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| 炭黑填充型导电塑料的研究与应用 | |
| 金大地炭黑厂 | |
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炭黑与其他导电填充剂相比，对塑料、橡胶有补强作用。此外，控制炭黑添加量能得到不同导电率的聚合物。
一般研究认为，炭黑导电可用导电能带、隧道效应来解释，在炭黑填充聚合物当中，电传导是沿着相接触的粒子或被分离成很小的间隙进行。内部聚集平均距离受很多参数影响，包括浓度、结构、聚集体的大小和形态、尺寸分布、混合效果、温度等。炭黑根据制法、原料不同可分成几类，适宜用于导电填充剂的只是其中一部分，它们必须具备一些基本特性，如比表面积大、捕捉电子的杂质少、结晶度比较好等。
炭黑的结构性是以炭黑粒子间聚成链状或葡萄状的程度来表示的。由凝聚体的尺寸、形态和每一凝聚体中的粒子数量构成的凝聚体组成的炭黑称为高结构炭黑。目前常用吸油值表示结构性，吸油值越大，炭黑结构性越高，容易形成空间网络通道，而且不易破坏。高结构炭黑颗粒细，网状链堆积紧密，比表面积大，单位质量颗粒多，有利于在聚合物中形成链式导电结构，其中在众多炭黑品种中以乙炔炭黑为最佳。科学家还发现，粒径分布宽的炭黑粒子比分布窄的炭黑粒子更能赋予聚合物导电性，并用统计方法解释这个现象。粒径分布宽的炭黑，少数大直径粒子需要数目巨大，直径更小的粒子给予补偿，相同平均粒径分布宽的炭黑比分布窄的炭黑有更多的粒子总数。
炭黑表面若含有大量氧官能团会影响自由电子的迁移，从而影响导电性。如一些热裂法和槽法生产的炭黑除了结构性很差外，槽法炭黑表面还带有大量活性基团，所以这两种炭黑导电性都很差。
随着炭黑填充量的增加，电阻值降低。一般在临界体积分数处，其电阻值急剧降低。国内外探讨填充量依赖性的种种研究，大部分都是探讨导电粒子接触的几何学研究。该理论认为，炭黑填充量越大，处于分散状态的炭黑粒子或炭黑粒子集合体的密度也越大，粒子间的平均距离越小，相互接触的几率越高，炭黑粒子或炭黑粒子集合体形成的导电通路也越多。
不同极性的高聚物与炭黑组成共混体系的极性越大，炭黑临界体积分数就越大，意味着体系的导电性下降，因为炭黑表面含有很强的极性基团，基体极性大，作用增强，这时强度增加，却妨碍导电粒子自身的凝集，以致导电性差。聚苯乙烯比聚丙烯、聚乙烯极性要强些，与炭黑极性更相近，所以达到相同的导电率需要更多的炭黑。
但是在多组分基体树脂与炭黑组成的共混体系中，由于不同基体的极性不同，填充炭黑会产生偏析现象，这时导电性能取决于炭黑粒子在偏析相中的浓度和分布状态，还取决于偏析相高聚物所占比例。用钛酸酯类偶联剂处理炭黑表面，既可改善抗静电性能，又可提高熔体流动性和材料力学性能，而分散剂和非表面活性剂可以防止炭黑粒子的聚集，使其在聚合物当中能够均匀分散。此外将炭黑与陶土、滑石粉等物质并用，也可以提高改性效果。
在炭黑中加入低分子蜡，体系的粘度下降，导致体系所受剪切力作用减小，同时低分子蜡包容、浸润炭黑粒子，使炭黑粒子内聚力下降。这两种力下降幅度随着分子蜡用量不同而不同。当剪切力的下降幅度大于内聚力的下降幅度时，炭黑就不能均匀分散，导电性能较差。
加工工艺也是影响导电性能的重要因素，主要包括：混炼条件、聚合物粘度、成型方法、热处理及存放熟化等。
混炼条件影响导电性的研究有很多，国外科学家通过调节混炼时间分别测定对应的电阻值、力学性能及分散性结果表明，电阻值随着混炼时间增加急速下降，达到一个最低值后，又逆向升高。这种混炼影响不同炭黑种类、含量及不同基体时有所不同，结构发达的乙炔炭黑易受长时间剪切的破坏，因而电阻值上升较快，而结构不发达的烯酮EC炭黑受时间影响就较小。在低含量炭黑的情况下，这种影响也不明显，但在临界含量时，由于剪切对少量链接成通路的炭黑破坏严重，这时影响就十分敏感，而高含量时，由于链接作用的炭黑将会很多，在遭受链式破坏时，又会形成新的链式结构，这时受混炼条件影响又重新减弱。
不同成型方法对材料导电性影响很大。热敏导电材料在采用不同的成型方法时就显示不同导电特征，压制成型过程中，对材料的导电特性影响不大。注射成型过程中增加一个熔融混合过程，使炭黑粒子在注射过程中纵向和横向重新分布，使电阻增大。挤出成型时，在一定剪切力作用下，使炭黑粒子进一步分散，材料导电性提高。因此许多研究认为最适合采用的成型方法为挤出成型。成型温度、压力及延伸率对电阻值都有影响，在导电塑料加工成型时，为了取得分散成各向异性的效果及把由于剪切力造成的炭黑结构破坏减小到最低限度，对一些加有弹性体、橡胶作为基体的导电塑料，往往需要交联或加硫硫化，这时交联、加硫条件、混合料的熟化及存放时间等都会影响材料导电性。
通过热处理成型工艺，可使在加工中链状结构发生变化的炭黑粒子有序化排列，形成更有利于导电的排列方式。热处理使基体结晶趋于完善，结晶度提高使基体熔阻范围变窄，在极窄的温度范围内电阻率迅速提高，同时结晶度提高。
导电塑料领域的开发主要集中在炭黑填料的改性及新型导电炭黑的开发两方面。炭黑改性通常进行高温热处理，增加炭黑比表面积，并改善表面化学特性。而新型导电炭黑的研究开发也引人注目，用高温裂解法从石油和焦油中制得的导电炭黑，其比表面积大，孔隙率高，将其填充到低密度聚乙烯中，可使复合材料电阻率降低，而力学性能基本不变。
尽管炭黑填充导电塑料的研究已有很大进展，但一些影响因素的试验数据还很缺乏。随着纳米技术的发展，炭黑填充导电材料出现新的特性，炭黑填充导电材料的研究也将更加广阔。
10/18/2012 | |
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