導電涂料技術綜述

蔡暢

摘要：導電涂料是伴隨著現代科學而迅速發展起來的特種涂料。1933年6月6日， 美局授權了第一個導電涂料專利，由于導電涂料的特殊功能被廣大研究員所認識，有關導電涂料的研究也越來越活躍。伴隨著科技的進一步發展，尤其是電子、電氣產品的飛速發展，導電涂料也得到了快速的發展。本文對導電涂料技術的發展進行了概述，對國內外申請人進行統計分析，通過上述統計，分析了國內外導電涂料的發展現狀和導電涂料的發展趨勢。

關鍵詞：導電，涂料，特種涂料

一、導電涂料技術概述

導電涂料是涂于高電阻率的高分子材料上，使之具有傳導電流和排除積累靜電荷能力的特種涂料，可涂覆于任何形狀基材的表面或內部。導電涂料按組成及導電機理可分為兩大類：結構型（亦稱本征型）導電涂料與復合型（亦稱添加型、摻雜型）導電涂料。

本征型導電涂料其導電機理一般認為是高分子聚合物分子內部電子的轉移使其具有導電性。復合型導電涂料是指以高分子聚合物為基礎加入導電物質，利用導電物質的導電作用來達到涂層電導率在10-12 S/m以上。它既具有導電功能，同時又具有高分子聚合物的許多優異特性，可以在較大范圍內根據使用需要調節涂料的電學和力學性能，并且成本較低，簡單易行，因而獲得較為廣泛的應用。復合型導電涂料由高分子聚合物、導電填料、溶劑及助劑等組成。常用的導電填料有金屬系填料、碳系填料、金屬氧化物系填料、復合填料、新型納米導電填料等。復合型的導電涂料其導電機理較為復雜，主要包括以下三種導電機理的理論：（1）無限網鏈理論、（2）熱力學理論、（3）競爭理論。上述三種理論分別從導電粒子含量；導電體系內部的界面能與導電粒子含量的關系；導電通道機理、隧道效應機理和場致發射機理之間的競爭關系三個不同方向對導電機理進行了闡述。

二、 導電涂料的發展歷程

2.1國外導電涂料的發展

美國通用電氣公司早在1933年就取得了第一份導電涂料的專利（US1913214），但是，導電涂料并沒有像想象中那樣得到蓬勃發展。隨著電子電氣產品的不斷普及，人們對導電涂料的認識不斷加深，此后，導電涂料才伴隨著這股潮流迅猛的發展起來。

根據全球歷年導電涂料專利申請量的變化，可以大致將導電涂料的發展可以大致分為三個階段。第一階段是導電涂料的起步階段（1933年-1972年），此時導電涂料申請量非常少，在電子電氣領域的應用也不活躍。第二階段是穩步發展階段（1972年-1984年），隨著歐美國家和日韓等對金屬系導電涂料的研究取得巨大進步，尤其是鎳系、銅系、銀系等導電涂料，人們對導電涂料的認識進一步加強，這段時間的申請量每年都在100件左右，并呈現出穩定增長的態勢。隨著導電涂料在抗靜電、電磁屏蔽等領域應用的擴展，導電涂料的研究也越來越深入，功能性也越來越明確。第三階段（1984年至今）為快速發展階段。隨著個人電腦發展進入快車道；大量電氣產品如冰箱、電視機、手機等進入家家戶戶；大型油氣田的開發，油氣運輸中油罐車、油輪的安全保護措施以及雷達等軍工設施對電磁屏蔽性能的嚴苛要求；導電涂料的需求越來越旺盛，對導電涂料性能的要求也越來越高。隨著人們對個人通訊電子設備，如手機、平板電腦、PDA等的個性化和外觀要求越來越高，導電涂料領域的發展也是越來越完備，甚至是到了21世紀仍然保持了旺盛的生命力和良好的發展前景，2011年至2014年的累計申請量達到了1877件。

經過統計分析發現，不同國家在導電涂料領域的專利占有量大致為：日本37%、美國7%、歐盟17%、中國10%、韓國6%、加拿大3%、臺灣3%、澳大利亞2%、其他15%。雖然，導電涂料最早由美國通用電氣公司開創，并且其在技術積累階段對歐美國家做出的貢獻非常巨大，但是隨著新技術的不斷發展，日本人通過自己精益求精的作風，在電子電氣和精細化工等領域取得了巨大的成就，其申請量已經遠超歐美，達到了全球占有量的37%，超過了總量的三分之一，幾乎與歐、美、中、德、韓的總量持平。我國作為一個發展中國家，起步較晚，起點較低，技術的積累薄弱，得益于近年來取得的舉世矚目的經濟成就，我們在導電涂料領域成長極快，專利申請占有量超過美國的7%，達到10%，僅次于鄰國日本和歐盟。此外，韓國、澳大利亞、加拿大、臺灣等地區，在導電涂料領域也處于世界領先水平。

2.2國內導電涂料的發展

前面分析了我國在導電涂料領域的地位，但是在對國內具體的申請人進行分析之后發現，在我國導電涂料領域的主要申請人中，外國大型企業居多，尤其是美國的杜邦公司，其導電涂料專利擁有量為196件，而排在其后的四家企業的導電涂料專利擁有量之和為213件。其次，其他的主要申請人中大多是日本企業，包括三菱綜合材料株式會社（52件）、日產化學株式會社（43件）、信越聚合物株式會社（39件）、住友金屬礦山株式會社（35件）、株式會社村田制作所（29件）、TDK（28件）等，雖然日本企業各自的申請量都不及杜邦，但它們形成了集團優勢，如此多企業的集合，往往能夠與杜邦這種龐然大物形成抗衡之勢。我們很慶幸的看到在主要申請人的前三名中出現了比亞迪股份有限公司（56件）的身影，它代表了中國企業在該領域的力量。另外，國內還有很多研究所和科研單位由于申請量較少排名并不靠前，比如西安交通大學、蘭州理工大學、國家電網等，他們均在該領域均有所投入，由于體量和技術積累不足等緣故，專利申請量并不太多。

三、導電涂料的發展趨勢

隨著導電涂料研究和開發的不斷深入，其應用也日益廣泛，尤其是在電子工業、建筑工業、航空和軍用工業等領域，具有重要的實用價值。展望未來導電涂料的研究和開發，導電涂料呈以下發展趨勢：

（1）開發高性價比的導電涂料；對于復合型導電涂料，主要是開發高導電性、低成本的新型導電填料，以代替銀、鎳、銅等貴重金屬材料，例如在銅粉、鎳粉、玻璃微球的表面鍍銀，可以獲得導電性能優異的導電填料。將基體樹脂與炭黑以化學法結合，制成炭黑接枝聚合物，可改善炭黑的分散性，得到的導電涂料以其電阻值均勻性好，而適用于印刷電路。

（2）重視本征型導電涂料的開發；目前，本征型導電涂料的開發和應用受到冷落，主要是因為本征型導電涂料在合成、施工過程中難度較大，限制了本征型導電涂料的推廣。但是，在本征型導電涂料中無需加入價格昂貴的導電填料，可提高導電涂料的性價比，如果能夠在制備方法上有所突破，將極大促進本征型導電涂料的發展。

（3）研究和開發納米導電涂料；利用導電涂料的導電能力，可將電能轉化為熱能，用以加熱工業建筑物，其顯著優點是不占空間。在寒冷地區，導電涂料可用于實現石油輸送管道的保溫、艦船甲板的加熱去冰以及汽車、飛機、艦船玻璃表面的防霧、防結冰等。此類外用涂料對耐老化、耐洗刷、抗紫外線等性能要求很高。在涂料中加入納米材料，所得納米涂料的耐老化、防滲漏、耐洗刷等性能均得到很大提高，從而提高了涂料的檔次，延長了涂膜的使用壽命。經納米材料改性后的導電涂料產品外觀顯得更加飽滿、均勻，涂膜光潔細膩，觸感優良，防水性好，與基底材料的粘合力提高，尤其是改性后的涂料抗紫外線、耐洗刷性能非常優越。

（4）大力發展環保型導電涂料；隨著國際上對環境保護和節約資源的呼聲日益高漲，發展環保型導電涂料已是大勢所趨。通常，實現環保型導電涂料的途徑有：水溶性導電涂料、粉末導電涂料和高固含量導電涂料。endprint