碳系導電填料在導電涂料中的應用專利綜述

樊寶珠 劉暄

摘 要：碳系導電填料具有成本低、結構高、無毒無害等優點，已成為導電涂料中應用最廣泛的導電填料之一。本文通過檢索、篩選、統計和分析國內外有關碳系導電填料在導電涂料中應用的專利申請，對該領域的專利申請情況、地域分布、重要申請人和技術演進發展進行梳理，為行業發展提供參考。

關鍵詞：炭黑；石墨；碳纖維；碳納米管；石墨烯

中圖分類號：TQ637 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）09-0057-02

Review of Patents about the Application of Carbon Conductive Fillers in Conductive Coatings

FAN Baozhu LIU Xuan

（Patent Examination Cooperation Sichuan Center of the Patent Office， SIPO， Chengdu Sichuan 610213）

Abstract：Carbon conductive filler has become one of the most widely used conductive filler in conductive coatings due to the advantages of low cost， high structure and non-toxic， etc. In this paper， by searching， screening， statistics and analyzing the patent applications of carbon based conductive fillers in the conductive coatings， this paper combed the patent application， regional distribution， important applicants and technological evolution in this field， to provide reference for the development of the industry.

Key words： carbon black； graphite； carbon fiber； carbon nanotubes； graphene

導電涂料是一種涂敷于非導電基材上，使之具有排除基體內的累積電荷和傳導電流的功能性涂料，其價格低廉、工藝簡便，具有防靜電和屏蔽電磁波的作用，已被廣泛應用于電子、建筑、航空航天、石油化工等領域中[1]。導電涂料主要通過添加外加導電填料來實現導電功能，碳系導電涂料具有成本低、質輕、結構高、無毒無害等優點，是目前導電涂料領域中用量較大的一種功能涂料。最早使用的碳系導電填料為炭黑、石墨[2]，其來源廣泛、成本低廉，在低端導電涂料的研發中得到了較多的應用。隨后，碳纖維、碳納米管[3-4]、石墨烯[3]以優異的性能在導電填料領域得到了應用廣泛。

本文利用國家知識產權局專利檢索系統的DWPI數據庫，檢索了截至2017年碳系導電涂料領域的發明專利情況，對炭黑、石墨、碳纖維、碳納米管和石墨烯5種導電填料在全球和中國的申請情況、關鍵技術分布情況及技術發展脈絡進行統計和分析。

1 申請趨勢分析

在全球范圍內，碳系導電涂料的發展大致經歷了4個時期。

1.1 萌芽期（1963—1990年）

全球范圍內關于碳系導電涂料的專利起源于1963年，即以炭黑為填料的導電涂料，隨后以石墨為填料的導電涂料發展起來，1970—1990年全球申請量一直處于波浪式增長的狀態，總體是呈現升高趨勢，但導電填料也僅局限于炭黑和石墨，此時是導電填料的摸索階段。

1.2 平穩增長期（1991—2008年）

我國在碳系導電涂料方面的申請起步較晚，第一件涉及碳系導電涂料的專利出現于1991年，同時在這一時期，由于具有良好導電和高強的碳纖維和碳納米管的使用，全球專利申請呈現平穩增長趨勢，越來越多的企業跨過了技術門檻，如炭黑、石墨、碳納米管的分散以及碳纖維的生長，這也為后續碳系導電涂料的增長奠定了基礎。

1.3 快速增長階段（2009—2014年）

此階段，全球和中國專利出現爆發式快速增長，到2014年到達頂峰，這主要歸因于性能優異的石墨烯在導電涂料領域的迅速發展，而且與碳納米管的復合、分散和改性等專利技術的研發有關。

1.4 衰減期（2015年至今）

經歷了2014年的申請頂峰后，2015、2016年國際和國內的專利申請量均出現了明顯的下滑趨勢，這與一些專利還處于未公開狀態有關。

2 地域分布分析

專利申請的技術來源國分布可以反映出各國企業、研究團體等在碳系導電涂料領域的研發水平，目標國家分布可以反映出哪些國家是碳系導電涂料的主要應用市場。在碳系導電涂料領域，中國、日本、美國、韓國、德國是專利申請的主要來源國，其中中國占據36%，日本占據31%。由此可見，雖然中國在碳系導電涂料領域起步較晚，但已成為目前全球最大的申請國家。原因在于導電涂料的應用領域為電子、化工、建筑、航天和軍事等多個領域，而近年來中國在上述領域發展迅速，因而導電涂料的申請量有所提高。另外，碳系導電涂料在全球的目標市場國比較多，其中中國、日本、美國、歐盟和韓國是世界上碳系導電涂料的主要應用市場，而德國雖然為專利申請的主要來源國，但其并非是碳系導電涂料的主要目標國家。由此可見，德國雖然在碳系導電涂料的研究上具有一定的研究成果，但其并不是主要的應用市場。綜上，中國、日本和美國是碳系導電涂料的主要技術來源國和目標市場國，其在該領域中占據了重要的地位。

3 重要申請人分析

雖然有關碳系導電涂料的申請較多，但申請人分布比較廣泛，多為企業，少量的是個人或者高校等科研院所。排名前十位的申請人主要有松下電器、國家電網公司、電氣化學工業株式會社、杜邦公司、關西涂料有限公司、日立化學股份有限公司、HITACHI FUNMATSU YAKIN KK、三菱重工股份有限公司、PPG工業俄亥俄公司和日本拓自達電線株式會社。從以上可以看出，排名前十位的申請人中有50%來自日本，我國僅占席3位，美國2位，這表明在該領域的研發和發展中日本占據了重要的地位，美國和我國實力幾乎相當。另外，排名靠前的幾位重要的申請人均是企業性質，沒有涉及相關的高校和科研院所，從側面反映了碳系導電涂料在市場上有一定的經濟價值。

4 技術發展演進

2 000年以前，專利申請主要涉及以炭黑和石墨為導電填料的導電涂料，但由于炭黑和石墨表面張力較低、粒子間具有較強的凝聚力，通常很難在樹脂或溶劑中分散，因此，研究方向偏向于采用一些分散劑、偶聯劑、表面活性劑等對炭黑或石墨進行分散；另外，將炭黑或石墨與其余種類的導電填料、聚合物導電材料等復配共同來提高涂膜的導電性也成為研究方向之一。對于碳纖維，發展于2000年，其導電性介于炭黑和石墨之間，但由于碳纖維具有較大的長徑比，易相互纏繞，不易分散，常需要用分散劑等進行分散或將其預先分散在樹脂中，其研究方向還偏向于微細碳纖維以及與碳管、炭黑、金屬等導電填料的復合。

碳納米管和石墨烯導電涂料雖然起步較晚，但興起迅速，研究重點主要在碳納米管和石墨烯的分散、與無機/有機材料的復合，在分散方面，常將碳納米管或石墨烯進行氧化使其功能化，再與帶活性基團的組分進行反應或形成氫鍵，一方面能使碳納米管均勻高效地分散于聚合物中，另一方面還可賦予其優良的性能。此外，將石墨烯或碳管與其他導電填料進行復合來改善涂膜性能也是其發展趨勢之一。

5 結語

雖然我國在碳系導電涂料領域起步較晚，但發展速度，已成為碳系導電涂料的主要應用市場。碳系導電涂料的重要專利主要集中在企業當中，即該領域在工業上具有良好的發展前景。另外，碳系導電涂料種類較多，其最主要的問題是碳系導電涂料的分散、復配及改性，這也將會成為該領域的主要發展方向。

參考文獻：

[1] 李紅達.導電涂料的制備與性能[D].上海：上海大學，2014.

[2] 于曉輝.導電涂料的研制開發與應用[D].昆明：昆明理工大學，2005.

[3] 王望，郭彥峰，孫振鋒.碳系導電油墨填料的研究進展[J].化工進展，2015（12）：4259-4264.

[4] 張濤.碳納米管導靜電涂料的研制及性能研究[D].北京：機械科學研究總院，2015.