研究粉末制备方法的目标意义

A. 高性能重晶石基复合导电粉末的制备技术与应用

杨华明 胡岳华 张慧慧

（中南大学资源生物学院，湖南长沙 410083）

摘要 以重晶石粉为基体，用化学共沉淀技术表面包覆掺杂的锡氧化物制备复合导电粉末。 采用正交实验设计方法，确定了复合导电粉末制备的优化条件，制得平均粒径为4.3μm、电阻率为8.1Ω·cm的复合导电粉末。研究了导电粉末用量对涂层电阻率的影响，当粉末添加量在20%～45%时，所制备导电涂料的电阻率仅为10Ω·cm。导电涂料对于频率小于100MHz的电磁波可以达到中等屏蔽值（40 dB），可应用于手机、笔记本电脑、电子医疗设备和军事设施等领域的抗电磁波干扰。探讨了导电粉末在导电涂料中的导电网络及赋存状态，认为导电粉末在涂料中的良好分散性并形成网络结构是确保涂料导电性的关键。

关键词 超细重晶石粉；复合导电粉末；掺杂；导电涂料；屏蔽特性

第一作者简介：杨华明，男，38岁，浙江省绍兴市人，博士、教授、博士生导师，主要研究领域为矿物资源精加工、功能矿物材料和无机非金属材料。电话：0731-8830549；E-mail：[email protected]。

一、前言

导电粉末已广泛用于电子电器、航空航天、军事、电磁屏蔽和抗静电等领域，传统的导电粉末有金属粉末、炭黑、石墨、碳纤维、金属纤维和金属氧化物等。其中，金属粉末价格较贵，易氧化而降低导电性能；金属纤维混合分散不均，加工过程中易折断和发生取向，只用于导电性能要求特别好的电磁波屏蔽等场合；石墨所需的添加量较大（w_B＝30%），使制品的性能变脆；碳纤维价格昂贵；金属氧化物粉末的导电性能较差；实际应用较多的是炭黑，尽管炭黑能赋予材料优良的导电性能，但是其色彩单一、着色性差的缺点很难满足不同领域和用户的要求。一般用于导电材料的导电粉末，要求其电阻率小于10Ω·cm。通过某些物理化学处理，把价格低廉的天然矿物加工成复合导电粉末，将促进导电复合材料的发展，也为矿物的高附加值开发提供一条新的途径。本文以重晶石粉为基体、采用化学共沉淀技术来制备复合导电粉末，并应用正交实验方法优化制备工艺。

二、实验方法

将重晶石矿物原料进行提纯、分级、粉碎，采用搅拌球磨机，以φ30mm的ZrO₂球作介质，细磨得到不同粒径的超细重晶石粉。所用试剂四氯化锡（SnCl₄·5H₂O）、三氯化锑（SbCl₃）、氢氧化钠和盐酸均为分析纯。激光法测粉体的粒度，白度仪测粉体的白度。

导电粉末制备的基本过程：取适量的超细重晶石粉置于一个500 mL的烧杯中，加蒸馏水（固体浓度为40%）搅拌，加热到设定的温度，将按比例配好的SnCl₄/SbCl₃盐酸溶液和40%左右的NaOH溶液分别均匀滴加，并使其维持在相应的pH值。滴定应控制在15～20 min内完成，继续搅拌10 min。取出烧杯后静置20～30 min，经过滤、蒸馏水多次洗涤，并除去游离的Cl^-（可用AgNO₃溶液检验至无白色沉淀生成）。滤饼经烘干、研磨成粉末，再置于瓷舟中在设定温度下焙烧30 min，冷却即可。

粉末电阻率测试：将粉末装入有机玻璃模子中，用电阻测定仪测量粉末电阻R，再由公式ρ＝R×A/H［式中ρ为粉末电阻率（Ω·cm），R为实测电阻值（Ω），A为粉末柱横截面积（cm²），H为粉末柱高度（cm），本实验中A＝0.915 cm²］，计算得到粉末的电阻率ρ。

使用的仪器设备为：ZJM-20搅拌球磨机，DT890A型电阻测定仪（0～200 MΩ），5-12型箱式电阻炉，Hydro-2000MU粉末粒度分析仪（Malverm公司），Autosorb-Ⅰ型比表面积测定仪和WSD-Ⅲ型白度仪。

根据以前的相关研究结果，影响导电粉末电阻率的主要因素有SnCl₄·5H₂O/SbCl₃摩尔比、水解pH值、SnCl₄·5H₂O用量、水解温度和焙烧温度。本文采用正交实验设计：5 因素、4 水平的正交表L₁₆（4⁵）见表1。

表1 正交实验的因素及水平

三、复合导电粉末的制备

（一）正交实验结果

按照表1设定的条件进行实验研究，计算所得的粉末电阻率ρ见表2。

图7 屏蔽涂层的屏蔽效应

采用本项目研制的高性能复合导电粉末，通过考察其用量对涂层电阻率的影响（图6），涂层电阻率用ACL 385型电阻率测试仪检测。当粉末添加量在20%～45%时，所制备的丙烯酸屏蔽涂料涂层的电阻率小于10Ω·cm，而纯丙烯酸涂料电阻率大于10⁵Ω·cm。

根据Schelunoff理论，屏蔽效应的总和S为

中国非金属矿业

当复合导电粉末（ρ电阻率）的用量为20%、涂层厚度（t）为40μm时，屏蔽涂料的效果与频率（f）的关系见图7，这种涂层对于频率小于100 MHz 的电磁波可以达到较好的屏蔽值（35～40 dB），可应用于手机、笔记本电脑、电子医疗设备、电子计量等电子产品的抗电磁波干扰。

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.