CN117229703A - 一种导电涂料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种导电涂料及其制备方法和应用。本发明的制备方法包括以下步骤：将水性聚氨酯与石墨烯和石墨烯分散剂混合，得到分散液；将分散液与碳纳米管和碳纳米管分散剂混合，得到导电涂料；石墨烯和碳纳米管的总质量为水性聚氨酯质量的0.5～2.0wt％。本发明采用具备优异导电性和稳定性的碳纳米管和石墨烯作为导电填料，这两种不同形貌的碳系导电填料会产生互促与协同作用，一方面可以完善基体内部的导电网络；另一方面在一定程度上提升材料的耐蚀性能；采用耐蚀性强的水性聚氨酯能够进一步提高材料的耐蚀性能；采用分步加料的顺序能够避免石墨烯和碳纳米管的团聚，提高分散性能，并控制石墨烯和碳纳米管的含量，进一步提高材料的导电性能和耐蚀性能。
Description
技术领域
本发明属于导电涂料技术领域，具体涉及一种导电涂料及其制备方法和应用。
背景技术
接地装置是接地***中的重要组成部分，其将电力***与大地相连，起到提供故障电流及雷电流泻放通道、稳定电位等作用，是确保电力***安全运行和人员安全的保障。接地装置主要由铜构成，因长期服役在潮湿或有腐蚀性气体及酸碱性土壤环境中，在空气、水分和各种盐类的作用下，会严重遭受到电化学腐蚀，影响电网的正常运行。
目前，接地装置防腐蚀措施主要是采用导电防腐涂料，将导电填料石墨烯与基体树脂复合制备得到导电防腐涂料，之后涂覆在接地材料表面，但石墨烯属于片层结构，在涂料中作为导电介质应用时，容易形成层状结构，在这些层状结构中，石墨烯与石墨烯中间夹杂有不导电的树脂，这些树脂相当于电容，使石墨烯在涂层中很难形成导电网络，导致整个导电涂层的导电性不佳；并且，石墨烯化学活性小，与树脂基体之间的作用力小，相容性差，导致制备的导电复合材料的导电性不均匀，与基材的附着力差，容易脱落，从而影响导电性能和耐蚀性能。
因此，如何提高涂料的导电性能和耐蚀性能成为本领域亟待解决的难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种导电涂料及其制备方法和应用。本发明提供的制备方法制备得到的导电涂料具备优异的导电性能和耐蚀性能。
为实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供一种导电涂料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将水性聚氨酯与石墨烯和石墨烯分散剂混合，得到分散液；
(2)将所述步骤(1)得到的分散液与碳纳米管和碳纳米管分散剂混合，得到导电涂料；
所述步骤(1)中石墨烯和步骤(2)中碳纳米管的总质量为步骤(1)中水性聚氨酯质量的0.5～2.0wt％。
优选地，所述步骤(1)中水性聚氨酯的固含量为29～31％，所述水性聚氨酯的比重为1.04～1.08g cm-3，所述水性聚氨酯的pH值为6～9。
优选地，所述步骤(1)中石墨烯的层数＜30层。
优选地，所述步骤(1)中的混合在搅拌条件下进行。
优选地，所述搅拌的时间为15～20min，所述搅拌的转速为500～800r/min。
优选地，所述步骤(2)中碳纳米管的外径为4～6mm，所述碳纳米管的长度为0.5～2μm。
优选地，所述步骤(1)中石墨烯与步骤(2)中碳纳米管的质量比为1：1。
优选地，所述步骤(1)中石墨烯和步骤(2)中碳纳米管的总质量为步骤(1)中水性聚氨酯质量的1.0～1.5wt％。
本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的导电涂料。
本发明还提供了上述技术方案所述导电涂料在接地材料中的应用。
本发明采用具备优异导电性和稳定性的碳纳米管和石墨烯作为导电填料，这两种不同形貌的碳系导电填料会产生互促与协同作用，一方面可以完善基体内部的导电网络；另一方面可以在一定程度上提升材料的耐蚀性能；采用耐蚀性强的水性聚氨酯能够进一步提高材料的耐蚀性能；采用分步加料的顺序能够最大程度上避免石墨烯和碳纳米管的团聚，提高分散性能，并控制石墨烯和碳纳米管的含量，从而进一步提高材料的导电性能和耐蚀性能。实验结果表明，当CNTs(碳纳米管)和GE(石墨烯)的添加量为水性聚氨酯质量的2wt％时，导电涂层的自腐蚀电位为-0.493V，电阻率显著下降至0.144×10-1Ω·cm。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中对比应用例2以及应用例1～4制备得到的导电涂层表面的宏观形貌图；
图2为本发明具体实施方式中对比应用例1以及应用例1～4制备得到涂层的动电位极化曲线图。
具体实施方式
本发明提供了一种导电涂料的制备方法，其包括以下步骤：
(1)将水性聚氨酯与石墨烯和石墨烯分散剂混合，得到分散液；
(2)将所述步骤(1)得到的分散液与碳纳米管和碳纳米管分散剂混合，得到导电涂料；
所述步骤(1)中石墨烯和步骤(2)中碳纳米管的总质量为步骤(1)中水性聚氨酯质量的0.5～2.0wt％。
本发明将水性聚氨酯与石墨烯和石墨烯分散剂混合，得到分散液。
在本发明中，所述水性聚氨酯的固含量优选为29～31％，更优选为30％；所述水性聚氨酯的比重优选为1.04～1.08g cm-3，更优选为1.04～1.06g cm-3；所述水性聚氨酯的pH值优选为6～9；所述水性聚氨酯优选为安徽安大华泰新材料有限公司生产。在本发明中，所述水性聚氨酯对金属、玻璃等具有优异的附着力，具有优异的耐水性能，耐溶剂性能和与强酸、强碱溶液的相容性，耐电解质性能，外观呈半透明液体，能够提高涂料的附着力和耐蚀性能。
在本发明中，所述石墨烯的层数优选＜30层；所述石墨烯的片径厚度优选为10nm；所述石墨烯的尺寸优选为5μm；所述石墨烯优选为中科时代纳米生产。在本发明中，所述石墨烯为导电填料，能够与碳纳米管产生互促与协同作用，一方面可以完善基体内部的导电网络；另一方面可以在一定程度上提升材料的耐蚀性能。
在本发明中，所述石墨烯分散剂优选为中科时代纳米生产的石墨烯专用分散剂；所述石墨烯分散剂的型号优选为7782-42-5。在本发明中，所述石墨烯分散剂用于提高石墨烯的分散性。
在本发明中，所述石墨烯分散剂的质量优选为石墨烯质量的36～200％，进一步优选为36～100％，更优选为36～60％。
在本发明中，所述水性聚氨酯与石墨烯和石墨烯分散剂混合的操作优选为在水性聚氨酯中依次加入石墨烯和石墨烯分散剂。本发明通过控制混合的操作能够进一步提高石墨烯在水性聚氨酯中的分散性，从而提高材料的导电性能。
在本发明中，水性聚氨酯与石墨烯和石墨烯分散剂的混合优选在搅拌条件下进行；所述搅拌的时间优选为15～20min，更优选为16～18min；所述搅拌的转速优选为500～800r/min。本发明通过控制搅拌的工艺参数能够进一步提高原料的分散程度。
得到分散液后，本发明将所述分散液与碳纳米管和碳纳米管分散剂混合，得到导电涂料。本发明采用分步加料的顺序能够最大程度上避免石墨烯和碳纳米管的团聚，提高分散性能。
在本发明中，所述碳纳米管的外径优选为4～6mm；所述碳纳米管的长度优选为0.5～2μm；所述碳纳米管优选为中科时代纳米生产。在本发明中，所述碳纳米管作为导电填料，能够与石墨烯产生互促与协同作用，一方面可以完善基体内部的导电网络；另一方面可以在一定程度上提升材料的耐蚀性能。
在本发明中，所述碳纳米管分散剂优选为中科时代纳米生产的碳纳米管专用分散剂；所述碳纳米管分散剂的型号优选为TNWDIS。在本发明中，所述碳纳米管分散剂能够提高碳纳米管的分散性。
在本发明中，所述石墨烯和碳纳米管的总质量为水性聚氨酯质量的0.5～2.0wt％，优选为1.0～1.5wt％；所述石墨烯与碳纳米管的质量比优选为1：1。本发明通过控制石墨烯和碳纳米管的含量，从而进一步提高材料的导电性能和耐蚀性能。
在本发明中，所述碳纳米管分散剂的质量优选为碳纳米管质量的36～200％，进一步优选为36～100％，更优选为36～60％。
在本发明中，所述分散液与碳纳米管和碳纳米管分散剂混合的操作优选为在分散液中依次加入碳纳米管和碳纳米管分散剂。
在本发明中，所述分散液与碳纳米管和碳纳米管分散剂的混合优选为依次进行的搅拌和超声；所述搅拌的时间优选为20～30min，更优选为20～25min；所述搅拌的转速优选为800～1000r/min；所述超声的时间优选为20～30min。本发明对所述超声的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的操作即可。本发明通过控制搅拌的工艺参数能够进一步提高原料的分散程度。
本发明采用具备优异导电性和稳定性的碳纳米管和石墨烯作为导电填料，这两种不同形貌的碳系导电填料会产生互促与协同作用，一方面可以完善基体内部的导电网络；另一方面可以在一定程度上提升材料的耐蚀性能；采用耐蚀性强的水性聚氨酯能够进一步提高材料的耐蚀性能；采用分步加料的顺序能够最大程度上避免石墨烯和碳纳米管的团聚，提高分散性能，并控制石墨烯和碳纳米管的含量，从而进一步提高材料的导电性能和耐蚀性能。
本发明采用填充型导电涂料在接地材料上进行涂刷，在保证耐蚀性的同时又有良好的导电性，延长接地材料的使用寿命。导电涂料中高分子聚合物选择无毒无溶剂挥发、耐蚀性强、易固化的水性聚氨酯(WPU)，填充导电介质选择碳系物质，碳纳米管和石墨烯具有优异的导电性和稳定性，故采用这两种不同形貌的碳系导电材料会产生互促与协同作用，一方面可以完善基体内部的导电网络；另一方面也可以在一定程度上提升接地材料的耐蚀性能。
本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的导电涂料。
本发明提供的导电涂料具备优异的导电性能和耐蚀性能。
本发明还提供了上述技术方案所述导电涂料在接地材料中的应用。
在本发明中，所述导电涂料在接地材料中应用的操作优选为将导电涂料涂覆在基体上，然后依次进行干燥和固化，得到导电涂层。
本发明对所述基体的材质没有特殊的限定，根据常识进行判断即可。
本发明对所述涂覆的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的操作即可。
在本发明中，所述干燥的温度优选为室温；所述干燥时间优选为12h；所述固化的温度优选为70～80℃；所述固化的时间优选为3～4h；所述导电涂层的厚度优选为40～50μm，更优选为45μm。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
导电涂料的制备方法为以下步骤：
(1)在水性聚氨酯中依次加入石墨烯和石墨烯分散剂，进行搅拌混合，得到分散液；其中，水性聚氨酯的固含量为30％，比重为1.05g cm-3，pH值为8；水性聚氨酯为安徽安大华泰新材料有限公司生产；石墨烯的层数＜30层，片径厚度为10nm，尺寸为5μm；石墨烯为中科时代纳米生产；石墨烯分散剂为中科时代纳米生产的石墨烯专用分散剂，质量为石墨烯质量的36wt％；搅拌的时间为20min，搅拌的转速为700r/min；
(2)在分散液中依次加入碳纳米管和碳纳米管分散剂，依次进行搅拌和超声，得到导电涂料；其中，碳纳米管的外径为4～6mm，长度为0.5～2μm；碳纳米管为中科时代纳米生产；碳纳米管分散剂为中科时代纳米生产的碳纳米管专用分散剂，质量为碳纳米管质量的36wt％；石墨烯和碳纳米管的总质量为水性聚氨酯质量的0.5wt％；石墨烯与碳纳米管的质量比为1：1；搅拌的时间为30min，转速为1000r/min；超声的时间为30min。
实施例2
在实施例1的基础上将石墨烯和碳纳米管的总质量修改为水性聚氨酯质量的1.0wt％，其他条件不变。
实施例3
在实施例1的基础上将石墨烯和碳纳米管的总质量修改为水性聚氨酯质量的1.5wt％，其他条件不变。
实施例4
在实施例1的基础上将石墨烯和碳纳米管的总质量修改为水性聚氨酯质量的2.0wt％，其他条件不变。
对比例1
水性聚氨酯(即只采用实施例1中的水性聚氨酯)
应用例1～4
将实施例1～4制备得到的导电涂料分别使用普通毛刷涂刷在钢基体表面，然后在室温下干燥12h，之后在70℃烘箱中固化3h，得到厚度为45μm的导电涂层。
对比应用例1
将对比例1的水性聚氨酯使用普通毛刷涂刷在钢基体表面，然后在室温下干燥12h，之后在70℃烘箱中固化3h，得到厚度为45μm的涂层。
对比应用例2
钢基体(即应用例1中无涂层的钢基体)
对比应用例2以及应用例1～4制备得到导电涂层表面的宏观形貌如图1所示。
耐蚀性能测试：
电化学测试前先将对比应用例1以及应用例1～4制备得到涂层浸泡在3.5％NaCl溶液中(浸泡保持室温)。测试体系为三电极体系，辅助电极为Pt电极，参比电极为饱和甘汞电极，工作电极为涂层试样。用电化学工作站测试涂层试样的开路电位，待体系的开路电位稳定后，测试涂层的动电位极化曲线如图2所示。
自腐蚀电位是评定材料发生腐蚀倾向的重要热力学参数，自腐蚀电位越大，材料发生腐蚀的难度越大。根据图2得出对比应用例1以及应用例1～4制备得到导电涂层在3.5％NaCl溶液中的自腐蚀电位，如表1所示。
表1涂层在3.5％NaCl溶液中的自腐蚀电位
| 石墨烯和碳纳米管总质量/wt％ | Ecorr(V) | |
| 对比应用例1 | 0 | -0.687 |
| 应用例1 | 0.5 | -0.585 |
| 应用例2 | 1.0 | -0.543 |
| 应用例3 | 1.5 | -0.516 |
| 应用例4 | 2.0 | -0.493 |
从表1可以看出，随着涂层中碳纳米管和石墨烯含量的增加，自腐蚀电位逐渐增加，当添加量为2wt％时，导电涂层的自腐蚀电位为-0.493V，相较于无涂层增加0.194V，耐蚀性提高。
导电性测试：
对比应用例1和应用例1～4导电涂层的电阻率如表2所示。
表2对比应用例1和应用例1～4导电涂层的电阻率
| 石墨烯和碳纳米管总质量/wt％ | 电阻率(Ω·cm) | |
| 对比应用例1 | 0 | 绝缘 |
| 应用例1 | 0.5 | 4.8×10-1 |
| 应用例2 | 1.0 | 3.5×10-1 |
| 应用例3 | 1.5 | 1.6×10-1 |
| 应用例4 | 2.0 | 0.14×10-1 |
从表1可以看出，含有2wt％的导电涂层的电阻率显著下降至0.14×10-1Ω·cm，可以看出加入碳纳米管和石墨烯后，涂层导电性能增加。
由此可见，在水性聚氨酯中加入碳纳米管和石墨烯可以显著提高涂层的耐蚀性和导电性。
从以上实施例和对比例可以看出，本发明提供的制备方法制备得到的导电涂料具备优异的导电性能和耐蚀性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种导电涂料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将水性聚氨酯与石墨烯和石墨烯分散剂混合，得到分散液；
(2)将所述步骤(1)得到的分散液与碳纳米管和碳纳米管分散剂混合，得到导电涂料；
所述步骤(1)中石墨烯和步骤(2)中碳纳米管的总质量为步骤(1)中水性聚氨酯质量的0.5～2.0wt％。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中水性聚氨酯的固含量为29～31％，所述水性聚氨酯的比重为1.04～1.08g cm-3，所述水性聚氨酯的pH值为6～9。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中石墨烯的层数＜30层。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的混合在搅拌条件下进行。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述搅拌的时间为15～20min，所述搅拌的转速为500～800r/min。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中碳纳米管的外径为4～6mm，所述碳纳米管的长度为0.5～2μm。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中石墨烯与步骤(2)中碳纳米管的质量比为1：1。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中石墨烯和步骤(2)中碳纳米管的总质量为步骤(1)中水性聚氨酯质量的1.0～1.5wt％。
9.权利要求1～8任意一项所述制备方法制备得到的导电涂料。
10.权利要求9所述导电涂料在接地材料中的应用。
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