2021年（完整版）炭黑对高分子材料电性能的影响.docx

精品word 可编辑资料 - - - - - - - - - - - - ---炭黑对高分子材料电性能的影响：单显朋学号： 20210591专业：材料科学与工程班级：材料 1305班：- word.zl.第 1 页，共 9 页 - - - - - - - - - -精品word 可编辑资料 - - - - - - - - - - - - ---炭黑对高分子材料电性能的影响【摘要】： 由于炭黑资源丰富.本钱低.加工便利.性能稳固的优异特点，使炭黑填充型导电复合材料成为应用最广泛的导电复合材料， 本文介绍了导电炭黑在高分子材料中的导电机理， 影响炭黑导电性能的因素， 以及留意混合分散与成型加工条件，最终重点介绍了炭黑用量对复合材料电性能的影响以及填充型导电 塑料；【关键词】： 炭黑；导电性；复合材料【前言】： 炭黑的性能特别多，如在橡胶中作为填充剂，在油墨中担任着色剂的角色； 除此之外， 炭黑仍有导电的作用； 高分子材料中被填充炭黑后其体积电阻率就会大大降低； 但为降低的程度那么为由炭黑粒子的性能和其填充量所打算的；在其他条件不影响的前提下， 炭黑原生粒子越小， 其原生集合体那么越小；而随着炭黑构造的增多， 那么高分子混合物体积的电阻率就越来越小； 而对于炭黑来说， 其导电性能的根本要求有粒径小， 构造高度比拟兴盛， 以及具有多孔性这一特点；而毫无疑问，炭黑的含量那么直接影响到高分子混合物的导电性能， 炭黑含量到达一个临界浓度高分子材料的导电性能才最正确；一.导电炭黑在高分子材料中的导电机理1.1 .导电通路形成理论 在导电通路形成理论方面，人们为从导电渗滤现象开场讨论的；大量的试验结果说明， 为复合体系中导电炭黑的含量增加到某一临界含量时， 体系的电阻率急剧降低； 为了说明这种现象， 人们提出了各种不同的理论；其中较为胜利的理论有 Miyasaka热力学理论， 认为高分子树脂基体与导电炭黑之间的界面效应对导电回路的形成具有很大的影响；在复合物的制备过程中， 导电炭黑粒子的自由外表变成潮湿的界面， 体系产生了界面能过剩， 随着填料的- word.zl.第 2 页，共 9 页 - - - - - - - - - -精品word 可编辑资料 - - - - - - - - - - - - ---增加，界面能过剩不断增大； 当体系界面过剩到达一个与聚合物种类无关的普适常数之后，粒子开场形成导电网络，宏观上表现为电阻率突降；仍有 Kirkpatrick 等人提出的统计渗滤模型，将导电填料视为点在数组上的随机分布， Guland 在此根底上提出“平均接触数〞 m 的概念， m 在 1.35-1.5之间电导率发生突变；Wessling等人那么提出了“动态界面模型〞，指出粒子移动的驱动力来源于体系 的界面自由能，导电通路实际上为被〝冻结的耗散构造〞；而 Gubbels等人那么 已经利用体系的能量最小化趋势和动力学特性胜利地将炭黑粒子掌握位于PE/PS 的界面，形成最优导电通路构造；1.2 .回路形成后的导电机理——隧道效应 体系在具有导电才能之后，及分布于 高分子树脂基体中的导电炭黑的电子传输问题显得极为重要，目前有导电通道. 隧道效应和场致发射学说；通常导电炭黑参与后，无法真正到达多项匀称分布， 总有局部粒子相互接触而形成链状导电通道， 使复合材料得以导电； 另情形那么为导电炭黑粒子那么以孤立粒子或小集合体形式分布在绝缘的树脂高分子树脂基体中，根本上不参与导电，但假如它们之间距离很近，那么在电场作用下，由于热振动而被激活的电子就能越过树脂界面层的势垒跃迁到相邻的导电粒子上，形成较大的隧道电流， 量子力学中称之为隧道效应； 或者当部电场很强时， 树脂界面层充当局部布电容的作用， 电子飞越树脂界面层的势垒， 产生场致发射电流；复合导电材料的导电性能为这三种导电机理作用的竞争结果； 一般来说， 在低填量低电压下，炭黑粒子外表场强一般小于 106V/cm ，隧道效应起主要作用；在低填量高电压下， 炭黑粒子外表场强一般大于 107V/cm ，场致发射电流起主要作用；在高填量时，炭黑粒子密度高，可形成大量导电通道，导电能带作用更加明显； 二.炭黑的物理性质对高分子材料电性能的影响- word.zl.第 3 页，共 9 页 - - - - - - - - - -精品word 可编辑资料 - - - - - - - - - - - - ---2.1 .炭黑粒径理论上 、炭黑的粒径越小 、单位体积中的粒子数越多 、有利于提高导电性；这在橡胶用导电制品中为正常的；但在用于导电塑料制品时 、假设炭黑粒子过小 、因塑料塑化后剪切力小 、故分散性差 、炭黑以大量的小团块存在于基料中 、使导电塑料制品 的力学性能降低 、失去有用价值；所以要把炭黑的粒径掌握在肯定围 、才能保证炭黑既可在塑料中获得良好的分散 、又可大大增加塑料中单位体积的炭黑粒子数 、提高塑料制品的导电性能 、同时不破坏或少破坏制品原有的力学星能；2.2 .炭黑构造DBP 值的大小代表了炭黑集合体构造的上下 、一般说来 、DBP 值高时炭黑呈链枝状构造 、导电性较好；各种重油造气副产品炭黑的 DBP 值都特别高 、而从电子显微镜发觉它们为空壳形状微观构造 、说明其构造并非很高；它的高导电性可 能一为由于其单位质量下体积更大的结果 、二为剪切破坏了局部一次构造 、产生了大量的新微粒；要获得在塑料中好的导电性能 、炭碳黑必需为粒径较大 、构造不宜太高、最好使炭黑的构造成线状构造；一方面可促使炭黑在塑料中的分散 、另一方面有利于形成导电网络 、用少量炭黑即可到达抗静电作用；2.3 .炭黑粗糙度由于炭黑的导电需要有肯定的粗糙度 、使炭黑易形成导电通道 、故要求炭黑的氮吸附外表积和 CTAB 外表积的差值较大；2.4 .外表挥发分炭黑外表的挥发分主要为由一些有机基团和未能完全裂解的油膜结成 、形成一层绝缘层 、增加了炭黑粒子之间的势垒 、严峻影响导电性 、必需将挥发分掌握在较低限度；- word.zl.第 4 页，共 9 页 - - - - - - - - - -精品word 可编辑资料 - - - - - - - - - - - - ---2.5 .灰分和水分炭黑中灰分和水分含量高 、实际上降低了炭黑的含量 、同样对导电性有不利的影响、在生产中要留意掌握炭黑中灰分及水分的含量；水分含量一般应掌握在 215 %以下、否那么将产生大量的气泡 、影响制品的力学性能；三.成型加工条件与混合分散对高分子材料电性能的影响3.1 成型加工条件炭黑填充复合型导电塑料的成型过程， 实质上仍旧为其中的炭黑凝结与再分散的动态过程； 所以尽管挑选了导电性符合要求的导电塑料粒料， 但往往会由于成型加工条件不当， 得不到符合导电性要求的制品； 相反， 有时成型前半成品粒料的导电性看起来尚不符合要求， 但经过恰当的工艺调剂， 成型品却到达了质量标准要求；种种情形说明最终成型加工条件的掌握对炭黑填充复合型导电塑料制 品的导电性有着至关重要的影响； 特别为对炭黑用量与电阻率围处于逾渗区间的情形，材料的工艺敏锐性很强； 由于在熔料的剪切流淌过程中， 过高的剪切应力会致使炭黑导电链的断开，从而使导电性下降；因此，通常情形下，在注射成型 中，提高注射速率，增大注射压力，会使材料的导电性变差，而以较大的射口和 浇道，较低的螺杆转速和背压，有利于改善导电性；同理，在挤出成型中，应防 止使用带有混炼元件.屏障螺杆.高压缩比.熔体泵的挤出成型机；塑料熔体在 流道中作层流流淌时，流道壁面处的剪切应力最大；特别为模温较低的情形下， 壁面处高的剪切应力同样会引起近壁处炭黑导电链的断开， 使制品外表层的导电性下降；所以，无论在挤出或注射成型中，提高模具温度，都可以降低制品外表 电阻率；此外，在挤出成型中，假设采纳真空定型，那么过强的抽真空作用会使- word.zl.第 5 页，共 9 页 - - - - - - - - - -精品word 可编辑资料 - - - - - - - - - - - - ---制品表层成为富树脂层， 其中炭黑粒子浓度会有所降低， 同样也使制品外表的导电性下降；因此，生产中对真空度的调剂也必需特别细致；3.2 混合与分散为使炭黑填充复合型导电塑料获得较为中意的导电性与其它各项性能， 混合与分散的程序以及工艺条件，都为极为重要的；在导电聚氯乙烯〔 PVC〕制品生产过程中， 捏合工艺有着举足轻重的作用； 投料次序. 捏合终点温度的掌握等都会影响其导电性能. 外观及力学性能； 特别为在添加增塑剂的情形下， 需要保证增塑剂根本被 PVC 树脂吸取后，再参与炭黑；否那么，具有很高比外表积的高构造性的碳黑，会优先地吸取增塑剂；这样，一为不利于增塑作用的发挥，不利 于后续的塑化过程，未吸取到增塑剂的 PVC 树脂基体的粘流温度较高，粘度较大，因而炭黑不易分散； 二为炭黑吸附了增塑剂液体后， 更增大了颗粒间的凝结力，而凝结后的炭黑团圆体分散更为困难； 分散程度的严峻缺乏， 无论为对导电性.外观仍为韧性都为极为不利的； 在捏合终点的掌握上， 当采纳较高的终点温度时， PVC 树脂分子链热运动加强，不仅使增塑剂在树脂颗粒部得到了有效的扩散混合，而且使 PVC 助剂如金属皂类稳固剂.润滑剂等可熔固体助剂在混合 过程中得到充分熔融.扩散，到达混合匀称，更有利于后续的塑化加工，使制品 各项性能到达较佳状态；又如在制备聚苯乙烯〔 PS〕与丁苯胶〔 SBR〕共混型炭黑填充导电塑料 PS/SBR/ 炭黑〔75/25/ 炭黑〕导电塑料时，将炭黑第一制成 SBR母料，再与 PS混炼，要比将炭黑先制成 PS 母料后与 SBR混炼，或直接将炭黑.SBR.PS一步法混炼，其导电性要好得多；四.炭黑用量对复合材料电性能的影响- word.zl.第 6 页，共 9 页 - - - - - - - - - -精品word 可编辑资料 - - - - - - - - - - - - ---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；国外探讨填充量依靠性的种种讨论， 大局部都为探讨导电粒子接触的几何学讨论； 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；随着炭黑填充量的增加 、粒子间距缩小、当接近或呈接触状态时 、便形成大量导电网络通道 、导电性能大大提高 、连续增加炭黑用量那么对导电性影响不明显；而 Miyas aka热力学理论认为：高分子树脂基体与导电填料之间的界面效应对导电回路的形成具有很大的影响； 在复合物的制备过程中，导电填料粒子的外表变成潮湿的界面，体系产生了界面能过剩， 随着填料的增加， 界面能过剩不断增大， 当体系界面过剩到达一个与聚合物种类无关的普适。