導(dǎo)電涂料技術(shù)綜述

蔡暢

摘要：導(dǎo)電涂料是伴隨著現(xiàn)代科學(xué)而迅速發(fā)展起來的特種涂料。1933年6月6日， 美局授權(quán)了第一個導(dǎo)電涂料專利，由于導(dǎo)電涂料的特殊功能被廣大研究員所認(rèn)識，有關(guān)導(dǎo)電涂料的研究也越來越活躍。伴隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展，尤其是電子、電氣產(chǎn)品的飛速發(fā)展，導(dǎo)電涂料也得到了快速的發(fā)展。本文對導(dǎo)電涂料技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了概述，對國內(nèi)外申請人進(jìn)行統(tǒng)計分析，通過上述統(tǒng)計，分析了國內(nèi)外導(dǎo)電涂料的發(fā)展現(xiàn)狀和導(dǎo)電涂料的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)電，涂料，特種涂料

一、導(dǎo)電涂料技術(shù)概述

導(dǎo)電涂料是涂于高電阻率的高分子材料上，使之具有傳導(dǎo)電流和排除積累靜電荷能力的特種涂料，可涂覆于任何形狀基材的表面或內(nèi)部。導(dǎo)電涂料按組成及導(dǎo)電機理可分為兩大類：結(jié)構(gòu)型（亦稱本征型）導(dǎo)電涂料與復(fù)合型（亦稱添加型、摻雜型）導(dǎo)電涂料。

本征型導(dǎo)電涂料其導(dǎo)電機理一般認(rèn)為是高分子聚合物分子內(nèi)部電子的轉(zhuǎn)移使其具有導(dǎo)電性。復(fù)合型導(dǎo)電涂料是指以高分子聚合物為基礎(chǔ)加入導(dǎo)電物質(zhì)，利用導(dǎo)電物質(zhì)的導(dǎo)電作用來達(dá)到涂層電導(dǎo)率在10-12 S/m以上。它既具有導(dǎo)電功能，同時又具有高分子聚合物的許多優(yōu)異特性，可以在較大范圍內(nèi)根據(jù)使用需要調(diào)節(jié)涂料的電學(xué)和力學(xué)性能，并且成本較低，簡單易行，因而獲得較為廣泛的應(yīng)用。復(fù)合型導(dǎo)電涂料由高分子聚合物、導(dǎo)電填料、溶劑及助劑等組成。常用的導(dǎo)電填料有金屬系填料、碳系填料、金屬氧化物系填料、復(fù)合填料、新型納米導(dǎo)電填料等。復(fù)合型的導(dǎo)電涂料其導(dǎo)電機理較為復(fù)雜，主要包括以下三種導(dǎo)電機理的理論：（1）無限網(wǎng)鏈理論、（2）熱力學(xué)理論、（3）競爭理論。上述三種理論分別從導(dǎo)電粒子含量；導(dǎo)電體系內(nèi)部的界面能與導(dǎo)電粒子含量的關(guān)系；導(dǎo)電通道機理、隧道效應(yīng)機理和場致發(fā)射機理之間的競爭關(guān)系三個不同方向?qū)?dǎo)電機理進(jìn)行了闡述。

二、 導(dǎo)電涂料的發(fā)展歷程

2.1國外導(dǎo)電涂料的發(fā)展

美國通用電氣公司早在1933年就取得了第一份導(dǎo)電涂料的專利（US1913214），但是，導(dǎo)電涂料并沒有像想象中那樣得到蓬勃發(fā)展。隨著電子電氣產(chǎn)品的不斷普及，人們對導(dǎo)電涂料的認(rèn)識不斷加深，此后，導(dǎo)電涂料才伴隨著這股潮流迅猛的發(fā)展起來。

根據(jù)全球歷年導(dǎo)電涂料專利申請量的變化，可以大致將導(dǎo)電涂料的發(fā)展可以大致分為三個階段。第一階段是導(dǎo)電涂料的起步階段（1933年-1972年），此時導(dǎo)電涂料申請量非常少，在電子電氣領(lǐng)域的應(yīng)用也不活躍。第二階段是穩(wěn)步發(fā)展階段（1972年-1984年），隨著歐美國家和日韓等對金屬系導(dǎo)電涂料的研究取得巨大進(jìn)步，尤其是鎳系、銅系、銀系等導(dǎo)電涂料，人們對導(dǎo)電涂料的認(rèn)識進(jìn)一步加強，這段時間的申請量每年都在100件左右，并呈現(xiàn)出穩(wěn)定增長的態(tài)勢。隨著導(dǎo)電涂料在抗靜電、電磁屏蔽等領(lǐng)域應(yīng)用的擴展，導(dǎo)電涂料的研究也越來越深入，功能性也越來越明確。第三階段（1984年至今）為快速發(fā)展階段。隨著個人電腦發(fā)展進(jìn)入快車道；大量電氣產(chǎn)品如冰箱、電視機、手機等進(jìn)入家家戶戶；大型油氣田的開發(fā)，油氣運輸中油罐車、油輪的安全保護(hù)措施以及雷達(dá)等軍工設(shè)施對電磁屏蔽性能的嚴(yán)苛要求；導(dǎo)電涂料的需求越來越旺盛，對導(dǎo)電涂料性能的要求也越來越高。隨著人們對個人通訊電子設(shè)備，如手機、平板電腦、PDA等的個性化和外觀要求越來越高，導(dǎo)電涂料領(lǐng)域的發(fā)展也是越來越完備，甚至是到了21世紀(jì)仍然保持了旺盛的生命力和良好的發(fā)展前景，2011年至2014年的累計申請量達(dá)到了1877件。

經(jīng)過統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，不同國家在導(dǎo)電涂料領(lǐng)域的專利占有量大致為：日本37%、美國7%、歐盟17%、中國10%、韓國6%、加拿大3%、臺灣3%、澳大利亞2%、其他15%。雖然，導(dǎo)電涂料最早由美國通用電氣公司開創(chuàng)，并且其在技術(shù)積累階段對歐美國家做出的貢獻(xiàn)非常巨大，但是隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，日本人通過自己精益求精的作風(fēng)，在電子電氣和精細(xì)化工等領(lǐng)域取得了巨大的成就，其申請量已經(jīng)遠(yuǎn)超歐美，達(dá)到了全球占有量的37%，超過了總量的三分之一，幾乎與歐、美、中、德、韓的總量持平。我國作為一個發(fā)展中國家，起步較晚，起點較低，技術(shù)的積累薄弱，得益于近年來取得的舉世矚目的經(jīng)濟成就，我們在導(dǎo)電涂料領(lǐng)域成長極快，專利申請占有量超過美國的7%，達(dá)到10%，僅次于鄰國日本和歐盟。此外，韓國、澳大利亞、加拿大、臺灣等地區(qū)，在導(dǎo)電涂料領(lǐng)域也處于世界領(lǐng)先水平。

2.2國內(nèi)導(dǎo)電涂料的發(fā)展

前面分析了我國在導(dǎo)電涂料領(lǐng)域的地位，但是在對國內(nèi)具體的申請人進(jìn)行分析之后發(fā)現(xiàn)，在我國導(dǎo)電涂料領(lǐng)域的主要申請人中，外國大型企業(yè)居多，尤其是美國的杜邦公司，其導(dǎo)電涂料專利擁有量為196件，而排在其后的四家企業(yè)的導(dǎo)電涂料專利擁有量之和為213件。其次，其他的主要申請人中大多是日本企業(yè)，包括三菱綜合材料株式會社（52件）、日產(chǎn)化學(xué)株式會社（43件）、信越聚合物株式會社（39件）、住友金屬礦山株式會社（35件）、株式會社村田制作所（29件）、TDK（28件）等，雖然日本企業(yè)各自的申請量都不及杜邦，但它們形成了集團(tuán)優(yōu)勢，如此多企業(yè)的集合，往往能夠與杜邦這種龐然大物形成抗衡之勢。我們很慶幸的看到在主要申請人的前三名中出現(xiàn)了比亞迪股份有限公司（56件）的身影，它代表了中國企業(yè)在該領(lǐng)域的力量。另外，國內(nèi)還有很多研究所和科研單位由于申請量較少排名并不靠前，比如西安交通大學(xué)、蘭州理工大學(xué)、國家電網(wǎng)等，他們均在該領(lǐng)域均有所投入，由于體量和技術(shù)積累不足等緣故，專利申請量并不太多。

三、導(dǎo)電涂料的發(fā)展趨勢

隨著導(dǎo)電涂料研究和開發(fā)的不斷深入，其應(yīng)用也日益廣泛，尤其是在電子工業(yè)、建筑工業(yè)、航空和軍用工業(yè)等領(lǐng)域，具有重要的實用價值。展望未來導(dǎo)電涂料的研究和開發(fā)，導(dǎo)電涂料呈以下發(fā)展趨勢：

（1）開發(fā)高性價比的導(dǎo)電涂料；對于復(fù)合型導(dǎo)電涂料，主要是開發(fā)高導(dǎo)電性、低成本的新型導(dǎo)電填料，以代替銀、鎳、銅等貴重金屬材料，例如在銅粉、鎳粉、玻璃微球的表面鍍銀，可以獲得導(dǎo)電性能優(yōu)異的導(dǎo)電填料。將基體樹脂與炭黑以化學(xué)法結(jié)合，制成炭黑接枝聚合物，可改善炭黑的分散性，得到的導(dǎo)電涂料以其電阻值均勻性好，而適用于印刷電路。

（2）重視本征型導(dǎo)電涂料的開發(fā)；目前，本征型導(dǎo)電涂料的開發(fā)和應(yīng)用受到冷落，主要是因為本征型導(dǎo)電涂料在合成、施工過程中難度較大，限制了本征型導(dǎo)電涂料的推廣。但是，在本征型導(dǎo)電涂料中無需加入價格昂貴的導(dǎo)電填料，可提高導(dǎo)電涂料的性價比，如果能夠在制備方法上有所突破，將極大促進(jìn)本征型導(dǎo)電涂料的發(fā)展。

（3）研究和開發(fā)納米導(dǎo)電涂料；利用導(dǎo)電涂料的導(dǎo)電能力，可將電能轉(zhuǎn)化為熱能，用以加熱工業(yè)建筑物，其顯著優(yōu)點是不占空間。在寒冷地區(qū)，導(dǎo)電涂料可用于實現(xiàn)石油輸送管道的保溫、艦船甲板的加熱去冰以及汽車、飛機、艦船玻璃表面的防霧、防結(jié)冰等。此類外用涂料對耐老化、耐洗刷、抗紫外線等性能要求很高。在涂料中加入納米材料，所得納米涂料的耐老化、防滲漏、耐洗刷等性能均得到很大提高，從而提高了涂料的檔次，延長了涂膜的使用壽命。經(jīng)納米材料改性后的導(dǎo)電涂料產(chǎn)品外觀顯得更加飽滿、均勻，涂膜光潔細(xì)膩，觸感優(yōu)良，防水性好，與基底材料的粘合力提高，尤其是改性后的涂料抗紫外線、耐洗刷性能非常優(yōu)越。

（4）大力發(fā)展環(huán)保型導(dǎo)電涂料；隨著國際上對環(huán)境保護(hù)和節(jié)約資源的呼聲日益高漲，發(fā)展環(huán)保型導(dǎo)電涂料已是大勢所趨。通常，實現(xiàn)環(huán)保型導(dǎo)電涂料的途徑有：水溶性導(dǎo)電涂料、粉末導(dǎo)電涂料和高固含量導(dǎo)電涂料。endprint