醇溶性EMI导电涂料配方的设计.doc

醇溶性EMI导电涂料配方的设计伴随着科技的发展和廉价的高性能的塑胶材料面世，电子科技产品开始大量采用轻便的塑料壳体作为外壳，塑料壳体容易产生静电和滞电现象，造成射电频率干扰或电磁场干扰、无线电噪声干扰，因此要求这些壳体表面导电或接地，针对这一问题，屏蔽用导电涂料应用逐渐广泛起来。导电涂料实际上是防静电涂料的一种特例，导电涂料通常含有大量的铜粉或炭黑，或是镍、铝、钼、银等金属粉。从1996年开发的镍、铜第一代溶剂型导电涂料至今，导电涂料经过了银、银铜第二代溶剂型导电涂料的发展并过渡到了第三代醇溶性导电涂料。醇溶性EMI导电涂料配方的成熟为导电涂料由溶剂型体系向水性体系发展的过渡做好了准备。这里结合相原理对醇溶性EMI导电涂料的生产、储存以及成膜进行讨论。 1 实验部分 1.1 导电涂料的制备 1.1.1 导电涂料的配方 醇溶性丙烯酸(美国)：15%；辅助树脂(美国)：3%；导电填料(美国)*：31%；异丙醇(中国)：40%；H2O(中国)：10%；改性蜡(美国)：1%。(以上数据为质量百分含量) *本配方中的导电填料选用平均粒径为12-18micron的银包铜粉。 1.1.2 导电涂料的生产工艺 (1)先将异丙醇和H2O按配方比例混合均匀；(2)将配方中的醇溶性丙烯酸和辅助树脂缓慢加入到(1)中；(3)将(2)中的混合液体置于50的条件下充分搅拌30-40min，使(2)中添加的树脂完全溶解成无色透明的有机载体；(4)将改性蜡按配方添加量加入(3)的有记载体中，置于50的条件下充分搅拌5min左右使其完全溶解；(5)将导电填料按配方比例在中速搅拌下加入(4)所述的载体中，使粉体与载体充分混合形成相对稳定的化学体系。 1.2 导电涂料的施工 1.2.1 导电涂料的涂装 用异丙醇或乙醇清洗素材表面，然后以1份涂料：0.7份稀释剂开油，喷涂于素材上，并在50条件下烘烤15-20min。在喷涂的过程中，经常性地搅拌涂料，将沉底的导电填料搅起。 1.2.2 涂膜的物理性能 涂膜的物理性能列于表1。表1 涂膜的物理性能表面电阻涂膜厚度20-35micons时，表面电阻0.6-1.0(测量距离10cm)附着力测试通过国家标准测试法GB/T9286-1998(ISO2409：1992)附着力标准测试 2 结果与讨论 2.1 配方的设计原理 将涂料视为一个系统。由相原理可知：只要在生产和储存过程中我们所建立的系统处在单一均匀的液相(相平衡状态)之中即保证体系具有良好的混溶性，就能避免出现因混溶性不佳而引起的涂料弊病。当漆膜干燥成膜时，系统原有的相平衡被打破，涂料系统由液相转变为固相与气相。由相原理及反应动力学可知：提供合适的条件和持续的反应动力可保证相变快速顺利地进行，并降低可逆相变给漆膜带来的不良影响。将涂料系统划分为两个有明显相特征的阶段讨论：生产与储存处在相平衡阶段和涂料成膜时处在相变化阶段。在配方设计时，通过相率确定所建立的系统中的自由度数，是很好的控制系统维持项平衡或发生相变的关键。 配方中使用的树脂在溶解性方面具有相似的物理性能，见表2，所以将其作为树脂混合体讨论。树脂混合体(或称为混合树脂)、异丙醇和H2O三个组分相互之间存在这样的关系：树脂混合体溶于异丙醇；H2O溶于异丙醇；树脂混合体不溶于H2O。由存在着这互溶和互不溶关系的三个组分形成的系统中，就可以存在着相平衡，同时也会发生相分离的物理相反应；同时三个组分也可视为构成了三组分系统中一对液体部分互溶的液-液系统。 结合三组分体系液-液平衡等温相图中会有一个临界点(临界含量)的理论，通过计算可以得到我们确立的相平衡系统中当异丙醇的含量在临界含量之上时自由度数为1。而小于临界含量时体系发生持续相分离。异丙醇的持续挥发是体系发生相分离的动力。 2.2 原材料的选用 2.2.1 树脂的选择 由于单体的选用和加工工艺的不同，市场不同厂家不同牌号的醇溶性丙烯酸树脂用水的稀释程度不同，这里借用硝酸纤维素体系中溶剂对稀释剂的容忍度(稀释比值)定义醇溶性树脂体系下醇类溶剂对水的容忍度：100g 20%异丙醇稀释的树脂溶液在保持溶液澄清的情况下可添加最大的H2O的重量。尽量选择令体系对H2O容忍度大(即稀释比值大)的树脂，这有利于配方的调整，在漆膜成膜时形成三相体系。配方中选用的醇溶性树脂和辅助树脂都是有比较大的稀释比值。 辅助树脂的添加量不大，主要作用是在导电涂料的生产时增加树脂体系的稳定性，成膜时提高漆膜的物理性能。在挑选时同样应该选择对水容忍度比较大的品种，这样可保证配方体系的一致性。 在测试完树脂对水的容忍度后，测试体系中树脂与助剂、树脂之间的混溶性也相当重要。在生产与储存过程中体系良好的混溶性是产品质量的保证；而干膜体系中树脂与助剂、树脂之间的混溶性不良易导致导电率的不良。由于醇类溶剂的机型比较强，而溶解力相对较弱，所以与溶剂体系相比在醇溶性体系中混溶性不良的情况会更易出现，所以在确定配方材料前测试树脂与助剂、树脂之间的混溶性是相当必要的。 混溶性的测试分两部分：(1)在生产与储存过程中，有醇类；溶剂存在情况下体系的混溶性。(2)干膜体系的混溶性。 首先分别对醇溶性丙烯酸树脂、辅助树脂和改性蜡单独进行溶解试验。见表2。 另做配方成分间的混溶实验，分别将用异丙醇溶解的20%的醇溶性丙烯酸树脂、辅助树脂和改性蜡两两混合，都可以得到均匀透明清澈有机载体。 再将用异丙醇分别溶解的20%的醇溶性热塑性丙烯酸树脂、辅助树脂和改性蜡等量混合，得到均匀透明清澈有机载体，将在该有机载体中添加10% H2O稀释，载体依然均匀透明清澈。 最后，将用异丙醇分别溶解的20%的醇溶性热塑性丙烯酸树脂、辅助树脂和改性蜡等量混合得到的均匀透明清澈有机载体放入50恒温烤炉中，每隔10min取出称量，并观察外观。结果见表3。 由表中三组实验可以得到这样的结论：在异丙醇作为溶剂时，这三项成份混合可形成均一的有机载体，而该体系用10%的H2O稀释不影响体系的混溶性。该体系的异丙醇含量下降到一定比例时，三项成分会形成均匀的固体相析出。本实验配方设计是将相分离理论和反应动力学原理应用在成膜过程中，发生相分离后会出现不同的相存在的情况，并非所有的相分离结果都是配方设计时所希望的。由于生产工艺及改性基团不同，市场上并非所有醇溶性丙烯酸树脂都会发生配方中所提及的明显的液固相明显分离固相收缩物理反应。所以测试作为主体树脂的醇溶性丙烯酸树脂在高出水容忍度后体系的状态是必要的。具体实验方法：(1)用异丙醇溶解成20%固含的树脂溶液；(2)用水稀释至溶液不再澄清(稀释过程不断用低剪切力搅拌测试体系)；(3)计算已添加水的总量，并在此体系中再加入1/3已添水总量的水，使用低剪切力搅拌体系10min。 表2 溶解性测试结果异丙醇溶解，透明清澈有机载体溶解，透明清澈有机载体溶解，浅黄色清澈有机载体H2O完全不溶解完全不溶解完全不溶解异丙醇:H2O(90:10)溶解，透明清澈有机载体溶解，透明清澈有机载体溶解，浅黄色清澈有机载体异丙醇:H2O(70:30)部分溶解，部分呈树脂胶团析出部分溶解，部分呈树脂胶团析出溶解，浅黄色清澈有机载体异丙醇:H2O(50:50)部分溶解，部分呈树脂胶团析出，且有不溶颗粒存在部分溶解，部分呈树脂胶团析出，且有不溶颗粒存在部分溶解，呈浅黄色溶液，且有不溶颗粒存在表3 混合树脂的混溶性结果03020均匀透明清澈的牛顿流体1016.835.7均匀透明清澈的牛顿流体，体系粘度升高208.372.3均匀透明清澈的固体307.580均匀透明清澈的固体406.789.5均匀透明清澈的固体506.296.7均匀透明清澈的固体606.296.7均匀透明清澈的固体 分别用配方选用样品和非配方样品作对比实验，见表4。表4 相分离后状态实验结果(g)配方选用树脂样品12.6树脂成团析出，有明显的两相分离，固相收缩OK非配方选用的样品6.8呈乳白色胶状体系，目视无明显两相分离NG 2.2.2 溶剂的选择 实验配方中选用异丙醇作为溶剂的主载体是因为它有比较合适的挥发速率和对体系良好的溶解性，这些已在上述中讨论。稀释剂也选用异丙醇是为了简化实验体系，更好地分析相原理在其中的作用。在实际的应用中，在喷涂时使用的稀释剂是工业乙醇。由于工业乙醇与异丙醇在溶解性方面有大致相同的物理性能，在成膜时可起到与异丙醇相同的作用。其次，工业乙醇的挥发速率比异丙醇更快，在相分离时产生的动力作用更明显。另外，使用工业乙醇代替异丙醇，可降低涂装的成本。在使用工业乙醇时需要注意的是涂装气压要适当减小保持在0.2-0.3MPa会有比较好的效果。另一个需要注意的方面是作为稀释剂的添加量，这可以通过实验得到比较合理的数据。一般来说，工业乙醇的稀释量会比用异丙醇的大。本实验的配方如果换成工业乙醇稀释，稀释比为1：1。另外，体系中溶剂的表面张力的调整也非常重要，这对导电涂料涂装后的涂布效果影响非常明显。这方面的调整可根据涂装环境的实际情况以及结合有经验的配方工程师的建议来进行。2.2.3 H2O的选择H2O必须选择纯净水，否则水中的碱性杂质可与导电填料(银包铜)发生化学反应，将铜反应成碱式碳酸铜(俗称铜绿)，影响涂料的储存性。分别选用纯净水和自来水作出储存实验：前者90d外观无明显变化，后者14d后开始出现明显的铜绿。 2.2.4 改性蜡的添加 改性蜡是作为辅助助剂添加。成膜后可提高漆膜的耐磨性。使用时测试与主体树脂的混溶性，以及对水的容忍度和混溶性即可。 2.2.5 导电填料的选择 选择比重和平均粒径较小的导电填料有利于导电涂料的施工与成膜。导电填料本身的导电性能决定了涂料成膜