研究粉末制備方法的目標意義

A. 高性能重晶石基復合導電粉末的制備技術與應用

楊華明 胡岳華 張慧慧

（中南大學資源生物學院，湖南長沙 410083）

摘要 以重晶石粉為基體，用化學共沉澱技術表麵包覆摻雜的錫氧化物制備復合導電粉末。 採用正交實驗設計方法，確定了復合導電粉末制備的優化條件，製得平均粒徑為4.3μm、電阻率為8.1Ω·cm的復合導電粉末。研究了導電粉末用量對塗層電阻率的影響，當粉末添加量在20%～45%時，所制備導電塗料的電阻率僅為10Ω·cm。導電塗料對於頻率小於100MHz的電磁波可以達到中等屏蔽值（40 dB），可應用於手機、筆記本電腦、電子醫療設備和軍事設施等領域的抗電磁波干擾。探討了導電粉末在導電塗料中的導電網路及賦存狀態，認為導電粉末在塗料中的良好分散性並形成網路結構是確保塗料導電性的關鍵。

關鍵詞 超細重晶石粉；復合導電粉末；摻雜；導電塗料；屏蔽特性

第一作者簡介：楊華明，男，38歲，浙江省紹興市人，博士、教授、博士生導師，主要研究領域為礦物資源精加工、功能礦物材料和無機非金屬材料。電話：0731-8830549；E-mail：[email protected]。

一、前言

導電粉末已廣泛用於電子電器、航空航天、軍事、電磁屏蔽和抗靜電等領域，傳統的導電粉末有金屬粉末、炭黑、石墨、碳纖維、金屬纖維和金屬氧化物等。其中，金屬粉末價格較貴，易氧化而降低導電性能；金屬纖維混合分散不均，加工過程中易折斷和發生取向，只用於導電性能要求特別好的電磁波屏蔽等場合；石墨所需的添加量較大（w_B＝30%），使製品的性能變脆；碳纖維價格昂貴；金屬氧化物粉末的導電性能較差；實際應用較多的是炭黑，盡管炭黑能賦予材料優良的導電性能，但是其色彩單一、著色性差的缺點很難滿足不同領域和用戶的要求。一般用於導電材料的導電粉末，要求其電阻率小於10Ω·cm。通過某些物理化學處理，把價格低廉的天然礦物加工成復合導電粉末，將促進導電復合材料的發展，也為礦物的高附加值開發提供一條新的途徑。本文以重晶石粉為基體、採用化學共沉澱技術來制備復合導電粉末，並應用正交實驗方法優化制備工藝。

二、實驗方法

將重晶石礦物原料進行提純、分級、粉碎，採用攪拌球磨機，以φ30mm的ZrO₂球作介質，細磨得到不同粒徑的超細重晶石粉。所用試劑四氯化錫（SnCl₄·5H₂O）、三氯化銻（SbCl₃）、氫氧化鈉和鹽酸均為分析純。激光法測粉體的粒度，白度儀測粉體的白度。

導電粉末制備的基本過程：取適量的超細重晶石粉置於一個500 mL的燒杯中，加蒸餾水（固體濃度為40%）攪拌，加熱到設定的溫度，將按比例配好的SnCl₄/SbCl₃鹽酸溶液和40%左右的NaOH溶液分別均勻滴加，並使其維持在相應的pH值。滴定應控制在15～20 min內完成，繼續攪拌10 min。取出燒杯後靜置20～30 min，經過濾、蒸餾水多次洗滌，並除去游離的Cl^-（可用AgNO₃溶液檢驗至無白色沉澱生成）。濾餅經烘乾、研磨成粉末，再置於瓷舟中在設定溫度下焙燒30 min，冷卻即可。

粉末電阻率測試：將粉末裝入有機玻璃模子中，用電阻測定儀測量粉末電阻R，再由公式ρ＝R×A/H［式中ρ為粉末電阻率（Ω·cm），R為實測電阻值（Ω），A為粉末柱橫截面積（cm²），H為粉末柱高度（cm），本實驗中A＝0.915 cm²］，計算得到粉末的電阻率ρ。

使用的儀器設備為：ZJM-20攪拌球磨機，DT890A型電阻測定儀（0～200 MΩ），5-12型箱式電阻爐，Hydro-2000MU粉末粒度分析儀（Malverm公司），Autosorb-Ⅰ型比表面積測定儀和WSD-Ⅲ型白度儀。

根據以前的相關研究結果，影響導電粉末電阻率的主要因素有SnCl₄·5H₂O/SbCl₃摩爾比、水解pH值、SnCl₄·5H₂O用量、水解溫度和焙燒溫度。本文採用正交實驗設計：5 因素、4 水平的正交表L₁₆（4⁵）見表1。

表1 正交實驗的因素及水平

三、復合導電粉末的制備

（一）正交實驗結果

按照表1設定的條件進行實驗研究，計算所得的粉末電阻率ρ見表2。

圖7 屏蔽塗層的屏蔽效應

採用本項目研製的高性能復合導電粉末，通過考察其用量對塗層電阻率的影響（圖6），塗層電阻率用ACL 385型電阻率測試儀檢測。當粉末添加量在20%～45%時，所制備的丙烯酸屏蔽塗料塗層的電阻率小於10Ω·cm，而純丙烯酸塗料電阻率大於10⁵Ω·cm。

根據Schelunoff理論，屏蔽效應的總和S為

中國非金屬礦業

當復合導電粉末（ρ電阻率）的用量為20%、塗層厚度（t）為40μm時，屏蔽塗料的效果與頻率（f）的關系見圖7，這種塗層對於頻率小於100 MHz 的電磁波可以達到較好的屏蔽值（35～40 dB），可應用於手機、筆記本電腦、電子醫療設備、電子計量等電子產品的抗電磁波干擾。

Preparation and Application of Advanced Barite-matrix Composite Conctive Powders

Yang Huaming，Hu Yuehua，Zhang Huihui

（School of Resources Processing and Bioengineering，Central South University，Changsha 410083，China）

Absract：Barite-matrix composite conctive powder coated with antimony-doped tin oxide（Sb-SnO₂/BaSO₄，SSB） has been successfully prepared by chemical co-precipitation technology.The optimum processing parameters of preparing composite conctive powder are determined by orthographic method.The conctive powder with 4.1μm of average particle diameter and 8.1Ω·cm of volumetric electric resistivity is prepared under the optimum parameters.Effect of SSB percentage on resistivity of coated layer was investigated.The resistivity of acrylic acid paint was only 10Ω·cm when percentage of SSB reaches 20%～45%，which indicates interesting application potential in several fields.Conctive paint with SSB as filler shows excellent shield value（40dB） to electromagnetic waves of less than 100MHz.It can be widely applied in the fields of mobile phone，notebook PC，medical facility，electronic measuring apparatus and military establishments for antijamming of electromagnetic waves.Conctive network and condition of conctive powder in conctive paint were primarily discussed，it is indicated that well dispersion and network formation of conctive powder in paint is the key to keep better conctive property of paint.

Key words：ultrafine barite powder，composite conctive powder，doping，conctive paint，shield property.