一种轻质高导电性涂料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及高分子材料领域，具体涉及一种高导电性涂料，是由导电微球与高分子粘合剂组成，其中：导电微球与高分子粘结剂的比例为体积比1:2至2:1，所述的导电微球为镀银或铜的导电微球。本发明专利技术可最大限度地接近碳纤维增强复合材料的密度，而不会增加复合材料产品的额外重量；而表面电阻率性则低达0.01Ω/平方，导电性不低于铜粉填料的导电涂料，可以防雷击和消除静电对电磁波的干扰。本发明专利技术可用于由复合材料制造的飞机、高速火车、无人机、风力发电机叶片、汽车上的复合材料的表面涂层，有效解决现有的商业化导电涂料并不是非常适用于此类产品涂层的问题。

A light high conductivity coating and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种轻质高导电性涂料及其制备方法和应用
本专利技术涉及高分子材料领域，具体涉及一种可用于由复合材料制造的飞机、高速火车、无人机、风力发电机叶片、汽车上的复合材料的表面涂层的高导电性涂料及其制备方法和应用。
技术介绍
纤维增强复合材料具有强度高、重量轻、耐腐蚀等优点，如玻璃纤维、玄武岩纤维、特种高分子纤维、碳纤维等，被广泛应用于制造复合材料，并被普遍采用在飞机、高速火车、汽车、机械结构等领域。尤其是对一些重量敏感的应用，如飞机、无人机等航空器，重量轻的特点使复合材料体现了特别的优势。如碳纤维增强复合材料（CFRC）的密度为1.5—1.8g/cm³，与之对应的铝合金的密度则达2.7g/cm³。这使得了CFRC被越来越多地采用于新一代飞机制造，以降低机体的重量，从而达到节省燃油的目的。随着可预期的燃料价格提高和降低碳排放的要求，更多复合材料在交通运输中应用成为发展的趋势。然而，以树脂为基础的纤维增强复合材料，与金属材料比较，有一个显著的特征，是对电绝缘。传统的铝合金具有良好的导电性，其导电率为~3.6×107S/m。碳纤维复合材料是纤维复合材料中导电性最好的，但仍很低。如碳纤维增加的环氧树脂复合材料，其导电性为~1.38×103S/m。低的导电性能使得它在飞机机体的应用面临受雷电电击，造成机体破坏的风险，甚至坠机事故。此外，不良导体会使静电聚集，而对电磁波产生干扰，而影响通讯及导航。静电放电而产生的电火花，会引起火灾等一系列安全隐患。这就使得在应用碳纤维复合材料在飞机制造中如何设计机体，增加机体的导电性，成了一个重要的课题。特别是针对雷击风险，在使用碳纤维复合材料，必须设计出能够传导足够大量电流的机体。据估计，FAA认证的商用飞机每年会有两次遭到雷击，在大的雷击事件中，飞机必须有传导200000安培/毫秒以上的能力。如果没有适当的电流传导途径，则会导致机械损伤，材料热分解及电子元件损伤等。此外与雷击相关的如电晕、光流、电流会持续地存在于雷击前后。在飞行过程中，可导致静电的累计而产生电磁影响，如通讯及导航。静电可来源于空中颗粒，如雨与雪对机体的撞击（即摩擦生电），或者是液体和燃料的流动。静电除了对电子装备的影响外，严重时可以产生火花而引起火灾或爆炸隐患。目前，使用碳纤维复合材料的飞机，通常在复合材料表层加入铜或者铝网来增加导电性，这种技术可以使电流从机体的表面分散电流而不深入机体内部，有效地应对雷电或静电对飞机的损伤及通讯干扰。但铜的密度高达8.96g/cm³，金属网会使复合材料层重量增加很多，如此会使碳纤维复合材料轻质的优势大打折扣。正是这一原因，金属网在复合材料的使用也仅限于一些关键部位，如易受雷击或易受电磁波干扰的部分。即使如此，机体总体重量大幅增加也在所难免。此外，由于金属网埋入复合材料中，一旦发生损伤，复合材料的整体部件必须加以更换。其修复成本和时间将会巨大。一种更有效规避雷击和静电影响的方法，就是在机体表面涂上一层导电涂层。由于涂层处于表面，当雷击时，表面涂层可能会受到损伤，而修复时，仅需重新更换涂层而无需更换整体部件。修复的费用和时间都可以大幅降低。现在商业化的导电镀层通常为银粉或铜粉填充的环氧树脂、丙烯酸树脂、酚醛树脂、聚酰亚氨树脂、有机硅树脂、或聚氨酯树脂等涂料。金属粉填充的环氧树脂涂料一般在0.05毫米厚度时可达到约0.1Ω/平方低电阻率。但金属粉的含量需要大于50%体积比，如此一来，涂层的密度会高达约5g/cm³，这会导致飞机总机重量增加很多。从另一方面而言，复合材料的轻量效果会大受影响。此外，高金属粉填充比会导致涂层的粘结性能与机械性能受损。这可能会导致镀层不符合航空飞行的最低规范要求。因此现有的商业化导电涂料并不是非常适用于飞机涂层。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的缺点和不足，本专利技术的目的是提供一种能给出足够高的导电能力，且具有相对低的密度和足够高的粘结力及机械强度的导电涂料，并提供该导电涂料的制备方法。具体说来，专利技术人提供如下的技术方案：首先专利技术人提供了一种轻质高导电性涂料，由导电微球与高分子粘合剂组成，其中：导电微球与高分子粘结剂的比例为体积比1:2至2:1，优选的范围可以在0.7/1-1/0.7之间，但并不限于所列举的范围；所述的导电微球为经下列步骤而制成的镀银或铜的导电微球，即高分子微球→多胺表面修饰→微球表面载体在催化剂活化→化学镀表面镀金属薄层→滚镀金属厚层。理想的导电镀层需要给出足够高的导电能力、相对低的密度和足够高的粘结力及机械强度，此类理想的导电涂料一直以来都是从事这方面研究的各国科学家追求的目标。本专利技术在此给出了制备这种理想导电涂料的方案。首先制作一种均匀的微米大小的高分子微球，微球表面拥有合适的官能团；再对微球表面作进一步处理后，使这种微球成为能够被化学镀的活化基球；活化基球再经过化学镀或/和电滚镀后，被镀上一层合适厚度的铜或银镀层后，即成导电微球——颗粒分布均匀的表面镀铜或银的高分子微球。再将导电微球与环氧树脂、聚丙烯酸树脂、酚醛树脂、聚酰亚氨树脂、有机硅树脂、聚氨酯树脂等高分子树脂，以适当的比例混合后，即可制成轻质高导电性涂料。一般选用直径为3-10微米的高分子微球作为基球，于基球表面镀覆100～300纳米金属层制成导电微球。举例：高分子基球的密度为1.05g/cm³，以5微米镀上200纳米铜镀层为例，其镀后的导电微球密度为2.68g/cm³。当导电微球与树脂以体积比为1:1混合配制成导电涂料后，其涂料的密度为1.85～2.0g/cm³。以此制作的导电涂料可以达到与铜粉填充的树脂涂料导电性相当，而密度却仅为铜粉填充的树脂涂料的40%左右。所以，本专利技术的轻质高导电性涂料能最大限度地接近碳纤维增强复合材料（CFRC）的密度，而不会增加应用产品如飞机的额外重量。作为优选，本专利技术中的高分子微球为高交联度的共聚高分子，共聚物组成包括由二乙烯苯、苯乙烯、氯甲基苯乙烯、（甲基）丙烯酸酯或马来酸酐单体聚合而成。导电基球为高交联度的共聚高分子组成，交联度大于20%，理想的交联度为50%以上。共聚高分子中含有苄基氯基、苯乙烯基、（甲基）丙乙烯酸基、马来酸酐基等活性官能团。共聚高分子微球的其他单体可以是二乙烯苯、苯乙烯等非活性官能团的单体，微球上的活性基团可以与多胺化合反应而形成多胺修饰的微球，多胺化合物为线性或分支多胺，可以是乙二胺、丙二胺、二乙基三胺、三乙基四胺、四乙基五胺、三（2-氨基乙基）胺及低分子量聚乙烯亚胺（PEI）等，以三胺或三胺以上的多胺化合物更为理想。作为更优选，本专利技术中的高分子微球的二乙烯苯含量在20%～90%之间。作为优选，本专利技术中的高分子粘结剂包括并不限于环氧树脂、丙烯酸树脂、酚醛树脂、聚酰亚氨树脂、有机硅树脂或聚氨酯树脂等。本专利技术中的高分子微球镀金属前的颗粒粒径在1微米～10微米，作为优选，颗粒粒径在3微米～8微米，最为优选，选颗粒粒径在4微米～6微米。粒径分布变异系数小于20%，作为优选，粒径分布变异系数小于10%，最为优选，粒径分布变异系数小于4%。作为优选，本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种轻质高导电性涂料，由导电微球与高分子粘合剂组成，其特征在于：导电微球与高分子粘结剂的比例为体积比1:2至2:1；所述的导电微球为经下列步骤而制成的镀银或铜的导电微球，即高分子微球→多胺表面修饰→微球表面载体在催化剂活化→化学镀表面镀金属薄层→滚镀金属厚层。/n

【技术特征摘要】
1.一种轻质高导电性涂料，由导电微球与高分子粘合剂组成，其特征在于：导电微球与高分子粘结剂的比例为体积比1:2至2:1；所述的导电微球为经下列步骤而制成的镀银或铜的导电微球，即高分子微球→多胺表面修饰→微球表面载体在催化剂活化→化学镀表面镀金属薄层→滚镀金属厚层。


2.如权利要求1所述的一种轻质高导电性涂料，其特征在于，所述的高分子微球为高交联度的共聚高分子，交联度大于20%，共聚物组成包括由二乙烯苯、苯乙烯、氯甲基苯乙烯、（甲基）丙烯酸酯或马来酸酐单体聚合而成。


3.如权利要求1所述的一种轻质高导电性涂料，其特征在于，所述的高分子粘结剂包括环氧树脂、丙烯酸树脂、酚醛树脂、聚酰亚氨树脂、有机硅树脂或聚氨酯树脂。


4.如权利要求1所述的一种轻质高导电性涂料，其特征在于，所述的高分子微球镀金属前的颗粒粒径在1微米～10微米，粒径分布变异系数在1%～20%之间。


5.如权利要求1所述的一种轻质高导电性涂料，其特征在于，所述的镀银或铜的导电微球的镀层厚度为20纳米～500纳米。


6.如权利要求1所述的一种轻质高导电性涂...

【专利技术属性】
技术研发人员：张竟，郑国栋，郑争，
申请(专利权)人：台州天舒新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33