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分散剂对碳纳米管导静电涂料性能的影响
张 涛，刘海峰，李 军，张晓红 （ 武汉材料保护研究所，湖北武汉 430030）
0 引言
导静电涂料是随着石油化工领域为消除油品储运过程中静电危害而兴起的功能性涂料。目前国内外研究比较多的导静电涂料主要使用的导电填料为金属系、碳系或金属氧化物系，这些导电填料存在添加量大、防腐性能和导电性能不能兼顾、对油品有污染等问题，这使得对于新型导电填料的开发很有必要。碳纳米管自从1991 年被S.Iijima发现以来，其典型的一维纳米结构、巨大的长径比、层状石墨烯结构，都使得它具有了很多特殊的性能。碳纳米管中离域电子能在单层石墨烯中沿轴向传播，因而具有很好的电学性能。在聚合物中添加少量的碳纳米管，就可以使其具备很好的导电性能，不仅达到防静电的效果，而且能够提高涂层的机械性能。如何使碳纳米管在聚合物中均匀分散是碳纳米管应用中很关键的问题。碳纳米管分散状态的好坏直接影响由其制备的导静电涂料的性能，分散状态好，碳纳米管在涂膜中能形成很好的导电网络；相反，碳纳米管集聚成团，不能很好连接，涂膜的导电性能就差。通过共价功能化的方法来实现碳纳米管的分散和溶解。破坏长纤维纠缠黏结状态、克服团聚体强吸附力、稳定碳纳米管的分散状态，是得到均匀分散的碳纳米管要满足的三个条件。碳纳米管壁上有许多缺陷，通过物理或化学作用可以从缺陷处断开碳纳米管，把碳纳米管剪短，从而去除长纤维纠缠黏结状态。选择合适的介质可以稳定碳纳米管的分散状态。在碳纳米管中添加分散剂进行分散，然后添加在树脂中，研究了分散剂对碳纳米管的分散性能及制备的导静电涂料的性能的影响。
1 实验部分
1.1 原材料及仪器
原料：有机硅预聚体，自制；环氧树脂E-20，山东天茂化工有限公司；多壁碳纳米管，南京吉仓纳米科技有限公司；十八醇，国药集团化学试剂有限公司；十二烷基苯磺酸钠，上海化学试剂厂；Disponer 983，德谦化学有限公司。
仪器：超声波分散仪，高阻计等。
1.2 碳纳米管处理及导静电涂料的制备
1.2.1 碳纳米管的处理 取一定量碳纳米管置于浓硝酸中，回流，用微孔滤膜进行抽滤，然后用蒸馏水洗涤至中性，置于烘箱中烘干，备用。
1.2.2 预聚体的制备 将有机硅预聚体、E-20、催化剂和溶剂按一定比例添加到反应装置中，搅拌，升温至160℃，用油水分离器分离有机溶剂，保温一定时间，备用。
1.2.3 导静电涂料的制备
将处理后的碳纳米管、溶剂和分散剂按比例混合，静置一段时间，然后将其与其他助剂、颜填料等一起加入到预聚体中，超声波分散30 min，使其混合均匀。按一定比例将固化剂加入上述混合物中，制得导静电涂料。
2 结果与讨论
2.1 碳纳米管的酸化处理
多壁碳纳米管的杂质种类较多，主要有金属颗粒、无定形碳、石墨碎片等。本实验用硝酸氧化法来纯化处理碳纳米管。用SEM（扫描电子显微镜）来表征碳纳米管纯化前后的差异，结果如图1 所示。处理前的碳纳米管的颗粒大小不均匀，杂质比较多；经过酸化处理后，碳纳米管的颗粒大小均匀，杂质较少。
 2.2 碳纳米管及其他导电填料对导静电涂料性能的影响 制备了没有添加导电填料的试板，与添加了一定含量的碳纳米管、铜粉、银粉和导电云母粉的试板进行对比实验，导电填料的添加量以基体树脂为基准，结果见表1。由表1 结果可知，在添加了导电填料后，涂膜的表面电阻最少下降了两个数量级；在同样添加量的铜粉、银粉和碳纳米管的情况下，碳纳米管的导电性能十分优越；在导电性能差不多的情况下，导电云母粉的添加量远大于碳纳米管的添加量，说明了碳纳米管作为导电填料有十分明显的优势。
 2.3 不同分散剂对导静电涂料性能的影响
选取三种分散剂——十二烷基苯磺酸钠（SDBS）、十八醇和Disponer 983，研究其用量对碳纳米管导静电涂料的涂膜性能的影响，结果分别见表2~4。
  由表2~4 可知，随着分散剂添加量的增大，涂膜的导静电性能提高；分散剂用量达0.5% 后，再添加分散剂，涂膜的导静电性能变化不大，这说明碳纳米管在涂膜中的导电网络已经比较完善，分散剂用量的增加对于导电通道的影响已很小。三种分散剂中，Disponer 983 的分散性能最好，仅0.2% 的用量就能使涂膜的表面电阻率达到3×108 Ω ；十八醇和Disponer 983 的添加量分别为2% 时，涂膜的力学性能和导静电性能较好。
2.4 分散剂复配体系对涂膜性能的影响
选用十八醇用量1%、2% 和Disponer 983 用量2%、4% 作为分散剂复配体系的添加量，考察其对涂膜性能的影响，结果见表5。
 由表5 可见：分散剂复配体系对于导静电涂料的力学性能有改善，柔韧性和耐冲击性提高；1% 十八醇和2% 的Disponer 983 复配时，涂膜导静电性最优，表面电阻率达到1×108 Ω。这是由于十八醇和Disponer 983 分属非离子表面活性剂和油性分散剂，在不同的相体系中，分别对碳纳米管的分散发挥了作用，因此复配后体系的导静电性能提高。
3 结语 （1） 硝酸酸化处理碳纳米管能有效去除其中的杂质，而且能使其颗粒均匀。
（2） 与铜粉、银粉和导电云母粉相比，碳纳米管作为导电填料有十分明显的优势。
（3） 分散剂对涂层的导静电性能有很大影响，1% 十八醇和2% Disponer 983 复配时，涂膜的导静电性最优，表面电阻率达到1×108 Ω。 |
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