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2015年德力克推 出超导电炭黑


炭黑的导电性


炭黑的导电 性能与炭黑粒子的内部微观结构的改变、表面性质、粒子大小和 结构密切相关。炭黑粒子的 内部微观结构的改变对他的导电性能有显著影响,石墨化的炭 黑具有较高的导电率。当炭黑的表 面含有挥发份或焦油状杂质(即溶剂抽出物)时,由于炭黑表 面覆盖一层含氧化合物的膜,使炭黑粒子 表面形成一层绝缘层,这种绝缘层 的存在会显著地增加炭黑的电阻。

当把炭黑在 真空或惰性气体加热除去含氧挥发份和油状杂质后,其电阻会显著减小。当炭黑粒径减小,即他的分散度增加时,由于在单位 体积内粒子数目增加,也会是电阻减小。因此可以说,较细粒子的 炭黑具有较好的导电能力,炭黑的结构 是影响炭黑的导电性能的重要因素,这显然是由 于炭黑链枝结构或纤维结构的存在。

炭黑导电性能的测定,通常是测定 干炭黑的粉体电阻比。也就是把炭 黑在一个绝缘的圆筒中用金属柱塞电极压缩大恒压或恒体积是,测定其电阻 值并算出比体积电阻。前者称为定压法,后者成为定容法。定压法用的压力位100-130公斤/ 立方厘米。对高结构的炭黑,采用定容法 所测得的比电阻更能反映出与应用的关系。


炭黑的导电性能


炭黑是一种 半导体材料,常用导电率 或他的倒数电阻率表示他的电性能。炭黑的导电 性能与其微观结构,粒子大小,结构,表面性质等密切相关。

炭黑的微观 结构赋予炭黑导电性能。天然石墨单 晶或高度定向的热裂解石墨的电性能类似于半金属性质。即他的阶电 子与导电电子带之间的能带很低,小于0.04eV。而且由于石 墨层的取向,在电性能方 面也存在明显的各项异性。

石墨单晶在 横向上比电阻为5*10-5,纵向电阻为5*10-1。高出10000倍。对于炭黑聚集体而言,由于炭黑石 墨层的同心取向圆性质,绝大部分为纵向,所以电阻率 要高于石墨。

从微观方面解释。从最微观的角度讲,炭黑原子与 炭黑原子形成共价键,碳原子通过 共价键在电势上产生通路,电阻很小,所以每个微 晶的由碳原子组成的每个六角形网片层在导电上是很好的。

但是每个片 层与片层之间的是有距离的,这种距离虽然只有0.433nm,但没有像片 层原子之间导电性好。放大一些倍,这类微晶与微晶之间,要是片与片 横向排开并接触的话,可构成良好 的导电通路,但要是一层 压一层方式排列的话,层与层之间 导电性能又会差一大块出来。再放大一些。

碳炭黑据熔 体与炭黑据熔体接触,导电的方式 是层与层之间的导电,所以导电性 质并不是太好(比金属),当然炭黑的 导电性并不全是上述方式的导电,有一部分错 综复杂微晶也无序中形成横向通路,从而增加导电性,这种方式是少量的,并且是随机的。

最后说明,炭黑在胶料 中的形式并不是想我们想象中的那样均匀分布,大部分炭黑 炭黑粒子还是有数个或数十个炭黑聚集体抱到一块形成炭黑附聚体存在于橡胶中,混炼次数越多,炭黑附聚体 的聚集体数量就越少,相应的分散 到胶料中的炭黑就越显得均匀,但是混炼次数过多,会引起胶烧 或破坏炭黑基本粒径,降低炭黑结构,反而降低了导电性能。所以导电炭 黑如何在胶料中均有的分散是橡胶工作者需要解决的问题。如果能添加分散剂,就是说,既能改善分散性,又不会破坏 炭黑的结构,还不影响炭 黑表面纯洁度。可起到最好 的导电效果。


导电炭黑的应用


上述是炭黑 导电的基本机理,下面介绍炭 黑在胶料中导电的影响因素。炭黑的物化 性质与导电性有关。一般来说,粒子越小,导电性能越好,这是由于单 位体积内增加了炭黑的粒子数目。从而增加了 接触点或在分散体中减小了粒子间距离。使电阻减小,导电性增加。

所以细粒子 具有较高的导电性能。炭黑的结构 也是影响炭黑导电性的重要因素,高结构的炭 黑比正常结构的炭黑或低结构的炭黑具有更高的导电性。这显然是由 于高结构的炭黑存在的链枝结构(纤维结构)的存在,交织连接形 成更多的通路所致。炭黑表面的 挥发物或残留的焦油状物质,(即溶剂抽出物),使炭黑表面 覆盖一层含氧化合物的膜,或油状烃分子薄膜,形成了绝缘层。

增加了炭黑的电阻,使导电性降低。将炭黑在真 空或惰性气体中加热除去含氧基团或油状物质以后,导电性增加。炭黑表面的粗糙度,即空隙性也 影响炭黑的导电性。表面粗糙多 孔的炭黑其导电性增加,这是由于当 填充量一定时,粗糙多孔的 炭黑粒子比实心粒子间距要小。所以,导电性能好 的炭黑具有粒子细,结构高,表面纯净,粗糙多孔等特点。



炭黑的电阻率


炭黑的电阻 测量一般在压缩状态下进行,因为未压缩 的粉状炭黑体积多变,并含有高达90%以上的空隙。经造粒密实 的炭黑中仍有80%左右的空隙,大多数炭黑 如按粒子堆积计算,其空隙体积为40%左右。炭黑中存在 这么多孔隙,并易变,如不经过一 定程度的压缩者无法准确测量器其比电阻。压缩主要是 消除炭黑中过多的空隙,并增加聚集 体间接触或缩小粒子间距离,因此在一定 压力下才能比较不同炭黑的导电性。总得来说,炭黑的电阻 率随所施加压力或压强的增加而减小。
经过试验得知,炭黑的电阻 率不是有导电粒子的长度决定的,而是由链与 链之间的间隙决定的,这些间隙在 所施加压力不到1nm,因此,在这些局部 的间隙可能出现高电场,在足够高的 电势差下会引起场内致发射使电子穿过势垒。而在这种情况下,产生电子隧道效应,通过大量的导电通路(隧道)导电。在大量填充 情况下任何一种炭黑的导电率接近同一水平。



后处理的影响


热处理后的 炭黑对导电性有一定影响,当温度达到1200度,炭黑表面的 含氧基团和溶剂抽出物消失,炭黑的导电性增加,温度高于1200度后电阻增加,这是因为炭 黑表面被石墨化的结果。炭黑的石墨 层形成封闭的层壳,并形成同心取向。这样沿着顺 导的方向减少,从而形成炭 黑导电性能减弱。

总结:炭黑导电的 根本原理是炭黑附聚体(多个聚集体形成的团)中碳粒子之 间距离的远近和数量的多少觉得炭黑的胶料的导电性,就像金属导电,线号越粗的电线,越具有良好的导电性。所以可以从 下面几种方法选择导电炭黑。


1. 吸油值,即炭黑的结构,高结构的炭 黑导电性能好。
2. 灰分、杂质、筛余物等非碳物,减小非碳物的含量,相对增加炭 黑在胶料中的含量。
3. 粒径小,一般为20-40nm,一般导电炭 黑的粒径都集中在这个区域。
4. 挥发份低,表面含氧基团少,表现是炭黑呈中性。
5. 溶剂抽出物低,不易形成绝缘层。
6. 高吸碘,空壳炭黑最好。
7. 分散要好,炭黑分散均 匀对炭黑有效成分增加有直接关系。
8. 加热后处理炭黑更好。
9. 尽可能的多加量(在成本和不影响胶料性能的情况下)


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