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導電炭黑技術應用分析

炭黑與其他導電填充劑相比,對塑料、橡膠有補強作用。此外,控制炭黑添加量能得到不同導電率的聚合物。

一般研究認為,炭黑導電可用導電能帶、隧道效應來解釋,在炭黑填充聚合物當中,電傳導是沿著相接觸的粒子或被分離成很小的間隙進行。內部聚集平均距離受很多參數影響,包括濃度、結構、聚集體的大小和形態、尺寸分布、混合效果、溫度等。炭黑根據制法、原料不同可分成幾類,適宜用于導電填充劑的只是其中一部分,它們必須具備一些基本特性,如比表面積大、捕捉電子的雜質少、結晶度比較好等。



炭黑的結構性是以炭黑粒子間聚成鏈狀或葡萄狀的程度來表示的。由凝聚體的尺寸、形態和每一凝聚體中的粒子數量構成的凝聚體組成的炭黑稱為高結構炭黑。目前常用吸油值表示結構性,吸油值越大,炭黑結構性越高,容易形成空間網絡通道,而且不易破壞。高結構炭黑顆粒細,網狀鏈堆積緊密,比表面積大,單位質量顆粒多,有利于在聚合物中形成鏈式導電結構,其中在眾多炭黑品種中以乙炔炭黑為最佳。科學家還發現,粒徑分布寬的炭黑粒子比分布窄的炭黑粒子更能賦予聚合物導電性,并用統計方法解釋這個現象。粒徑分布寬的炭黑,少數大直徑粒子需要數目巨大,直徑更小的粒子給予補償,相同平均粒徑分布寬的炭黑比分布窄的炭黑有更多的粒子總數。

炭黑表面若含有大量氧官能團會影響自由電子的遷移,從而影響導電性。如一些熱裂法和槽法生產的炭黑除了結構性很差外,槽法炭黑表面還帶有大量活性基團,所以這兩種炭黑導電性都很差。

隨著炭黑填充量的增加,電阻值降低。一般在臨界體積分數處,其電阻值急劇降低。國內外探討填充量依賴性的種種研究,大部分都是探討導電粒子接觸的幾何學研究。該理論認為,炭黑填充量越大,處于分散狀態的炭黑粒子或炭黑粒子集合體的密度也越大,粒子間的平均距離越小,相互接觸的幾率越高,炭黑粒子或炭黑粒子集合體形成的導電通路也越多。



不同極性的高聚物與炭黑組成共混體系的極性越大,炭黑臨界體積分數就越大,意味著體系的導電性下降,因為炭黑表面含有很強的極性基團,基體極性大,作用增強,這時強度增加,卻妨礙導電粒子自身的凝集,以致導電性差。聚苯乙烯比聚丙烯、聚乙烯極性要強些,與炭黑極性更相近,所以達到相同的導電率需要更多的炭黑。

但是在多組分基體樹脂與炭黑組成的共混體系中,由于不同基體的極性不同,填充炭黑會產生偏析現象,這時導電性能取決于炭黑粒子在偏析相中的濃度和分布狀態,還取決于偏析相高聚物所占比例。

用鈦酸酯類偶聯劑處理炭黑表面,既可改善抗靜電性能,又可提高熔體流動性和材料力學性能,而分散劑和非表面活性劑可以防止炭黑粒子的聚集,使其在聚合物當中能夠均勻分散。此外將炭黑與陶土、滑石粉等物質并用,也可以提高改性效果。

在炭黑中加入低分子蠟,體系的粘度下降,導致體系所受剪切力作用減小,同時低分子蠟包容、浸潤炭黑粒子,使炭黑粒子內聚力下降。這兩種力下降幅度隨著分子蠟用量不同而不同。當剪切力的下降幅度大于內聚力的下降幅度時,炭黑就不能均勻分散,導電性能較差。

加工工藝也是影響導電性能的重要因素,主要包括:混煉條件、聚合物粘度、成型方法、熱處理及存放熟化等。

混煉條件影響導電性的研究有很多,國外科學家通過調節混煉時間分別測定對應的電阻值、力學性能及分散性結果表明,電阻值隨著混煉時間增加急速下降,達到一個最低值后,又逆向升高。

這種混煉影響不同炭黑種類、含量及不同基體時有所不同,結構發達的乙炔炭黑易受長時間剪切的破壞,因而電阻值上升較快,而結構不發達的烯酮EC炭黑受時間影響就較小。在低含量炭黑的情況下,這種影響也不明顯,但在臨界含量時,由于剪切對少量鏈接成通路的炭黑破壞嚴重,這時影響就十分敏感,而高含量時,由于鏈接作用的炭黑將會很多,在遭受鏈式破壞時,又會形成新的鏈式結構,這時受混煉條件影響又重新減弱。

不同成型方法對材料導電性影響很大。熱敏導電材料在采用不同的成型方法時就顯示不同導電特征,壓制成型過程中,對材料的導電特性影響不大。注射成型過程中增加一個熔融混合過程,使炭黑粒子在注射過程中縱向和橫向重新分布,使電阻增大。擠出成型時,在一定剪切力作用下,使炭黑粒子進一步分散,材料導電性提高。因此許多研究認為最適合采用的成型方法為擠出成型。

成型溫度、壓力及延伸率對電阻值都有影響,在導電塑料加工成型時,為了取得分散成各向異性的效果及把由于剪切力造成的炭黑結構破壞減小到最低限度,對一些加有彈性體、橡膠作為基體的導電塑料,往往需要交聯或加硫硫化,這時交聯、加硫條件、混合料的熟化及存放時間等都會影響材料導電性。

通過熱處理成型工藝,可使在加工中鏈狀結構發生變化的炭黑粒子有序化排列,形成更有利于導電的排列方式。熱處理使基體結晶趨于完善,結晶度提高使基體熔阻范圍變窄,在極窄的溫度范圍內電阻率迅速提高,同時結晶度提高。



導電塑料領域的開發主要集中在炭黑填料的改性及新型導電炭黑的開發兩方面。炭黑改性通常進行高溫熱處理,增加炭黑比表面積,并改善表面化學特性。而新型導電炭黑的研究開發也引人注目,用高溫裂解法從石油和焦油中制得的導電炭黑,其比表面積大,孔隙率高,將其填充到低密度聚乙烯中,可使復合材料電阻率降低,而力學性能基本不變。

盡管炭黑填充導電塑料的研究已有很大進展,但一些影響因素的試驗數據還很缺乏。隨著納米技術的發展,炭黑填充導電材料出現新的特性,炭黑填充導電材料的研究也將更加廣闊。

導電炭黑系列主要品種DL-10、DL-20、T-5代理科琴,捷克導電炭黑。 



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