单壁碳纳米管防静电环氧自流平地坪涂料的研制
0前言
即使是最细微的移动，也会产生并累积静电。地坪由于经常受到摩擦容易积聚大量静电荷，从而妨碍生产过程和影响产品质量，严重时则引起火灾、爆炸等事故。防静电地坪涂料能赋予地坪导电性以消除静电的危害，因而近年来被广泛应用于电子、微电子、通讯、精密仪器、计算机、航空航天以及军事等高新技术行业领域。随着环保法规的日趋严格，无溶剂防静电自流平型环氧地坪涂料更因美观、综合性能好等优势成为防静电地坪涂料的主打产品。
防静电地坪涂料属于功能涂料，是在涂料中添加导电填料，通过导电填料之间彼此接触产生“导电通道”，形成连续导电网络，或者彼此靠近，由于“隧道效应”，电子越过势垒，形成电子流通网络。导电填料通常采用导电碳纤维、金属填料、石墨粉、导电云母等，要使其形成导电链，需要充足的填充量。但填充量过大而导致分散困难，自流平厚涂沉降甚至导电填料分布不均，以及涂料面层观感破坏。
碳纳米管由于量子效应、尺寸效应、表面效应和量子隧道效应等本征特性而具有优异的导电性能。利用碳纳米管优异导电性而被广泛应用研究，但纳米材料不易分散的特性成为其实用化的障碍。实验采用改性单壁碳纳米管作为自流平涂料的导电填料，开发出具有优异防静电性能的防静电环氧自流平地坪涂料。
1 实验部分
1.1 主要原材料
改性单壁碳纳米管(定制)，环氧固化剂(Ancamine2883，空气产品)，树脂(GELR128，)，活性稀释剂(AGE)，流平剂(BYK333)，消泡剂(BYK055)，填料。
1.2 单壁碳纳米管防静电环氧自流平涂料制备
使用环氧树脂GELR128分批稀释单壁碳纳米管，并高速搅拌(1 200 r/min)分散。待检查分散均匀后，依次加入流变剂、消泡剂等助剂，中速搅拌(600 r/min)均匀后加入填料高速(1 000 r/min)分散，再加入色浆调色，搅拌分散均匀即可。单壁碳纳米管防静电环氧自流平涂料典型配方见表1。
Table 1 Typical Formula of Single-walled Carbon Nanotube Anti-Electrostatic Self-leveling Epoxy Floor Coatings
注：环氧自流平地坪涂料双组分配比：m[甲组分(环氧固化剂)]∶m(乙组分)=1∶5。
1.3 防静电环氧自流平地坪涂料的制备
采用常规防静电地坪涂料施工工艺进行基面处理，防静电底涂，导电铜箔(网)，防静电自流平面涂的施工工艺进行。施工工艺流程描述见表2。
Table 2 Process of Application of Single-walled Carbon Nanotube Anti-Electrostatic Self-leveling Epoxy Floor Coatings
1.4 测试方法
测试仪器：ACLMODEL385型电阻测定仪(美国ACL公司)。
测试标准：SJ/T 11294—2018《防静电地坪涂料通用规范》。
2 结果与讨论
2.1 填料类型
采用不同的导电填料对环氧自流平进行填充改性。表3为采用导电粉[7]，以及导电碳纤维和单壁碳纳米管填充改性环氧自流平涂料后，经环氧自流平施工成型的涂层防静电性能。导电粉采用四针状ZnOw和导电云母的复合导电粉，为了达到比较理想的防静电状态，需要填充20%(四针状ZnOw用量，质量分数，后同)以上。而导电碳纤维达到相同的防静电性能，只需要1%左右，单壁碳纳米管能更少至0.1%左右。
根据防静电涂料导静电机理，采用大填充量导电粉将在导电填料之间彼此接触产生“导电通道”，从而形成连续导电网络。而导电碳纤维以及单壁碳纳米管如此少的量，只有通过“隧道效应”，形成电子流通网络。而单壁碳纳米管的本征特性使其隧道效应更为明显有效。因此采用更少量单壁碳纳米管能获得较好的防静电性能。同时，大填充量填料具有微观沉降、凝聚等问题，因此会对自流平涂料防静电均匀性以及外观方面有不可忽视的影响。
Table 3 Anti-electrostatic Properties of Self-leveling Epoxy Floor Coatings with Different Conductive Fillers
注：1)SJ/T 11294—2018《防静电地坪涂料通用规范》。2)四针状ZnOw尺寸典型值。
2.2 单壁碳纳米管用量
大填充量导电粉将明显影响到环氧涂料的各种性能。而单壁碳纳米管由于本征特性而具有极少量起到大作用的效果。图1是单壁碳纳米管填充量对其防静电性能和涂料黏度的影响。由图1可见，采用极少用量(<0.5%，质量分数，后同)就可以很明显将环氧自流平的防静电性能改进到要求范围。当用量>1%后，其防静电性能提高并不是很明显，这更充分说明单壁碳纳米管的导电机理是隧道效应而不是接触式的导电通道效应。在单壁碳纳米管<1%用量时，对体系黏度影响也不明显，而随着用量增加到2%以后，将会显著使涂料黏度增加。因此，采用<0.5%用量的单壁碳纳米管将能到达优良的环氧自流平防静电性能，而对环氧自流平本身黏度等性能没有影响。由单壁碳纳米管高填充量对黏度的影响，不难看出更高填充量的导电粉将严重影响环氧自流平涂料的黏度，从而影响其施工性能。
图1 单壁碳纳米管掺入量(w/%)对环氧自流平地坪涂料电阻及(树脂份)黏度的影响
Fig.1 The Influence of SWCNTs Content(w/%)on the Resistivity and(Resin Content)Viscosity of Self-leveling Epoxy Floor Coatings
2.3 单壁碳纳米管填料对环氧自流平涂料的影响
环氧自流平涂料由于其具有流平性，使得其施工成型后的涂层光泽饱满、平整、表面光滑，在地坪领域有重要的应用。通过加入导电填料使环氧自流平更具有防静电功能而得到广泛关注。通过大填充量导电粉的方式，将会破坏环氧自流平的流平性能，这可以通过调整涂料配方使其流平性达到施工要求，但如上所述，大填充量填料的分散均匀性、微观沉降、凝聚等问题，毫无疑问还是会对自流平涂料表观产生影响。即使是较小填充量的导电碳纤维，如果分散等问题解决不理想，也会导致难以察觉的表观缺陷。采用单壁碳纳米管，由于用量极低，基本对环氧自流平黏度、颜色、表观等没什么影响。同时，如图1所示，单壁碳纳米管的隧道效应使其较小用量能达到优良的防静电效果，并且可重复性及线性关系良好，可通过线性推导有效调节用量和防静电性能的关系。
2.4 防静电自流平地坪涂料综合性能
采用单壁碳纳米管，通过常规环氧自流平生产工艺制备新型防静电环氧自流平涂料。表4是单壁碳纳米管防静电环氧自流平地坪涂料的综合性能。
3 结语
环氧自流平涂料采用定制的单壁碳纳米管作为导电填料，可以在极小用量(<0.5%，质量分数)下获得优异的防静电性能。并且单壁碳纳米管对环氧自流平涂料原有特性基本不影响。我们将进一步改进碳纳米管及其在地坪涂料中的应用，推出更好的防静电地坪涂料。
Table 4 The Properties of Single-walled Carbon Nanotube Anti-Electrostatic Self-leveling Epoxy Floor Coatings
