包裝用炭黑防靜電涂料制備工藝研究

黃鵬波,張懷智,曹宏安,谷智國(guó)

(武漢軍械士官學(xué)校,武漢430075)

摘要:針對(duì)現(xiàn)階段我軍小型彈藥包裝上的防靜電問(wèn)題,利用低成本的納米炭黑、石墨為導(dǎo)電性 填料,醇酸樹脂為基體,制備了復(fù)合型導(dǎo)電涂料,研究確定了炭黑、石墨的比例和在涂料體系中的含 量。涂料導(dǎo)電性能優(yōu)于國(guó)軍標(biāo)所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)用該涂料能夠顯著改善無(wú)靜電防護(hù)能力或防護(hù)能力 差的彈藥包裝。

關(guān)鍵詞:彈藥包裝;防靜電涂料;炭黑;石墨

中圖分類號(hào): TB484. 3　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A　文章編號(hào): 1001-3563(2007)11-060-02

彈藥包裝是盛裝和保護(hù)彈藥的容器,隨著新材料、新工藝 在彈藥包裝的不斷運(yùn)用,塑料、塑木、玻璃鋼等非靜電導(dǎo)體材料 的大量使用[1],使得靜電危害較為突出,特別是在小型火箭彈 的包裝上,由于主要采用木箱和"鐵籠"包裝,在彈藥技術(shù)勤務(wù) 過(guò)程中,彈體與包裝筒就會(huì)帶有上千伏的靜電電位。當(dāng)靜電放 電時(shí),就是會(huì)瞬時(shí)產(chǎn)生較高的電壓,甚至?xí)鸹ǚ烹?/span>,對(duì)于彈藥 來(lái)說(shuō),可能造成電火工品意外發(fā)火,甚至直接造成炸藥起 爆[2]。經(jīng)測(cè)試,在進(jìn)行某火箭彈及高射炮彈技術(shù)檢查時(shí)(溫度 為10. 5℃,相對(duì)濕度為8% ),彈藥包裝可帶上數(shù)kV的靜電電 位,靜電能量可達(dá)數(shù)個(gè)mJ[3]。

目前,防靜電材料可分為外涂型和內(nèi)加型兩類[4],內(nèi)加型 主要是在生產(chǎn)過(guò)程中直接將導(dǎo)電填料添加到高分子材料中制 成復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料,但該方法工藝復(fù)雜、成本高,對(duì)于外 涂型主要是將導(dǎo)電填料與相應(yīng)的樹脂混合制成涂料,直接涂敷 于包裝材料內(nèi)外表面,它們見效快,適用廣,但由于目前的填料 大多采用金、銀、銅、鎳等金屬粉末價(jià)格較高[5],因此,研制新 型的低成本導(dǎo)電涂料具有廣闊的前景。

本文針對(duì)現(xiàn)階段我軍包裝上的防靜電問(wèn)題,利用低成本的 納米炭黑、石墨為導(dǎo)電性填料,醇酸樹脂為基體,制備了復(fù)合型 導(dǎo)電涂料,體系的表面電阻率達(dá)到了439Ω·cm-2,使用方便, 能夠顯著改善彈藥包裝的靜電防護(hù)能力。

1　實(shí)　驗(yàn)

1. 1　設(shè)備及材料

1)設(shè)備: LJQ-4型高速攪拌機(jī),天津市偉達(dá)試驗(yàn)機(jī)廠; QZM-1型錐形磨,天津市材料試驗(yàn)機(jī)廠; BY-1943型數(shù)字多用 表,上海恒平科學(xué)儀器有限公司。

2)材料:YML-100納米炭黑,江西九江亞米特石化有限公 司;醇酸清漆,武漢雙虎涂料股份有限公司;醇酸專用稀釋劑, 武漢雙虎涂料股份有限公司;鈦酸酯偶聯(lián)劑NTC-401、JSC,南 京曙光化工廠;硅烷偶聯(lián)劑KH-550、KH-570,蓋州市化學(xué)工業(yè) 有限公司。

1. 2　試樣制備及測(cè)試

采用100mm×100mm的玻璃鋼板作為底材,將玻璃鋼板 用清水、丙酮洗凈,烘干,置于干燥器中待用。選取一定質(zhì)量的 醇酸樹脂,分別向其中加入炭黑、石墨填料,再加入適量的醇酸 專用稀釋劑,經(jīng)充分研磨后,涂刷在待用的玻璃板上,室溫干燥成膜。在制備過(guò)程中主要采用鈦酸酯偶聯(lián)劑NTC-401、JSC和 硅烷偶聯(lián)劑KH-550、KH-570進(jìn)行粉體表面改性。

按照國(guó)軍標(biāo)規(guī)定采用數(shù)字多用表測(cè)定并計(jì)算試樣的表面 電阻率,通過(guò)掃描電鏡觀察了涂層的表面形貌。

2　結(jié)果與討論

2. 1　填料對(duì)涂層成膜狀態(tài)的影響

制備炭黑和石墨涂料發(fā)現(xiàn),炭黑由于比表面大,在涂料體 系中分散性不好而使得漆膜的成膜性較差;而對(duì)于石墨制備的 涂料,雖然成膜性很好,但由于石墨的顆粒較大,在涂料體系中 不能形成良好的導(dǎo)電通路,而導(dǎo)電性較差,因此,將炭黑、石墨 的混合粉末做為涂料體系的填料進(jìn)行研究。結(jié)果表明,當(dāng)炭黑 ∶石墨≤1∶5. 5(質(zhì)量比,后同)時(shí),涂料均可很好的成膜,在炭 黑∶石墨>1∶5. 5時(shí)不能生成完整的膜層,有龜裂現(xiàn)象。典 型的涂料表面見圖1。

2. 2　填料對(duì)導(dǎo)電性的影響

在對(duì)以上炭黑、石墨的混合粉末制得的涂料干燥后進(jìn)行表 面電阻率的測(cè)試,在炭黑∶石墨=1∶4. 5時(shí),涂料的平均表面 電阻率最低,為1564Ω·cm-2;在炭黑∶石墨≤1∶4. 5時(shí),表 面電阻率呈增加趨勢(shì),見圖2。在對(duì)以上炭黑、石墨的混合粉末制得的涂料干燥后進(jìn)行表面電阻率(ρs)的測(cè)試,在混合粉體 的含量為26%時(shí),涂料的平均表面電阻率最低,為1221Ω· cm-2,見圖3。

由此可見,炭黑、石墨的混合粉末最佳質(zhì)量比例為1∶4. 5,在涂料體系中所占的比例為26%時(shí),涂料的導(dǎo)電性 能最好。

2. 3　偶聯(lián)劑的影響

偶聯(lián)劑含有反應(yīng)性基團(tuán),它的一端能與無(wú)機(jī)材料表面 的羥基或金屬表面的氧化物生成共價(jià)鍵或形成氫鍵,另一 端與有機(jī)材料形成氫鍵或生成共價(jià)鍵;從而將無(wú)機(jī)材料和 有機(jī)材料的界面有機(jī)地連接起來(lái),提高復(fù)合材料的各項(xiàng)性 能[6],在炭黑里加入不同偶聯(lián)劑及不同偶聯(lián)劑量所制得涂 料的導(dǎo)電性見圖4。

KH-570處理的炭黑所制備的涂料有龜裂。由圖4可以看 出,KH-550處理的炭黑隨著KH-550用量的增加其導(dǎo)電性能變 化幅度較小,這主要是由于在涂料的制備過(guò)程中沒有水分的引 入,只有微量的烷氧基在涂料的制備過(guò)程中,通過(guò)大氣中的水 分水解生成硅羥基。

鈦酸酯偶聯(lián)劑的在對(duì)炭黑的處理過(guò)程中主要是一種化學(xué) 吸附現(xiàn)象[7],是通過(guò)分子中親水基團(tuán)定向吸附在炭黑表面形 成單分子層,從而提高炭黑在基料中的分散性和潤(rùn)濕性[8]。 經(jīng)JSC處理后的涂料涂層成膜狀態(tài)最好,經(jīng)NTC-401處理后所 制備的涂料,涂層的成膜狀態(tài)較好、電阻率也較低,見圖4所 示。鈦酸酯類偶聯(lián)劑NTC-401可以很好的改善涂料體系的導(dǎo) 電性,所用導(dǎo)電性填料炭黑∶石墨=1∶4. 5,在涂料體系中的 含量為26% (質(zhì)量分?jǐn)?shù),后同)所制備的涂料進(jìn)行了掃描電鏡 的觀察(見圖5),發(fā)現(xiàn)經(jīng)NTC-401處理后的涂料體系中炭黑、 石墨在醇酸樹脂基料中的分散性顯著改善。

3　結(jié)　語(yǔ)

制備了一種炭黑/醇酸復(fù)合導(dǎo)電涂料,結(jié)果表明,炭黑∶石 墨混合填料的比例為1∶4. 5,其在涂料體系中的含量為26%, 并應(yīng)用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2. 5%偶聯(lián)劑NTC-401處理炭黑后,所得的 體系具有較好成膜性;同時(shí)體系的表面電阻率為439Ω· cm-2,遠(yuǎn)小于國(guó)軍標(biāo)所規(guī)定的要求,該復(fù)合涂料使用方便,在 改善彈藥包裝的靜電防護(hù)能力方面有重要的應(yīng)用價(jià)值。

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