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導(dǎo)電炭黑在塑料中的應(yīng)用，你都了解嗎?
一、塑料導(dǎo)電專(zhuān)用炭黑的發(fā)展歷史
炭黑95 %以上用于橡膠制品,炭黑作為導(dǎo)電性材料,特別是乙炔炭黑,主要用于干電池中,在塑料中用作導(dǎo)電性功能填料是一個(gè)較新的領(lǐng)域。但乙炔炭黑的生產(chǎn)造成的環(huán)境污染比較嚴(yán)重,而且乙炔炭黑在橡膠、塑料中的加工性較差,制成品的力學(xué)性能也較差。
合成氨重油造氣時(shí)副產(chǎn)的炭黑,由于其制造成本太高,而且它在塑料中的分散性非常差,使塑料制品的力學(xué)性能損失嚴(yán)重,因而不能用作導(dǎo)電材料,其在塑料中的使用價(jià)值、用量非常有限。
油爐法炭黑品種中還沒(méi)有專(zhuān)用的塑料用導(dǎo)電炭黑,曾列入ASTM D 1765 —96a.“橡膠用炭黑”標(biāo)準(zhǔn)中的N472 (美國(guó)Cabot 公司生產(chǎn)的XC - 72) ,是60 年代開(kāi)發(fā)的一種橡膠用導(dǎo)電炭黑,由于它的粒徑較大,在塑料中的分散性也較好,是一種良好的塑料用導(dǎo)電炭黑。之后，德國(guó)Degussa 公司開(kāi)發(fā)了Corax L 系列導(dǎo)電炭黑,日本旭碳公司也于60 年代中期開(kāi)發(fā)了一種橡膠用導(dǎo)電爐黑,等等。
炭黑工業(yè)研究設(shè)計(jì)院前幾年曾開(kāi)發(fā)的橡膠用導(dǎo)電爐法炭黑TD系列產(chǎn)品是基于降低炭黑粒子的粒徑,提高炭黑的比表面積來(lái)獲得較好的導(dǎo)電性,它們?cè)谙鹉z中使用時(shí)可以借助強(qiáng)勁的剪切力而獲得良好的分散,制得導(dǎo)電性好、力學(xué)性能好的導(dǎo)電橡膠制品。但當(dāng)將其用于塑料制品時(shí),依然存在力學(xué)性能差、使用效果不好的缺陷。這同樣是由于TD 系列炭黑不能在塑料中獲得良好的分散所致。
炭黑加入到塑料中后,由于炭黑的填充量和分散程度不同,使得炭黑在塑料中的導(dǎo)電機(jī)理是不相同的。一方面是由于炭黑發(fā)達(dá)的結(jié)構(gòu),使炭黑粒子之間相互接觸形成導(dǎo)電通道;另一方面是由于炭黑粒子數(shù)量不足,或分散均勻后,炭黑粒子之間不能相互接觸,在炭黑粒子之間有一層薄的樹(shù)脂形成勢(shì)壘,電子不能直接流通,但當(dāng)有電壓時(shí),電子可以靠隧道效應(yīng)導(dǎo)電,即電子要在勢(shì)壘處發(fā)生電子躍遷,形成隧道導(dǎo)電。實(shí)際上,在聚合物復(fù)合物導(dǎo)電過(guò)程中,這兩種導(dǎo)電機(jī)理是同時(shí)存在的,只是導(dǎo)電的效率不同而已。由于導(dǎo)電復(fù)合物在使用時(shí)的條件不同,如交流、直流、高頻、低頻、電磁波屏蔽等等,炭黑在其中的作用有所區(qū)別。
二、影響炭黑導(dǎo)電性能的因素
1.炭黑粒徑
理論上,炭黑的粒徑越小,單位體積中的粒子數(shù)越多,有利于提高導(dǎo)電性。這在橡膠用導(dǎo)電制品中是正常的。但在用于導(dǎo)電塑料制品時(shí),若炭黑粒子過(guò)小,因塑料塑化后剪切力小,故分散性差,炭黑以大量的小團(tuán)塊存在于基料中,使導(dǎo)電塑料制品的力學(xué)性能降低,失去實(shí)用價(jià)值。所以要把炭黑的粒徑控制在一定范圍內(nèi),才能保證炭黑既可在塑料中獲得良好的分散,又可大大增加塑料中單位體積內(nèi)的炭黑粒子數(shù),提高塑料制品的導(dǎo)電性能,同時(shí)不破壞或少破壞制品原有的力學(xué)性能。
2.炭黑結(jié)構(gòu)
DBP 值的大小代表了炭黑聚集體結(jié)構(gòu)的高低,一般說(shuō)來(lái),DBP 值高時(shí)炭黑呈鏈枝狀結(jié)構(gòu),導(dǎo)電性較好。各種重油造氣副產(chǎn)品炭黑的DBP 值都非常高,而從電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)它們是空殼形態(tài)微觀(guān)結(jié)構(gòu),說(shuō)明其結(jié)構(gòu)并非很高。它的高導(dǎo)電性可能一是由于其單位質(zhì)量下體積更大的結(jié)果,二是剪切破壞了部分一次結(jié)構(gòu),產(chǎn)生了大量的新微粒。要獲得在塑料中好的導(dǎo)電性能,炭黑必須是粒徑較大,結(jié)構(gòu)不宜太高,最好使炭黑的結(jié)構(gòu)成線(xiàn)狀結(jié)構(gòu)。一方面可促使炭黑在塑料中的分散,另一方面有利于形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),用少量炭黑即可達(dá)到抗靜電作用。
3.炭黑粗糙度
由于炭黑的導(dǎo)電需要有一定的粗糙度,使炭黑易形成導(dǎo)電通道,故要求炭黑的氮吸附表面積和CTAB表面積的差值較大。
4.表面揮發(fā)分
炭黑表面的揮發(fā)分主要是由一些有機(jī)基團(tuán)和未能完全裂解的油膜結(jié)成,形成一層絕緣層,增加了炭黑粒子之間的勢(shì)壘,嚴(yán)重影響導(dǎo)電性,必須將揮發(fā)分控制在較低限度內(nèi)。
5.灰分和水分
炭黑中灰分和水分含量高,實(shí)際上降低了炭黑的含量,同樣對(duì)導(dǎo)電性有不利的影響,在生產(chǎn)中要注意控制炭黑中灰分及水分的含量。相比之下Ketjen BlackEC 和乙炔炭黑的含碳量均高達(dá)9918 %左右,而一般炭黑則不到98 %。水分含量一般應(yīng)控制在215 %以下,否則將產(chǎn)生大量的氣泡,影響制品的力學(xué)性能。
三、塑料導(dǎo)電專(zhuān)用炭黑在PE、PVC 中的應(yīng)用
炭黑在聚合物中用作導(dǎo)電材料時(shí),由于它可以不同的比例填充到聚合物中,使聚合物復(fù)合物的電性能可以在101 - 1014Ω·cm 之間選擇,如防靜電聚合物電阻率在105 - 106Ω·cm ;導(dǎo)電聚合物電阻率在103 - 105Ω·cm ;高導(dǎo)電聚合物電阻率在102 - 103Ω·cm ;超導(dǎo)電聚合物電阻率在1 - 103Ω·cm。
和國(guó)外塑料導(dǎo)電專(zhuān)用炭黑品種系列相比,我國(guó)現(xiàn)在還沒(méi)有國(guó)產(chǎn)的塑料導(dǎo)電專(zhuān)用炭黑,許多塑料廠(chǎng)在需要該產(chǎn)品時(shí),只得高價(jià)進(jìn)口,或者采用橡膠用導(dǎo)電炭黑以及橡膠用炭黑來(lái)代替。從國(guó)外塑料導(dǎo)電專(zhuān)用炭黑的技術(shù)指標(biāo)來(lái)看,適于塑料的品種主要是一些粒徑比較大的高結(jié)構(gòu)炭黑,這在技術(shù)上對(duì)我們是一個(gè)挑戰(zhàn),開(kāi)發(fā)塑料導(dǎo)電專(zhuān)用炭黑是我國(guó)炭黑工業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。
塑料導(dǎo)電專(zhuān)用炭黑在塑料行業(yè)中廣泛用于高壓交聯(lián)電纜的半導(dǎo)電屏蔽料以及其它需要進(jìn)行靜電防護(hù)的地方。由于塑料是一種高絕緣性材料,表面富聚的靜電電荷不易排除,會(huì)形成高達(dá)幾萬(wàn)伏的靜電高壓,所以像用于包裝電子器件或電器產(chǎn)品的塑料薄膜,需具有導(dǎo)電性,否則其表面的靜電將會(huì)使其包裝的電子產(chǎn)品發(fā)生損壞。
現(xiàn)在急需使用塑料導(dǎo)電專(zhuān)用炭黑的導(dǎo)電塑料制品主要有100 000 kV 以上高壓電纜的半導(dǎo)電屏蔽料。從調(diào)查的結(jié)果看,目前用于高壓交聯(lián)電纜的內(nèi)、外半導(dǎo)電屏蔽電纜生產(chǎn)線(xiàn)有60 多條(從國(guó)外引進(jìn)30 條,國(guó)內(nèi)制造20 多條) ,生產(chǎn)能力約為50 Mm/ a ,約需半導(dǎo)電屏蔽料25 kt 。
實(shí)際上,每條生產(chǎn)線(xiàn)都開(kāi)工不足,但即使按10 kt/ a 計(jì),其中塑料導(dǎo)電專(zhuān)用炭黑的填充量一般為30 % ,則半導(dǎo)電屏蔽料中塑料導(dǎo)電專(zhuān)用炭黑的用量也可達(dá)3 kt/ a左右。由于進(jìn)口塑料導(dǎo)電專(zhuān)用炭黑價(jià)格太高,國(guó)內(nèi)塑料生產(chǎn)廠(chǎng)家難以承受。電纜廠(chǎng)的高壓交聯(lián)半導(dǎo)電料也有20 %需進(jìn)口。即使是生產(chǎn)35 kV電纜用半導(dǎo)電屏蔽料,合格的廠(chǎng)家也不多。提高炭黑的導(dǎo)電性能,促進(jìn)半導(dǎo)電屏蔽料的國(guó)產(chǎn)化,可大大降低電線(xiàn)電纜成本,并節(jié)約大量外匯。
隨著我國(guó)工業(yè)水平的不斷提高,塑料在生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用越來(lái)越多,同時(shí),防靜電和阻燃問(wèn)題也越來(lái)越迫切。許多行業(yè),如石油、化工、紡織、電子、印刷等已對(duì)此提出了明確要求,特別是煤礦用管材的抗靜電、阻燃問(wèn)題更顯得十分突出。
此外,還有許多電子器材、導(dǎo)電性涂料、油漆、防靜電工作服等都需要使用各種特殊性能的導(dǎo)電炭黑。雖然塑料導(dǎo)電專(zhuān)用炭黑主要是用于導(dǎo)電塑料制品,但在橡膠制品中也有廣泛的用途。用大粒徑的塑料導(dǎo)電專(zhuān)用炭黑,在橡膠中可以生產(chǎn)出高彈性的導(dǎo)電橡膠制品,用于各種抗靜電的運(yùn)輸帶、板、管材以及井下用抗靜電阻燃導(dǎo)風(fēng)筒布等等。
