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导电炭黑技术详解 |
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导电炭黑技术：利用某些炭黑的低电阻或高电阻性能，使其用不同的产品，如导电橡胶，无线电元件等等，称为导电炭黑。乙炔炭黑是导电炭黑
导电炭黑 conductive carbon black 具有低电阻或高电阻性能的炭黑。可赋予制品导电或防静电作用。其特点为粒径小，比表面积大且粗糙，结构高，表面洁净(化合物少)等。可应用于不同的产品，如导电橡胶、导电塑料、无线电元件等。主要品种有用于电池工业的乙炔炭黑等。
炭黑同碳黑。碳黑本身是半导体材料，导电碳黑具有较低的电阻率，能够使橡胶或塑料具有一定的导电性能，用于不同的导电或抗静电制品，如抗静电或导电橡胶、塑料制品、电缆料；还可以做干电池的原材料。
导电碳黑按其导电性能和制造方法可分为：导电炉法碳黑（CF）、超导电炉法碳黑（SCF）、特导电炉法碳黑（XCF）等。乙炔碳黑也是导电性能很好的碳黑。
利用某些炭黑的低电阻或高电阻性能，使其用不同的产品，如导电橡胶，无线电元件等等，称为导电炭黑。乙炔炭黑是导电炭黑的一个重要品种，多用于电池工业中，此外，尚有炉法导电炭黑，槽法导电炭黑等。
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。
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。
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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