导电炭黑填充材料的导电机理

导电炭黑填充材料的导电机理

炭黑填充在高聚物中又是怎样实现导电功能的呢？弄清楚这一点就可以为我们在制造导电材料时进一步掌握理论根据，从而在成型工艺上设法考虑对不同导电要求，采取相应措施来得到所要求的导电材料。一般炭黑在聚合物中的导电机理有两种说法，即链锁式导电通路和隧道效应，但这两者的最终结论都支持导电性的好坏决定于炭黑的种类及用量这一说法。

链锁式导电通路链锁式导电通路的机理认为，炭黑粒子必须在几A（1A＝0.1nm）以内的距离靠近（如图11-5所示），这样就可产生电压差，使炭黑粒子的∏电子依靠链锁传递移动通过电流。聚合物中炭黑粒子的分散状态如图11-6所示，从这个等价回路模型可以理解形成链锁必须有一定的炭黑用量，才能出现强的导电现象，因而支配高分子材料导电性的最主要原因是炭黑的用量。这是最经典的一种解释。

隧道效应链锁式导电通路是建立在炭黑必须形成链锁的前提下提出来的。但是，最近用电子显微镜观察拉伸状态的橡胶不存在炭黑链锁，却仍有导电现象，這就是隧道效应。其主要论点认为，导电性是由炭黑粒子的隧道决定的。同时并有试验证明，随着炭黑粒子间距的增大，体积电阻亦随之升高。

还有电场放射导电机理，是因为在研究炭黑填充的高分子材料的电压，电流特性时，发现其结果不符合欧姆定律，认为其所以如此，是由于炭黑粒子间产生高的电场强度而发生电流导致电场放射。综上所述，无论从哪种导电机理来理解，都认为炭黑的种类和配合量是支配材料最终所表现的导电性的主要因素。

炭黑填充材料的导电化炭黑填充高分子材料的导电化，主要是由炭黑的品种，用量，复合技术决定的。前面讲了炭黑的品种，本节着重说明炭黑用量及复合技术于材料导电化的关系。

①炭黑用量从导电机理可以看到，在保证其他性能符合要求时，为了提高导电性就应增加炭黑用量。但这种用量于导电性的关系并非呈线性，而是按指数规律变化，这种规律可用下式表示

R＝exp（a/W）p

式中R－材料的体积电阻；

W－炭黑的质量分数；

a，p－由炭黑的橡胶种类决定的常数。

图11-7和图11-8就是不同质量分数的乙炔炭黑分别添加氯丁橡胶和天然橡胶后其体积电阻的变化。

虽然图11-7和图11-8中给出了最佳导电性所对应的炭黑质量分数，但在实际过程中炭黑用量的多少还应考虑对其他性能包括工艺性能的影响。表11-3~表11-5分别表示乙炔和炭黑的用量对导电特性和物理机械性能的影响。

②复合技术如果把炭黑的结构，用量看作是实现材料导电化的主要因素，那么复合技术就是实现材料导电化的客观条件。这两者的关系就如同鸡蛋一定要在适当的温度下才能孵出小鸡一样。

复合技术主要有以下几个方面。

炭黑的表面处理为提高炭黑的分散性和与树脂的亲和力，需要采用适当的助剂进行表面处理。

混炼当选用的高聚物与炭黑及其用量确定以后，材料的导电性能就决定于炭黑的分散状态及链锁的形成情况。在进行混炼时往往最容易破坏的结构而影响导电性。这就需要选择适当的加工设备和手段。

混炼的目的，除了为保证后续加工的顺利进行外，从导电性来看还应保证炭黑在聚合物中得到充分的分散。一般的混炼都是密炼机进行，而为达到充分分散目的，往往容易随意延长混炼时间和转速。因此，应认识到混炼时间与分散程度对导电性的影响，得到一个最佳混炼时间，以保证良好的分散性，从而也就得到了好的导电性。

图11-9表示丁苯橡胶中加入导电炭黑后，其混炼时间与分散性及导电性的关系。

然而对于可塑性差的材料，短时间的混合难以达到均匀分散的程度，则可采取先将炭黑在溶液状态下进行混合（湿法），这样可以减少因混炼带来的炭黑结构破坏的现象，使导电性显著增加。图11-10表示了不同的混合方法使导电性的变化有显著差别。

熟化经混炼后的半成品一般并不立即成型制品，而是要经过一定的时间存放或高温处理后才能成型，这种混炼后的处理过程称为熟化。图11-11表示不同的熟化条件对导电性的影响有显著不同。即经过熟化以后体积电阻上升，而且这种上升是随着时间的延长而不断增加，温度的影响则并不太大。

成型时间成型时间不仅是决定导电高分子材料的物理性能的重要工艺因素，而且也是决定其导电性能的因素。图11-12表示填加乙炔炭黑的氯丁橡胶随着硫化时间的延长导电性增加的试验结果。这一点可以这样来理解，当在一定的高温条件下，炭黑受高温作用，其不纯物和水分不断除去，结构也相对逐渐发达，随着时间的延长效果越好，最终使导电性能变好。当时间延长到一定值时，这种效应就减弱以致没有变化导电性基本不变。

成型温度在高分子材料成型工艺中，成型温度往往与成形时间一起综合考虑。一般升高温度就相应缩短时间，而降低温度则应延长时间。那么当时间一定时，随着温度分升高，导电性自然就会变好，其理由与时间延长的解释是一致的。图11-13表示成形温度与导电性的关系。