車身非金屬件用導(dǎo)靜電涂料的制備

郭小平，劉志偉，蒲吉斌，董建達(dá)，周開河，方云輝，劉栓,, *

（1.蕪湖春風(fēng)新材料有限公司，安徽 蕪湖　241000；2.中國科學(xué)院海洋新材料與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江省海洋材料與防護(hù)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所，浙江 寧波　315201；3.國家電網(wǎng)國網(wǎng)寧波供電公司，浙江 寧波　315201）

隨著生活水平提高，人們對(duì)汽車顏色多樣化、個(gè)性化提出越來越多要求。導(dǎo)靜電涂料作為汽車外飾非金屬底材靜電涂裝過程中的重要一環(huán)，主要起著提高底漆噴涂效率和節(jié)能降耗的作用。

工業(yè)化的導(dǎo)靜電涂料依然以摻雜型為主，導(dǎo)電介質(zhì)有金屬粉、導(dǎo)電碳粉、石墨烯、導(dǎo)電碳管、導(dǎo)電鈦白粉、導(dǎo)電云母粉等。其中導(dǎo)電金屬粉(銅、鎳、銀等)因密度大、價(jià)格高、易氧化等原因而使用有限，主要用于電磁屏蔽(EMI)涂料(電阻＜1 Ω)中[1-3]。導(dǎo)電碳粉顏色深，著色力高，目前主要用來做黑色和深色的導(dǎo)電涂料[4-5]。石墨烯與導(dǎo)電碳管雖然同屬碳系顏料，但是其較大的長徑比與徑厚比在一定范圍內(nèi)導(dǎo)致著色力降低。筆者所做的大量實(shí)驗(yàn)表明，石墨烯或碳納米管與鈦白粉混合制備的導(dǎo)靜電涂料在靜電噴涂允許的條件(106Ω)下，L值(表示涂層黑白，其越大，白度越高)最高可以達(dá)到76，相比純鈦白粉的L值(如杜邦R-706的L值為92)還有很大差距。國內(nèi)使用的導(dǎo)電云母與導(dǎo)電鈦白粉一般包裹ATO(銻摻雜的二氧化錫)，由于生產(chǎn)條件的限制，單獨(dú)使用導(dǎo)電云母或?qū)щ娾伆追蹠r(shí)L值僅能做到82以內(nèi)。而因?yàn)檐嚿矸墙饘偌嗖捎煤谏郾?PP)+三元乙丙橡膠(ethylene-propylene-diene monomer，EPDM)材料，受限于白色漆在黑色底材上的遮蓋力，L值差距使得很多鮮艷的透明色涂料(如眾泰朝陽紅等)及淺色涂料(如日產(chǎn)汽車的珍珠白等)無法做到與車身一致。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，為達(dá)到與車身一致的要求，往往需要選擇昂貴的進(jìn)口原材料或增加施工工藝。

導(dǎo)電云母粉及導(dǎo)電鈦白粉為非碳系原料，是首選的淺色導(dǎo)電材料，目前主要用于地坪與原油貯罐防腐，這些應(yīng)用對(duì)產(chǎn)品的細(xì)度、電阻和顏色要求不高，導(dǎo)致國內(nèi)產(chǎn)品在白度、細(xì)度和電阻方面與國際頂級(jí)產(chǎn)品差距明顯[6-7]。因技術(shù)壁壘等原因，導(dǎo)電鈦白粉以日本石原公司的FTL-3000性能最為突出，導(dǎo)電云母粉則以德國默克公司的Iriotec 7320最為優(yōu)秀，這2個(gè)系列產(chǎn)品在同類產(chǎn)品中占有龍頭地位。而國內(nèi)產(chǎn)品一直在低端下游競爭，無法滿足高端要求。由于汽車涂料的價(jià)格相對(duì)較高，以往鮮有科研團(tuán)體關(guān)注導(dǎo)電填料這個(gè)領(lǐng)域。但在成本與環(huán)保的雙重壓力下，汽車噴涂企業(yè)均要求降低成本，提高油漆噴涂效率和降低施工工人的勞動(dòng)強(qiáng)度[8-10]。因此，開發(fā)新型導(dǎo)靜電涂料配方體系，替代國外產(chǎn)品，對(duì)汽車涂料行業(yè)降低成本，提高競爭力具有重要意義。本文主要探究了2種國內(nèi)導(dǎo)電云母粉和導(dǎo)電鈦白粉與國際同類產(chǎn)品添加到導(dǎo)靜電涂料中的綜合性能差異，為汽車噴涂廠降低成本提供參考。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1　原材料與儀器

導(dǎo)電云母粉：常州ECP-100C，德國Iriotec 7320，上海君江DC-D40。導(dǎo)電鈦白粉：常州ECF-3000C，日本FTL-3000，北京特寶ECP-TF1。丙烯酸樹脂，DIC公司；鈦白粉R-706，杜邦；分散劑BYK-110，BYK公司；膨潤土Bengel 818，海明斯；甲苯(工業(yè)級(jí))、二甲苯(工業(yè)級(jí))、鋯珠，市售。

Chf100A-1R5G-S2型分散機(jī)，深圳INVT electric公司；101-3BS電熱鼓風(fēng)干燥箱，邦西儀器科技(上海)有限公司；W-71空氣噴槍，IWATA公司。

1.2　涂料及其涂層的制備

按配方將丙烯酸樹脂與溶劑混合后攪拌均勻，并在攪拌狀態(tài)下加入分散劑、鈦白粉、膨潤土及導(dǎo)電介質(zhì)，1 500 r/min分散15 min后緩慢滴加甲苯和二甲苯，檢測細(xì)度。在涂料制備和預(yù)分散過程中，先加入約1/3的溶劑，原因是溶劑少，涂料黏度大，攪拌分散時(shí)剪切力大，有利于顏填料在樹脂中的均勻分散。當(dāng)分散一定時(shí)間后，把配方中剩余的溶劑滴加完畢，再在混合物中加入相同質(zhì)量份的鋯珠，2 000 r/min下研磨不同時(shí)間，檢測細(xì)度。

采用W-71空氣噴槍，在水簾房中將所制導(dǎo)靜電涂料噴涂在黑色PP平板上，噴涂壓力為1.2 kg/cm2，在60 °C下干燥5 min，測得干膜厚度約50 μm。

1.3　表征與性能測試

用標(biāo)格達(dá)BGD241單槽細(xì)度板測試涂料的細(xì)度。用美能達(dá)公司的CM-2500D型色差儀測量涂層的顏色(a和b)以及白度L。用BYK公司的4446型便攜式光澤儀測量涂層的60°光澤。采用SL-030表面電阻測試儀測試涂層的電阻。

2　結(jié)果與討論

2.1　采用不同導(dǎo)電鈦白粉制作的導(dǎo)靜電涂料的性能對(duì)比

按照表1所列配方制備的3種含不同導(dǎo)電鈦白粉的涂料在不同研磨時(shí)間下與R706對(duì)照涂料的基本性能對(duì)比見表2?？梢妵a(chǎn)ECF-3000C的綜合性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國內(nèi)常規(guī)產(chǎn)品，完全達(dá)到了FTL-3000的指標(biāo)，特別是在白度方面，與純鈦白涂料非常接近(見圖1)。在相同情況下，研磨60 min后，其所制涂層的L、a、b與日本石原FTL-3000的L、a、b基本一致，電阻都為0.5 × 106Ω，研磨60 min后均增大到2.0 × 106Ω，這主要是研磨過程中ATO脫落所致。

表1　用不同導(dǎo)電鈦白粉制備導(dǎo)靜電涂料的配方Table 1　Formulations of static conductive paints using different types of conductive titania

表2　研磨時(shí)間對(duì)不同導(dǎo)電鈦白粉制備的導(dǎo)靜電涂料基本性能的影響Table 2　Effect of grinding time on basic properties of the static conductive paints prepared with different types of conductive titania

圖1　不同導(dǎo)電鈦白粉制備的導(dǎo)靜電涂料的涂膜照片F(xiàn)igure 1　Photo showing the cured films of static conductive paints prepared with different types of conductive titania

2.2　采用不同導(dǎo)電云母制作的導(dǎo)靜電涂料的性能對(duì)比

按照表3配方體系制備3種不同的導(dǎo)靜電涂料，其涂層的性能見表4。用ECP-100C所制涂層的細(xì)度和電阻這2項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)與使用默克公司Iriotec 7320所制涂層一樣，白度更是遠(yuǎn)優(yōu)于國內(nèi)同類產(chǎn)品(見圖2)。

表3　用不同導(dǎo)電云母粉制備導(dǎo)靜電涂料的配方Table 3　Formulations of the static conductive paints using different types of conductive mica powder

2.3　研磨對(duì)性能的影響

因?yàn)閷?dǎo)電云母粉和導(dǎo)電鈦白粉的結(jié)構(gòu)都是在惰性材料表面包裹一層ATO，但在高速研磨的情況下ATO會(huì)脫落，從而喪失導(dǎo)電性，所以制備導(dǎo)靜電涂料時(shí)不能長時(shí)間研磨。國產(chǎn)原料的細(xì)度大，要砂磨之后才能應(yīng)用，但砂磨對(duì)電阻的影響不易控制，這是使用國產(chǎn)原料的一大限制因素。而進(jìn)口原料在細(xì)度方面一般控制得較好，即使不研磨，細(xì)度也在20 μm以下，從而保證了導(dǎo)電性能在實(shí)際應(yīng)用中的穩(wěn)定性。

2.4　實(shí)際應(yīng)用

上述產(chǎn)品在汽車非金屬表面靜電涂裝的實(shí)際量產(chǎn)中使用的過程中，表干電阻值、施工性、耐水泡等相關(guān)性能完全滿足客戶要求。近純白色為面漆的顏色選擇提供了廣闊的空間，并可以降低中間漆的膜厚，減少能耗與成本，具有很好的市場前景。圖3顯示了采用國產(chǎn)導(dǎo)電填料制備的導(dǎo)電底漆的實(shí)際應(yīng)用情況。

表4　研磨時(shí)間對(duì)不同導(dǎo)電云母粉制備的導(dǎo)靜電涂料基本性能的影響Table 4　Effect on grinding time on basic properties of the static conductive paints prepared with different types of conductive mica powder

圖2　不同導(dǎo)電云母粉制備的涂料的涂膜照片F(xiàn)igure 2　Photo showing the cured films of static conductive paints prepared with different types of conductive mica powder

圖3　不同國產(chǎn)導(dǎo)電填料制備的涂料在現(xiàn)場涂裝時(shí)的照片F(xiàn)igure 3　Photos showing the spraying procedure in production line when using the paints prepared with different domestic conductive fillers

導(dǎo)電云母的遮蓋力比導(dǎo)電鈦白粉的差，前者白度始終不及后者，但由于結(jié)構(gòu)上的差異(云母粉為片狀，導(dǎo)電鈦白粉為針狀)，導(dǎo)電云母的價(jià)格更為低廉，通過合理的搭配，可以大大減少針狀導(dǎo)電鈦白粉的使用，從而降低成本。

3　結(jié)論

利用丙烯酸樹脂作為主要成膜物質(zhì)，通過添加國產(chǎn)導(dǎo)電填料制備了導(dǎo)靜電涂料。所制得的涂料在細(xì)度、電阻等關(guān)鍵指標(biāo)上達(dá)到與國外競品相同的級(jí)別，完全滿足車身非金屬件用白色導(dǎo)靜電涂料的性能要求。

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