包装用炭黑防静电涂料制备工艺研究

黄鹏波,张怀智,曹宏安,谷智国

(武汉军械士官学校,武汉430075)

摘要:针对现阶段我军小型弹药包装上的防静电问题,利用低成本的纳米炭黑、石墨为导电性 填料,醇酸树脂为基体,制备了复合型导电涂料,研究确定了炭黑、石墨的比例和在涂料体系中的含 量。涂料导电性能优于国军标所规定的标准,应用该涂料能够显著改善无静电防护能力或防护能力 差的弹药包装。

关键词:弹药包装;防静电涂料;炭黑;石墨

中图分类号: TB484. 3　文献标识码: A　文章编号: 1001-3563(2007)11-060-02

弹药包装是盛装和保护弹药的容器,随着新材料、新工艺 在弹药包装的不断运用,塑料、塑木、玻璃钢等非静电导体材料 的大量使用[1],使得静电危害较为突出,特别是在小型火箭弹 的包装上,由于主要采用木箱和"铁笼"包装,在弹药技术勤务 过程中,弹体与包装筒就会带有上千伏的静电电位。当静电放 电时,就是会瞬时产生较高的电压,甚至会火花放电,对于弹药 来说,可能造成电火工品意外发火,甚至直接造成炸药起 爆[2]。经测试,在进行某火箭弹及高射炮弹技术检查时(温度 为10. 5℃,相对湿度为8% ),弹药包装可带上数kV的静电电 位,静电能量可达数个mJ[3]。

目前,防静电材料可分为外涂型和内加型两类[4],内加型 主要是在生产过程中直接将导电填料添加到高分子材料中制 成复合型导电高分子材料,但该方法工艺复杂、成本高,对于外 涂型主要是将导电填料与相应的树脂混合制成涂料,直接涂敷 于包装材料内外表面,它们见效快,适用广,但由于目前的填料 大多采用金、银、铜、镍等金属粉末价格较高[5],因此,研制新 型的低成本导电涂料具有广阔的前景。

本文针对现阶段我军包装上的防静电问题,利用低成本的 纳米炭黑、石墨为导电性填料,醇酸树脂为基体,制备了复合型 导电涂料,体系的表面电阻率达到了439Ω·cm-2,使用方便, 能够显著改善弹药包装的静电防护能力。

1　实　验

1. 1　设备及材料

1)设备: LJQ-4型高速搅拌机,天津市伟达试验机厂; QZM-1型锥形磨,天津市材料试验机厂; BY-1943型数字多用 表,上海恒平科学仪器有限公司。

2)材料:YML-100纳米炭黑,江西九江亚米特石化有限公 司;醇酸清漆,武汉双虎涂料股份有限公司;醇酸专用稀释剂, 武汉双虎涂料股份有限公司;钛酸酯偶联剂NTC-401、JSC,南 京曙光化工厂;硅烷偶联剂KH-550、KH-570,盖州市化学工业 有限公司。

1. 2　试样制备及测试

采用100mm×100mm的玻璃钢板作为底材,将玻璃钢板 用清水、丙酮洗净,烘干,置于干燥器中待用。选取一定质量的 醇酸树脂,分别向其中加入炭黑、石墨填料,再加入适量的醇酸 专用稀释剂,经充分研磨后,涂刷在待用的玻璃板上,室温干燥成膜。在制备过程中主要采用钛酸酯偶联剂NTC-401、JSC和 硅烷偶联剂KH-550、KH-570进行粉体表面改性。

按照国军标规定采用数字多用表测定并计算试样的表面 电阻率,通过扫描电镜观察了涂层的表面形貌。

2　结果与讨论

2. 1　填料对涂层成膜状态的影响

制备炭黑和石墨涂料发现,炭黑由于比表面大,在涂料体 系中分散性不好而使得漆膜的成膜性较差;而对于石墨制备的 涂料,虽然成膜性很好,但由于石墨的颗粒较大,在涂料体系中 不能形成良好的导电通路,而导电性较差,因此,将炭黑、石墨 的混合粉末做为涂料体系的填料进行研究。结果表明,当炭黑 ∶石墨≤1∶5. 5(质量比,后同)时,涂料均可很好的成膜,在炭 黑∶石墨>1∶5. 5时不能生成完整的膜层,有龟裂现象。典 型的涂料表面见图1。

2. 2　填料对导电性的影响

在对以上炭黑、石墨的混合粉末制得的涂料干燥后进行表 面电阻率的测试,在炭黑∶石墨=1∶4. 5时,涂料的平均表面 电阻率最低,为1564Ω·cm-2;在炭黑∶石墨≤1∶4. 5时,表 面电阻率呈增加趋势,见图2。在对以上炭黑、石墨的混合粉末制得的涂料干燥后进行表面电阻率(ρs)的测试,在混合粉体 的含量为26%时,涂料的平均表面电阻率最低,为1221Ω· cm-2,见图3。

由此可见,炭黑、石墨的混合粉末最佳质量比例为1∶4. 5,在涂料体系中所占的比例为26%时,涂料的导电性 能最好。

2. 3　偶联剂的影响

偶联剂含有反应性基团,它的一端能与无机材料表面 的羟基或金属表面的氧化物生成共价键或形成氢键,另一 端与有机材料形成氢键或生成共价键;从而将无机材料和 有机材料的界面有机地连接起来,提高复合材料的各项性 能[6],在炭黑里加入不同偶联剂及不同偶联剂量所制得涂 料的导电性见图4。

KH-570处理的炭黑所制备的涂料有龟裂。由图4可以看 出,KH-550处理的炭黑随着KH-550用量的增加其导电性能变 化幅度较小,这主要是由于在涂料的制备过程中没有水分的引 入,只有微量的烷氧基在涂料的制备过程中,通过大气中的水 分水解生成硅羟基。

钛酸酯偶联剂的在对炭黑的处理过程中主要是一种化学 吸附现象[7],是通过分子中亲水基团定向吸附在炭黑表面形 成单分子层,从而提高炭黑在基料中的分散性和润湿性[8]。 经JSC处理后的涂料涂层成膜状态最好,经NTC-401处理后所 制备的涂料,涂层的成膜状态较好、电阻率也较低,见图4所 示。钛酸酯类偶联剂NTC-401可以很好的改善涂料体系的导 电性,所用导电性填料炭黑∶石墨=1∶4. 5,在涂料体系中的 含量为26% (质量分数,后同)所制备的涂料进行了扫描电镜 的观察(见图5),发现经NTC-401处理后的涂料体系中炭黑、 石墨在醇酸树脂基料中的分散性显著改善。

3　结　语

制备了一种炭黑/醇酸复合导电涂料,结果表明,炭黑∶石 墨混合填料的比例为1∶4. 5,其在涂料体系中的含量为26%, 并应用质量分数为2. 5%偶联剂NTC-401处理炭黑后,所得的 体系具有较好成膜性;同时体系的表面电阻率为439Ω· cm-2,远小于国军标所规定的要求,该复合涂料使用方便,在 改善弹药包装的静电防护能力方面有重要的应用价值。

参考文献:

[1]　高欣宝,付孝忠,等.我军弹药包装现状与发展设想[J].中国包 装, 2000, 20(2): 34-37.

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[4]　马辉,高绪勇,等.野战弹药防静电包装设计[ J].包装工程, 2005, 26(5): 145-146.

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[6]　林硕,吴年强,等.偶联剂对铜系复合涂料导电稳定性的影响 [J].复合材料学报, 1999, 10(4): 41-49.

[7]　毛健,陈家钊,等.偶联剂和固化工艺对电磁屏蔽用镍涂料导电 性能的影响[J].功能材料, 1997, 28(2): 137-139.

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