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导电炭黑-影响导电炭黑导电性能的各项因素有哪些?

发表时间:2019-02-28 18:30作者:利华进炭黑

影响导电炭黑导电性的因素

(1)炭黑的结构对导电性的影响

作为导电填料的炭黑应具备以下几点要求:一是结构性高〔5〕。炭黑的结构性是指炭黑粒子与粒子之间聚结成链状的程度,组成聚集体的粒子越多,结构性越高;形成网状结构的几率越大,导电性越好。一般用吸油值(DBP)来表征炭黑的孔隙度,即结构性。国内通常称DBP<0.9ml/g为低结构;DBP在0.9ml/g~1.2ml/g为中结构;DBP>1.2ml/g为高结构〔1〕;二是比表面积大。比表面积越大,炭黑粒子尺寸越小,单位体积内的颗粒就越多,越容易彼此接触形成网状通路,因此导电性就越好;三是炭黑的表面化学。在炭黑生产过程中,炭黑表面常形成一些活性含氧基因,这些官能团的存在影响电子的迁移,会使导电性下降,可采用PH值来表征该项指标。表面官能团少的炭黑通常成弱碱性或中性。根据以上要求选用来源广泛的乙炔炭黑,国内的超导黑以及进口超导黑进行对比分析,结果见表1。从炭黑的性能指标及价格两方面综合考虑,选择超导黑-3做为主要导电填料。

1 几种炭黑的物理-化学性能

   项 目

乙炔黑

超导黑-1

超导黑-2

超导黑-3

超导黑-4

吸油值/(ml.g-1)

3.4

1.11

1.12

1.45

4.2

比表面积/(m2.g-1)

60

177.4

218.6

358.2

440.8

PH值

7.52

6.85

8.3

7.5

8.8

(2)炭黑的添加量与种类对电性能的影响

  导电塑料的导电性是由塑料中导电填料的粒子相互连接形成导电通路得到的〔2〕。因此炭黑的添加量是研制导电塑料关键之一,以超导黑-3为例,见图1。炭黑含量低时,导电率小。随着炭黑含量的增加,粒子间接触增多,形成网状几率加大,导电性增加。达到一定含量后导电率变化加大。在此种情况下控制炭黑添加量,可以方便地调节导电塑料所需的导电率。若再继续增加炭黑含量,导电率上升平缓并趋于一定值。图2为几种不同种类炭黑的含量与电性能的关系曲线。用户可根据需要选择不同超导黑。体积电阻率在106ΩNaN以上时可选用乙炔黑。体积电阻率要求在103ΩNaN以下时可选用超导黑-4。

图片1.png

1 超导黑-3的填加量与导电率关系

图片2.png

2 不同种类炭黑添加量与电性能关系

A-超导黑-4;B-超导黑-3;C-乙炔炭黑

(3)基体树脂的选择

  选定一种炭黑后,所用聚合物的结构、形态、导电性也有差异。在实验过程中选择了ABS和PP作为基体树脂,采用超导黑-3作导电填料。在ABS原料中,乙炔黑含量为25份时,体积电阻率为104ΩNaN;而在PP料中炭黑含量为21份时,体积电阻率就可以达到104ΩNaN。这是由于PP是部分结晶形聚合物,球晶的存在对炭黑的分散有利。同时由于PP的MI比ABS的高,熔融状态下炭黑易与PP混合,且PP价格更便宜。

3.2 共混方法的选择

  导电塑料的配方确定之后,共混方法的选择和工艺控制是影响电性能的关键。为了得到电性能均匀的产品,炭黑填充导电塑料的加工采取如下几种方式。

(1)双螺杆造粒工艺过程

图片3.png

  双螺杆造粒时采用了强制下料,由于炭黑含量多,体积大,下料不均匀,有时局部炭黑过多,使下料困难甚至堵塞出料孔,这些现象造成制品导电性不均匀,为此采取如下措施:第一,反复造粒对提高混合料的熔体指数是很有效的。炭黑含量为21份时,不同的加工次数对MI的影响,见表2;第二,采取炭黑分次加入方法,一般采取两次加入造粒可使加工性能得到改善,且制品均匀性好;第三,加入流动性好的组份改善其熔体的流动性。例如:在含有21份炭黑的PP导电粒料中加入高压聚乙炔,可使熔体指数由2.5g/10min增至5.4g/10min。

2 造粒次数对MI的影响

(2)开炼机碾压混合

  这种方法有利于在配方中混入更多的炭黑。用此方法应注意的是碾压次数及时间要加以控制,否则炭黑结构会被破坏,影响其导电性〔3〕。

(3)双辊压延与双螺杆造粒配合应用

  由于炭黑易飞扬且同粒料混合时下料不均匀,为改善环境,根据试验得出以下较理想的工艺路线。

  用该工艺路线生产的破碎料是浓缩的,可根据需要调整浓缩料的含量来达到生产电阻值不同的系列化产品。这样改善了造粒时的生产环境,使颗粒料电性能均匀。用该工艺路线作出的样品体积电阻率测试结果见表3。

图片4.png

3 炭黑填充导电粒料电性能测试

炭黑是由烃类化合物经热分解而成的。以脂肪烃为主要成分的天然气和以脂肪烃与芳香烃混合物为主要成分的重油均可作为制备炭黑的原料。  
   在热分解过程中,烃类化合物先形成碳的六元环,并进一步脱氢缩合形成多环式六角形网状结构层面。这种层面3~5个重叠则成为晶子,大量晶子无规则的堆砌,就形成了炭黑的球形颗粒。
   在制备过程中,炭黑的初级球形颗粒彼此凝聚,形成大小不等的二级链状聚集体,称为炭黑的结构。链状聚集体越多,称为结构越高。炭黑的结构因其制备方法和所用原料的不同而异。炭黑的结构高低可用吸油值大小来衡量,吸油值定义为100克炭黑可吸收的亚麻子油的量。在粒径相同的情况下,吸油值越大,表示结构越高。
   炭黑以元素碳为主要成分,并结合少量的氢和氧,吸附少量的水分。此外还含有少量硫、焦油、灰分等杂质。炭黑中氢的含量一般为0.3%~0.7%,是由芳香族多环化合物缩合不完全剩余下的。其中一部分以烯烃或烷烃的形式结合在晶子层面末端的碳原子上,另一部分则与氧结合形成官能团存在于颗粒表面上。通常,结合在晶子层面末端碳原子上的氢愈少,炭黑的结构愈高。氢的含量愈低,炭黑的导电性愈好。
   炭黑中的氧是炭黑粒子与空气接触而自动氧化结合的。其中大部分以CO2的形式吸附在颗粒表面上,少部分则以羟基、羧基、羰基、醌基和内酯基的形式结合在炭黑颗粒表面。一定数量含氧基团的存在,有利于炭黑在聚合物中的分散,因此对聚合物的导电性有利。炭黑的含氧量随制备方法不同而异,一般为1%~4%。
   炭黑颗粒表面一般吸附有1%~3%的水分,其含量大小与炭黑的表面性质有关。炭黑的比表面积愈大,氧的含量愈高,则水分吸附量愈大。水分的存在虽有利于导电性能提高,但通常使电导率不稳定,故应严格控制。


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