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影响涂层电导率的因素探讨

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-01-25  浏览次数:73
  影响涂层电导率的参数主要有填料的含量、填料电导率及渗流阈值。CNTs和GNS在同一种成膜树脂中会呈现出不同的渗流阈值和电导率,这是因为填料的导电性能和渗流阈值与填料自身的特性、分散工艺以及成膜树脂密切相关。
    导电填料自身的特性

    导电填料的粒径、比表面积、表面化学活性等均会影响涂层的导电性能。当填料含量一定时,填料粒子间的间距随填料粒径的减小而减小。足够小的粒子间距将促成量子隧道效应,所以渗流阈值随着填料粒径的减少而降低。然而采用GNS制备透明导电薄膜时,GNS基本上沉积在薄膜表面,采用尺寸小的GNS意味着单位面积的接触点多,导致接触电阻较大。

    Zhao等采用100~300μm²的石墨烯片制备的导电薄膜透光率为79%,方块电阻为19.1kΩ,当石墨烯片的平均尺寸为7000μm2时,薄膜的透光率为78%,而方块电阻则降至840Ω

    冯永成等采用不同长径比的CNTs制备环氧导电涂料,长径比小于250时,涂层的导电性能随长径比的增大而提高;当长径比大于250时,CNTs彼此之间容易缠结,在树脂基体内难以均匀分散,不利于涂层内导电网络的构建,导致涂层的导电性能随着长径比的增大而降低。

    Allaoui等将直径为100nm的MWNTs分散在环氧树脂中,渗流阈值为0.5wt.%~1wt.%,而Sandler等将直径为10nm的MWNTs与环氧树脂混合,渗流阈值仅为0.04wt%,这可能是由于直径越小,单位质量下的CNTs根数越多或长度较长,从而较容易获得低渗流阈值的导电涂料。

    导电填料的分散

    CNTs和GNS的比表面积大、表面活性低,粒子间具有较强的范德华力,在聚合物基体内容易团聚,它们的分散效果将直接影响导电网络的构建,对其表面进行化学修饰可促进填料与树脂的相容性,提高填料的分散效果。氧化石墨烯较GNS易分散,但氧化石墨烯是绝缘材料,一般将涂层中的氧化石墨烯进行化学或氧化还原,从而恢复涂层的导电性能。

    Ma等在GNS表面接枝长链聚合物后,环氧树脂/GNS复合体系的渗流阈值由原来的1.333vol%下降到0.32vol%。包覆表面活性剂可以提高CNTs的分散效果,同时阻止其在成膜树脂中再次团聚,但与接枝的CNTs相比,其渗流阈值较高。这是由于包覆表面活性剂的CNTs表面完全覆盖着绝缘壳层,在构建导电网络时,带有绝缘壳层的CNTs彼此搭接处的接触电阻大,导致涂层整体导电性能较差。

    Gojny等采用球磨工艺在CNTs表面接枝氨基,与纯CNTs相比,接枝后的CNTs与环氧树脂混合后制成涂膜的导电性能反而降低,这可能是球磨分散导致CNTs长径比减小,且CNTs接枝氨基后,CNTs的共轭π电子数目减少,而新键合的sp3杂化轨道电子导电性能远不及π电子。采用化学修饰往往都会对CNTs或GNS结构造成一定程度的破坏,因而在修饰过程中需要合理地控制各项参数,在满足填料均匀分散的同时尽量保持填料结构的完整性,从而获得理想的电学性能。

    成膜树脂

    成膜树脂是形成导电涂层的骨架和导电填料的载体,其对涂层的导电性能起着重要的作用。涂料成膜时,涂层中的导电粒子因树脂的固化收缩而彼此接触或接近,并形成隧道效应,从而使涂层具有导电性能,树脂的固化收缩率越大越有助于降低涂层的渗流阈值,因此成膜树脂宜选用固化收缩率大的体系。在不混溶的树脂基体中,导电填料的分布与相间界面张力有紧密联系。 
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