導(dǎo)電炭黑填充材料的導(dǎo)電機(jī)理

1、導(dǎo)電炭黑填充材料的導(dǎo)電機(jī)理炭黑填充在高聚物中又是怎樣實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電功能的呢？弄清楚這一點(diǎn)就可以為我們?cè)谥圃鞂?dǎo)電材料時(shí)進(jìn)一 步掌握理論根據(jù)，從而在成型工藝上設(shè)法考慮對(duì)不同導(dǎo)電要求，采取相應(yīng)措施來(lái)得到所要求的導(dǎo)電材料。一般 炭黑在聚合物中的導(dǎo)電機(jī)理有兩種說(shuō)法，即鏈鎖式導(dǎo)電通路和隧道效應(yīng)，但這兩者的最終結(jié)論都支持導(dǎo)電性的 好壞決定于炭黑的種類(lèi)及用量這一說(shuō)法。鏈鎖式導(dǎo)電通路 鏈鎖式導(dǎo)電通路的機(jī)理認(rèn)為，炭黑粒子必須在幾A( 1A=0.1nm)以?xún)?nèi)的距離靠近(如 圖11-5所示)，這樣就可產(chǎn)生電壓差，使炭黑粒子的口電子依靠鏈鎖傳遞移動(dòng)通過(guò)電流。聚合物中炭黑粒子的 分散狀態(tài)如圖11-6所示，從這個(gè)等價(jià)回路模型可以

2、理解形成鏈鎖必須有一定的炭黑用量，才能出現(xiàn)強(qiáng)的導(dǎo)電現(xiàn) 象，因而支配高分子材料導(dǎo)電性的最主要原因是炭黑的用量。這是最經(jīng)典的一種解釋。隧道效應(yīng)鏈鎖式導(dǎo)電通路是建立在炭黑必須形成鏈鎖的前提下提出來(lái)的。但是，最近用電子顯微鏡 觀察拉伸狀態(tài)的橡膠不存在炭黑鏈鎖，卻仍有導(dǎo)電現(xiàn)象，逼就是隧道效應(yīng)。其主要論點(diǎn)認(rèn)為，導(dǎo)電性是由炭黑 粒子的隧道決定的。同時(shí)并有試驗(yàn)證明，隨著炭黑粒子間距的增大，體積電阻亦隨之升高。還有電場(chǎng)放射導(dǎo)電機(jī)理，是因?yàn)樵谘芯刻亢谔畛涞母叻肿硬牧系碾妷海娏魈匦詴r(shí)，發(fā)現(xiàn)其結(jié)果不符 合歐姆定律，認(rèn)為其所以如此，是由于炭黑粒子間產(chǎn)生高的電場(chǎng)強(qiáng)度而發(fā)生電流導(dǎo)致電場(chǎng)放射。綜上所述，無(wú) 論從哪種導(dǎo)電機(jī)理

3、來(lái)理解，都認(rèn)為炭黑的種類(lèi)和配合量是支配材料最終所表現(xiàn)的導(dǎo)電性的主要因素。炭黑填充材料的導(dǎo)電化炭黑填充高分子材料的導(dǎo)電化，主要是由炭黑的品種，用量，復(fù)合技術(shù)決定的。前 面講了炭黑的品種，本節(jié)著重說(shuō)明炭黑用量及復(fù)合技術(shù)于材料導(dǎo)電化的關(guān)系。炭黑用量從導(dǎo)電機(jī)理可以看到，在保證其他性能符合要求時(shí)，為了提高導(dǎo)電性就應(yīng)增加炭黑用量。但這 種用量于導(dǎo)電性的關(guān)系并非呈線(xiàn)性，而是按指數(shù)規(guī)律變化，這種規(guī)律可用下式表示R=exp (a/W) p式中R一材料的體積電阻;W一炭黑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；a，p一由炭黑的橡膠種類(lèi)決定的常數(shù)。圖11-7和圖11-8就是不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乙快炭黑分別添加氯丁橡膠和天然橡膠后其體積電阻的變化。雖

4、然圖11-7和圖11-8中給出了最佳導(dǎo)電性所對(duì)應(yīng)的炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但在實(shí)際過(guò)程中炭黑用量的多少還應(yīng)考 慮對(duì)其他性能包括工藝性能的影響。表11-3表11-5分別表示乙快和炭黑的用量對(duì)導(dǎo)電特性和物理機(jī)械性能的 影響。復(fù)合技術(shù)如果把炭黑的結(jié)構(gòu)，用量看作是實(shí)現(xiàn)材料導(dǎo)電化的主要因素，那么復(fù)合技術(shù)就是實(shí)現(xiàn)材料導(dǎo)電 化的客觀條件。這兩者的關(guān)系就如同雞蛋一定要在適當(dāng)?shù)臏囟认虏拍芊醭鲂‰u一樣。復(fù)合技術(shù)主要有以下幾個(gè)方面。炭黑的表面處理為提高炭黑的分散性和與樹(shù)脂的親和力，需要采用適當(dāng)?shù)闹鷦┻M(jìn)行表面處理?；鞜挳?dāng)選用的高聚物與炭黑及其用量確定以后，材料的導(dǎo)電性能就決定于炭黑的分散狀態(tài)及鏈鎖的形成情 況。在進(jìn)行混煉時(shí)往往

5、最容易破壞的結(jié)構(gòu)而影響導(dǎo)電性。這就需要選擇適當(dāng)?shù)募庸ぴO(shè)備和手段。混煉的目的，除了為保證后續(xù)加工的順利進(jìn)行外，從導(dǎo)電性來(lái)看還應(yīng)保證炭黑在聚合物中得到充分的分散。 一般的混煉都是密煉機(jī)進(jìn)行，而為達(dá)到充分分散目的，往往容易隨意延長(zhǎng)混煉時(shí)間和轉(zhuǎn)速。因此，應(yīng)認(rèn)識(shí)到混 煉時(shí)間與分散程度對(duì)導(dǎo)電性的影響，得到一個(gè)最佳混煉時(shí)間，以保證良好的分散性，從而也就得到了好的導(dǎo)電 性。圖11-9表示丁苯橡膠中加入導(dǎo)電炭黑后，其混煉時(shí)間與分散性及導(dǎo)電性的關(guān)系。然而對(duì)于可塑性差的材料，短時(shí)間的混合難以達(dá)到均勻分散的程度，則可采取先將炭黑在溶液狀態(tài)下進(jìn)行混 合（濕法），這樣可以減少因混煉帶來(lái)的炭黑結(jié)構(gòu)破壞的現(xiàn)象，使導(dǎo)電性顯著增

6、加。圖11-10表示了不同的混 合方法使導(dǎo)電性的變化有顯著差別。熟化經(jīng)混煉后的半成品一般并不立即成型制品，而是要經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間存放或高溫處理后才能成型，這種 混煉后的處理過(guò)程稱(chēng)為熟化。圖11-11表示不同的熟化條件對(duì)導(dǎo)電性的影響有顯著不同。即經(jīng)過(guò)熟化以后體積 電阻上升，而且這種上升是隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷增加，溫度的影響則并不太大。成型時(shí)間成型時(shí)間不僅是決定導(dǎo)電高分子材料的物理性能的重要工藝因素，而且也是決定其導(dǎo)電性能的因 素。圖11-12表示填加乙快炭黑的氯丁橡膠隨著硫化時(shí)間的延長(zhǎng)導(dǎo)電性增加的試驗(yàn)結(jié)果。這一點(diǎn)可以這樣來(lái)理 解，當(dāng)在一定的高溫條件下，炭黑受高溫作用，其不純物和水分不斷除去，結(jié)構(gòu)也相對(duì)逐漸發(fā)達(dá)，隨著時(shí)間的 延長(zhǎng)效果越好，最終使導(dǎo)電性能變好。當(dāng)時(shí)間延長(zhǎng)到一定值時(shí)，這種效應(yīng)就減弱以致沒(méi)有變化導(dǎo)電性基本不變。成型溫度在高分子材料成型工藝中，成型溫度往往與成形時(shí)