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当它们含量超过渗流阈值后

  慧聪表面处理网讯:导电涂料是伴随着现代科学技术而迅速发展起来的特种功能涂料,按导电机理不同可分为本征型和填充型两类。本征型导电涂料是指聚合物本身或经过掺杂而具有导电性,该类涂料的研究虽已取得重大进展,但目前仍存在电荷载流子迁移率低且溶解性和加工性较差等问题。填充型导电涂料由成膜树脂和导电填料均匀混合而成,其中聚合物本身不具有导电性,主要依靠填充的导电粒子提供自由载流子而具有导电性。填充型导电涂料的制备和使用简单易行,目前已在静电耗散、电磁屏蔽、电子封装等领域得到广泛应用。

  常用的导电填料有金属粉末和碳系粉末,其中金属粉末作为填料制备的涂料具有较好的导电性能,但金属密度大,在涂料中易沉降,且在服役期间容易氧化导致涂层导电性能下降甚至失去导电性能。相比金属填料而言,碳系导电填料具有密度小、耐腐蚀和导电性能稳定等优点。炭黑和石墨是常用的碳系导电填料,近年来,碳纳米管(CNTs)和石墨烯(GNS)作为新型导电填料的研究取得了令人瞩目的成果。本文从导电机理、研究状况及影响导电性能的因素3个方面对碳纳米管和石墨烯导电涂料进行论述,并对其未来研究发展方向进行展望。

  均匀分散在涂膜内的导电填料含量超过一定值时,涂膜的电阻率迅速降低,表现出导电性能,这种现象被称为渗流,这一临界值即为渗流阈值。导电涂料的导电机理与渗流理论密切联系,主要包括导电回路的形成和电子的传输两个方面。

  理论研究认为涂膜内的导电填料含量达到渗流阈值后,复合体系内的导电粒子便会彼此搭接或列队形成三维导电网络回路。导电粒子与聚合物混合时会形成界面,体系界面能过剩。导电填料含量越高,分散效果越好,体系界面能过剩也就越大。Miyasaka等将体系界面能与涂料导电性能联系起来,认为渗流阈值是一个与体系界面能有关的函数,当体系界面能过剩到接近极限值时,导电填料将产生团聚避免界面能进一步增大,该理论能较好地解释填料含量超过渗流阈值后,电导率提升变缓并最终维持在恒定值的现象。

  导电回路的形成是从宏观上来描述导电机理的,而电子传输则是电流形成的微观过程。填充型导电涂料的电子传输过程比较复杂,目前比较认可的主要有导电通道理论、场致发射理论和隧道效应理论。导电通道理论认为电子是通过涂层内彼此接触的导电粒子来实现传输的,场致发射和隧道效应理论则认为在热振动或内部电场作用下,电子可以越过势垒在彼此相邻几纳米的导体粒子间迁移。大量研究表明CNTs或GNS含量较低时,导电涂层的交流电导率随着频率的提高而迅速增大,当它们含量超过渗流阈值后,即使频率变化,交流电导率依然保持稳定。这是因为随着外场频率的升高,光子能量相应增大,电子在局域态间的跃迁概率增大从而提升体系的交流电导率,一旦CNTs或GNS的含量超过渗流阈值,体系中即形成了畅通的导电网络,故交流电导率不再随频率而改变。所以当CNTs或GNS含量较高时,电子主要经过导电通道进行传输;当其含量较低时,形成连续导电通道的几率较小,这时电子主要通过场致发射和隧道效应来实现传输。

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