阻率急剧减小； 但 是，当 石 墨 掺 量 超 过 15% 时，复 合 材 料 的 电 阻 率 变 化 趋 于 平缓。
Key Words： conductive materials； classification； application； coatings
0引言
新型功能材料的研发技术是衡量一个国家生产力发展水 平的因素之一，它 可 以 影 响 电 子、航 空 航 天、通 信 等 诸 多 领 域 的发展，导电材料就是其中之一。
1. 5 复合导电材料
随着信息工业的 发 展，对 于 具 有 导 电 功 能 的 复 合 材 料 的 需求越来越 迫 切［10］。 复 合 导 电 材 料 是 采 用 导 电 材 料 与 成 型 材料填充复合而成的一类新型导电材料。导电材料一般选用 导电性能优良的 纤 维 状、网 状、树 枝 状 或 片 状 材 料，常 用 的 有 金属纤维、碳纤维、镀金属纤维、超细炭黑、云母片、金属片、金 属合金粉等； 成型材料一般采用合成树脂类材料，如聚苯醚、 聚碳酸酯、ABS、尼龙和热塑性聚酯等。利用该类材料开发的 填充复合型 屏 蔽 材 料，具 有 一 次 加 工 成 型，缩 短 加 工 工 艺 过 程，便于批量生产的优势，是继表层导电型材料之后推向市场 的又一类新型材 料，也 是 当 前 复 合 导 电 材 料 的 一 个 热 点 研 究 方向。复合导电材料根据组成的不同，又可以分为无机 / 无机 复合材料、有机 / 无机复合材料、有机 / 有机复合材料 3 大类。
1 导电材料的分类
1. 1 碳系导电材料
碳系导电材料包 括 导 电 炭 黑、石 墨、碳 纤 维 等，具 有 导 电 性好、着色力强、化 学 稳 定 性 高、密 度 小、价 格 低 廉 等 特 点，以 其制备的 导 电 油 墨、导 电 胶 等 广 泛 应 用 于 电 子、化 工 等 领 域［1］。在使用碳系材 料 时，通 常 将 导 电 炭 黑、石 墨、碳 纤 维 等 搭配使用。碳系导电材料存在的不足主要是分散稳定性差、 颜色深，因此，实际应用中受到一定的限制。
导电材料种类繁多、应用广泛，因此受到高度重视。根据 化学成分的不同，导 电 材 料 可 以 分 为 碳 系、金 属 系、金 属 氧 化 物系、结构高分子系以及复合型等 5 类； 根据导电材料功能不 同，又可分为： 防静电材料、导电材料、电极材料、发热体材料、 电磁波屏蔽 材 料。本 文 阐 述 了 不 同 化 学 成 分 导 电 材 料 的 特 点，并介绍了该类材料在功能涂料领域的应用情况。
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李 达等： 导电材料的分类及其在涂料中的应用
1. 3. 2 掺铝氧化锌导电材料
掺铝氧化锌（ 简称 ZAO） ，是氧化锌与氧化铝形成的置换 型固溶体。罗重霄等［6］采用超声 － 模板法高效合成出了分散 性好、导电性能优良的导电 ZAO 纳米晶。该类导电材料不仅 紫外线吸收性能 好、化 学 稳 定 性 高，而 且 具 有 颜 色 浅、可 见 光 透过率高、导 电 性 好 等 优 良 特 性，可 以 广 泛 应 用 在 抗 静 电 涂 料、橡胶和塑料等领域，有 取 代 导 电 性 好 但 价 格 昂 贵 的 ITO （ In2 O3 ： Sn） 材料的趋势。
第 40 卷第 11 期 2010 年 11 月
涂料工业 PAINT ＆ COATINGS INDUSTRY
Vol． 40 No． 11 Nov． 2010
ห้องสมุดไป่ตู้
导电材料的分类及其在涂料中的应用
李 达，刘金库 （ 华东理工大学化学系，上海 200237）
摘 要： 系统介绍了碳系、金属系、金属氧化物系、有机高分子系及复合系导电材料的性能及特点，并对其优缺点 进行了对比，同时综述了导电材料在功能性涂料领域的应用研究进展。
1. 3. 3 掺铟氧化锡导电材料
掺铟氧化锡（ 简称 ITO） 具有低电阻率、高可见光透射率 等性能优势。陈琼等［7］采用碳还原氧化铟和氧化锡的粉末成 功合成了掺铟氧 化 锡 纳 米 材 料，并 探 索 了 这 种 纳 米 结 构 在 室 温下的光致发光性能。掺铟氧化锡因可以切断对人体有害的 电子辐射、紫外线 及 远 红 外 线 而 被 广 泛 应 用 于 各 种 平 板 显 示 器、传感器、气敏元件之中。
近年来，碳纳米 管 材 料 因 其 具 有 纳 米 材 料 的 诸 多 优 异 特 性，已被探索作为新型的碳系导电材料使用。Takahiro Kitano 等［2］利用展开 / 包覆技术制备了碳纳米管透明导电薄膜，同时 讨论了 C60 （ OH） n 的浓度与单壁碳纳米管分散性之间的关系， 由此来控制单壁碳纳米管薄膜的厚度。但该类材料由于成本
Li Da，Liu Jinku
（ Department of Chemistry，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China）
Abstract： This article has deseribed the characteristics，performance and preparation of the conductive materials，such as carbon － based materials metals，metal oxides，organic polymers and composite materials， and comparison of their advantages and disadvantages． It also reviewed the application research progress of conductive materials in functional coatings．
1. 4 结构型导电高分子材料
结构型导电高分子材料又称为本征型导电高分子材料， 纯粹的结构型导 电 高 分 子 聚 合 物 至 今 只 有 聚 氮 化 硫 类 ，其 他 的大部分导电聚 合 物 均 需 采 用 氧 化 还 原、离 子 化 或 电 化 学 等 手段进行掺杂处理，如具有共轭 π 键的导电性聚合物如聚苯 硫醚、聚吡咯、聚噻 吩 及 聚 苯 胺 等 高 分 子 导 电 聚 合 物，其 中 一 些导电性能已接近金属，因此也被称为“金属化聚合物”或“合 成金属”。另一种结构型导电分子叫做热分解导电高分子，是 把聚酰亚胺、聚丙烯腈等在高温下热处理，使之生成与石墨结 构相近的物质，从 而 获 得 导 电 性。这 些 热 分 解 导 电 高 分 子 的 特征是无需掺 杂 处 理，并 具 有 优 异 的 稳 定 性。 结 构 型 导 电 高 分子材料与传统 的 复 合 导 电 高 分 子 材 料 相 比 具 有 质 轻 、环 境 稳定性好、结构可 设 计、电 导 率 可 调、可 弥 补 金 属 填 料 的 缺 陷 等特点，同时还具有抗静电、电磁屏蔽或吸收电磁波以及电致 发光、光致变色 和 能 发 生 非 线 性 光 学 效 应 等 不 同 特 征 。 在 诸 多领域都有着潜在的应用价值，如在导电、防腐、EMI（ 电磁干 扰） 屏蔽等领域得到了应用［8 － 9］。