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炭黑对高分子材料电性能的影响.doc

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炭黑对高分子材料电性能的影响姓名:单显朋学号:20130591专业:材料科学与工程班级:材料 1305 班电话号码:18148010718炭黑对高分子材料电性能的影响【摘要】:由于炭黑资源丰富、成本低、加工方便、性能稳定的优异特点,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,以及注重混合分散与成型加工条件,最后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】: 炭黑的性能非常多,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,炭黑还有导电的作用。高分子材料中被填充炭黑后其体积电阻率就会大大降低。但是降低的程度则是由炭黑粒子的性能和其填充量所决定的。在其他条件不影响的前提下,炭黑原生粒子越小,其原生聚集体则越小。而随着炭黑结构的增多,则高分子混合物体积的电阻率就越来越小。而对于炭黑来说,其导电性能的基本要求有粒径小,结构高度比较发达,以及具有多孔性这一特点。而毫无疑问,炭黑的含量则直接影响到高分子混合物的导电性能,炭黑含量达到一个临界浓度高分子材料的导电性能才最佳。1、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,人们是从导电渗滤现象开始研究的。大量的实验结果表明,是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。为了解释这种现象,人们提出了各种不同的理论。其中较为成功的理论有 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表面变成湿润的界面,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。当体系界面过剩达到一个与聚合物种类无关的普适常数之后,粒子开始形成导电网络,宏观上表现为电阻率突降。还有 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 在此基础上提出“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 等人则提出了“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,导电通路实际上是被〝冻结的耗散结构〞。而 Gubbels 等人则已经利用体系的能量最小化趋势和动力学特性成功地将炭黑粒子控制位于PE/PS 的界面,形成最优导电通路结构。1.2、回路形成后的导电机理 ——隧道效应体系在具有导电能力之后,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。通常导电炭黑加入后,无法真正达到多项均匀分布,总有部分粒子互相接触而形成链状导电通道,使复合材料得以导电;另情况则是导电炭黑粒子则以孤立粒子或小聚集体形式分布在绝缘的树脂高分子树脂基体中,基本上不参与导电,但如果它们之间距离很近,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;或者当内部电场很强时,树脂界面层充当内部分布电容的作用,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是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,炭黑粒子表面场强一般小于 106V/cm,隧道效应起主要作用;在低填量高电压下,炭黑粒子表面场强一般大于 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是正常的。但在用于导电塑料制品时,若炭黑粒子过小,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,失去实用价值。所以要把炭黑的粒径控制在一定范围内,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内的炭黑粒子数,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 、炭黑结构DBP 值的大小代表了炭黑聚集体结构的高低,一般说来,DBP 值高时炭黑呈链枝状结构,导电性较好。各种重油造气副产品炭黑的 DBP 值都非常高,而从电子显微镜发现它们是空壳形态微观结构,说明其结构并非很高。它的高导电性可能一是由于其单位质量下体积更大的结果,二是剪切破坏了部分一次结构,产生了大量的新微粒。要获得在塑料中好的导电性能,炭碳黑必须是粒径较大,结构不宜太高,最好使炭黑的结构成线状结构。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,用少量炭黑即可达到抗静电作用。2.3 、
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