碳系导电填料在导电涂料中的应用专利综述

樊宝珠 刘暄

摘 要：碳系导电填料具有成本低、结构高、无毒无害等优点，已成为导电涂料中应用最广泛的导电填料之一。本文通过检索、筛选、统计和分析国内外有关碳系导电填料在导电涂料中应用的专利申请，对该领域的专利申请情况、地域分布、重要申请人和技术演进发展进行梳理，为行业发展提供参考。

关键词：炭黑；石墨；碳纤维；碳纳米管；石墨烯

中图分类号：TQ637 文献标识码：A 文章编号：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

导电涂料是一种涂敷于非导电基材上，使之具有排除基体内的累积电荷和传导电流的功能性涂料，其价格低廉、工艺简便，具有防静电和屏蔽电磁波的作用，已被广泛应用于电子、建筑、航空航天、石油化工等领域中[1]。导电涂料主要通过添加外加导电填料来实现导电功能，碳系导电涂料具有成本低、质轻、结构高、无毒无害等优点，是目前导电涂料领域中用量较大的一种功能涂料。最早使用的碳系导电填料为炭黑、石墨[2]，其来源广泛、成本低廉，在低端导电涂料的研发中得到了较多的应用。随后，碳纤维、碳纳米管[3-4]、石墨烯[3]以优异的性能在导电填料领域得到了应用广泛。

本文利用国家知识产权局专利检索系统的DWPI数据库，检索了截至2017年碳系导电涂料领域的发明专利情况，对炭黑、石墨、碳纤维、碳纳米管和石墨烯5种导电填料在全球和中国的申请情况、关键技术分布情况及技术发展脉络进行统计和分析。

1 申请趋势分析

在全球范围内，碳系导电涂料的发展大致经历了4个时期。

1.1 萌芽期（1963—1990年）

全球范围内关于碳系导电涂料的专利起源于1963年，即以炭黑为填料的导电涂料，随后以石墨为填料的导电涂料发展起来，1970—1990年全球申请量一直处于波浪式增长的状态，总体是呈现升高趋势，但导电填料也仅局限于炭黑和石墨，此时是导电填料的摸索阶段。

1.2 平稳增长期（1991—2008年）

我国在碳系导电涂料方面的申请起步较晚，第一件涉及碳系导电涂料的专利出现于1991年，同时在这一时期，由于具有良好导电和高强的碳纤维和碳纳米管的使用，全球专利申请呈现平稳增长趋势，越来越多的企业跨过了技术门槛，如炭黑、石墨、碳纳米管的分散以及碳纤维的生长，这也为后续碳系导电涂料的增长奠定了基础。

1.3 快速增长阶段（2009—2014年）

此阶段，全球和中国专利出现爆发式快速增长，到2014年到达顶峰，这主要归因于性能优异的石墨烯在导电涂料领域的迅速发展，而且与碳纳米管的复合、分散和改性等专利技术的研发有关。

1.4 衰減期（2015年至今）

经历了2014年的申请顶峰后，2015、2016年国际和国内的专利申请量均出现了明显的下滑趋势，这与一些专利还处于未公开状态有关。

2 地域分布分析

专利申请的技术来源国分布可以反映出各国企业、研究团体等在碳系导电涂料领域的研发水平，目标国家分布可以反映出哪些国家是碳系导电涂料的主要应用市场。在碳系导电涂料领域，中国、日本、美国、韩国、德国是专利申请的主要来源国，其中中国占据36%，日本占据31%。由此可见，虽然中国在碳系导电涂料领域起步较晚，但已成为目前全球最大的申请国家。原因在于导电涂料的应用领域为电子、化工、建筑、航天和军事等多个领域，而近年来中国在上述领域发展迅速，因而导电涂料的申请量有所提高。另外，碳系导电涂料在全球的目标市场国比较多，其中中国、日本、美国、欧盟和韩国是世界上碳系导电涂料的主要应用市场，而德国虽然为专利申请的主要来源国，但其并非是碳系导电涂料的主要目标国家。由此可见，德国虽然在碳系导电涂料的研究上具有一定的研究成果，但其并不是主要的应用市场。综上，中国、日本和美国是碳系导电涂料的主要技术来源国和目标市场国，其在该领域中占据了重要的地位。

3 重要申请人分析

虽然有关碳系导电涂料的申请较多，但申请人分布比较广泛，多为企业，少量的是个人或者高校等科研院所。排名前十位的申请人主要有松下电器、国家电网公司、电气化学工业株式会社、杜邦公司、关西涂料有限公司、日立化学股份有限公司、HITACHI FUNMATSU YAKIN KK、三菱重工股份有限公司、PPG工业俄亥俄公司和日本拓自达电线株式会社。从以上可以看出，排名前十位的申请人中有50%来自日本，我国仅占席3位，美国2位，这表明在该领域的研发和发展中日本占据了重要的地位，美国和我国实力几乎相当。另外，排名靠前的几位重要的申请人均是企业性质，没有涉及相关的高校和科研院所，从侧面反映了碳系导电涂料在市场上有一定的经济价值。

4 技术发展演进

2 000年以前，专利申请主要涉及以炭黑和石墨为导电填料的导电涂料，但由于炭黑和石墨表面张力较低、粒子间具有较强的凝聚力，通常很难在树脂或溶剂中分散，因此，研究方向偏向于采用一些分散剂、偶联剂、表面活性剂等对炭黑或石墨进行分散；另外，将炭黑或石墨与其余种类的导电填料、聚合物导电材料等复配共同来提高涂膜的导电性也成为研究方向之一。对于碳纤维，发展于2000年，其导电性介于炭黑和石墨之间，但由于碳纤维具有较大的长径比，易相互缠绕，不易分散，常需要用分散剂等进行分散或将其预先分散在树脂中，其研究方向还偏向于微细碳纤维以及与碳管、炭黑、金属等导电填料的复合。

碳纳米管和石墨烯导电涂料虽然起步较晚，但兴起迅速，研究重点主要在碳纳米管和石墨烯的分散、与无机/有机材料的复合，在分散方面，常将碳纳米管或石墨烯进行氧化使其功能化，再与带活性基团的组分进行反应或形成氢键，一方面能使碳纳米管均匀高效地分散于聚合物中，另一方面还可赋予其优良的性能。此外，将石墨烯或碳管与其他导电填料进行复合来改善涂膜性能也是其发展趋势之一。

5 结语

虽然我国在碳系导电涂料领域起步较晚，但发展速度，已成为碳系导电涂料的主要应用市场。碳系导电涂料的重要专利主要集中在企业当中，即该领域在工业上具有良好的发展前景。另外，碳系导电涂料种类较多，其最主要的问题是碳系导电涂料的分散、復配及改性，这也将会成为该领域的主要发展方向。

参考文献：

[1] 李红达.导电涂料的制备与性能[D].上海：上海大学，2014.

[2] 于晓辉.导电涂料的研制开发与应用[D].昆明：昆明理工大学，2005.

[3] 王望，郭彦峰，孙振锋.碳系导电油墨填料的研究进展[J].化工进展，2015（12）：4259-4264.

[4] 张涛.碳纳米管导静电涂料的研制及性能研究[D].北京：机械科学研究总院，2015.