炭黑填充在高聚物中又是怎樣實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電功能的呢?弄清楚這一點(diǎn)就可以為我們?cè)谥圃鞂?dǎo)電材料時(shí)進(jìn)一步掌握理論根據(jù)，從而在成型工藝上設(shè)法考慮對(duì)不同導(dǎo)電要求，采取相應(yīng)措施來(lái)得到所要求的導(dǎo)電材料。一般炭黑在聚合物中的導(dǎo)電機(jī)理有兩種說(shuō)法，即鏈鎖式導(dǎo)電通路和隧道效應(yīng)，但這兩者的最終結(jié)論都支持導(dǎo)電性的好壞決定于炭黑的種類(lèi)及用量這一說(shuō)法。
鏈鎖式導(dǎo)電通路
鏈鎖式導(dǎo)電通路的機(jī)理認(rèn)為，炭黑粒子必須在幾A(1A=0.1nm)以?xún)?nèi)的距離靠近(如圖11-5所示)，這樣就可產(chǎn)生電壓差，使炭黑粒子的∏電子依靠鏈鎖傳遞移動(dòng)通過(guò)電流。聚合物中炭黑粒子的分散狀態(tài)如圖11-6所示，從這個(gè)等價(jià)回路模型可以理解形成鏈鎖必須有一定的炭黑用量，才能出現(xiàn)強(qiáng)的導(dǎo)電現(xiàn)象，因而支配高分子材料導(dǎo)電性的最主要原因是炭黑的用量。這是最經(jīng)典的一種解釋。
隧道效應(yīng)
鏈鎖式導(dǎo)電通路是建立在炭黑必須形成鏈鎖的前提下提出來(lái)的。但是，最近用電子顯微鏡觀(guān)察拉伸狀態(tài)的橡膠不存在炭黑鏈鎖，卻仍有導(dǎo)電現(xiàn)象，這就是隧道效應(yīng)。其主要論點(diǎn)認(rèn)為，導(dǎo)電性是由炭黑粒子的隧道決定的。同時(shí)并有試驗(yàn)證明，隨著炭黑粒子間距的增大，體積電阻亦隨之升高。
還有電場(chǎng)放射導(dǎo)電機(jī)理，是因?yàn)樵谘芯刻亢谔畛涞母叻肿硬牧系碾妷?，電流特性時(shí)，發(fā)現(xiàn)其結(jié)果不符合歐姆定律，認(rèn)為其所以如此，是由于炭黑粒子間產(chǎn)生高的電場(chǎng)強(qiáng)度而發(fā)生電流導(dǎo)致電場(chǎng)放射。綜上所述，無(wú)論從哪種導(dǎo)電機(jī)理來(lái)理解，都認(rèn)為炭黑的種類(lèi)和配合量是支配材料最終所表現(xiàn)的導(dǎo)電性的主要因素。
炭黑填充材料的導(dǎo)電化。
炭黑填充高分子材料的導(dǎo)電化，主要是由炭黑的品種、用量、復(fù)合技術(shù)決定的。前面講了炭黑的品種，本節(jié)著重說(shuō)明炭黑用量及復(fù)合技術(shù)與材料導(dǎo)電化的關(guān)系。
①炭黑用量
從導(dǎo)電機(jī)理可以看到，在保證 性能符合要求時(shí)，為了提高導(dǎo)電性就應(yīng)增加炭黑用量。但這種用量與導(dǎo)電性的關(guān)系并非呈線(xiàn)性，而是按指數(shù)規(guī)律變化，這種規(guī)律可用下列表示
R=exp(a/W)p
式中R-材料的體積電阻;W-炭黑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)
a，p-由炭黑的橡膠種類(lèi)決定的常數(shù)
圖11-7和圖11-8就是不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乙炔炭黑分別添加氯丁橡膠和天然橡膠后其體積電阻的變化
雖然圖11-7和圖11-8中給出了最佳導(dǎo)電性所對(duì)應(yīng)的炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但在實(shí)際過(guò)程中炭黑用量的多少還應(yīng)考慮對(duì)其他性能包括工藝性能的影響。表11-3~表11-5分別表示乙炔和炭黑的用量對(duì)導(dǎo)電特性和物理機(jī)械性能的影響。
②復(fù)合技術(shù)
如果把炭黑的結(jié)構(gòu)，用量看作是實(shí)現(xiàn)材料導(dǎo)電化的主要因素，那么復(fù)合技術(shù)就是實(shí)現(xiàn)材料導(dǎo)電化的客觀(guān)條件。這兩者的關(guān)系就如同雞蛋一定要在適當(dāng)?shù)臏囟认虏拍芊醭鲂‰u一樣。
復(fù)合技術(shù)主要有以下幾個(gè)方面。
炭黑的表面處理為提高炭黑的分散性和與樹(shù)脂的親和力，需要采用適當(dāng)?shù)闹鷦┻M(jìn)行表面處理。
混煉
當(dāng)選用的高聚物與炭黑及其用量確定以后，材料的導(dǎo)電性能就決定于炭黑的分散狀態(tài)及鏈鎖的形成情況。在進(jìn)行混煉時(shí)往往最容易破壞的結(jié)構(gòu)而影響導(dǎo)電性。這就需要選擇適當(dāng)?shù)募庸ぴO(shè)備和手段。
混煉的目的，除了為保證后續(xù)加工的順利進(jìn)行外，從導(dǎo)電性來(lái)看還應(yīng)保證炭黑在聚合物中得到充分的分散。一般的混煉都是密煉機(jī)進(jìn)行，而為達(dá)到充分分散目的，往往容易隨意延長(zhǎng)混煉時(shí)間和轉(zhuǎn)速。因此，應(yīng)認(rèn)識(shí)到混煉時(shí)間與分散程度對(duì)導(dǎo)電性的影響，得到一個(gè)最佳混煉時(shí)間，以保證良好的分散性，從而也就得到了好的導(dǎo)電性。
圖11-9表示丁苯橡膠中加入導(dǎo)電炭黑后，其混煉時(shí)間與分散性及導(dǎo)電性的關(guān)系。
然而對(duì)于可塑性差的材料，短時(shí)間的混合難以達(dá)到均勻分散的程度，則可采取先將炭黑在溶液狀態(tài)下進(jìn)行混合(濕法)，這樣可以減少因混煉帶來(lái)的炭黑結(jié)構(gòu)破壞的現(xiàn)象，使導(dǎo)電性顯著增加。圖11-10表示了不同的混合方法使導(dǎo)電性的變化有顯著差別。
熟化
經(jīng)混煉后的半成品一般并不立即成型制品，而是要經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間存放或高溫處理后才能成型，這種混煉后的處理過(guò)程稱(chēng)為熟化。圖11-11表示不同的熟化條件對(duì)導(dǎo)電性的影響有顯著不同。即經(jīng)過(guò)熟化以后體積電阻上升，而且這種上升是隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷增加，溫度的影響則并不太大。
成型時(shí)間成型時(shí)間不僅是決定導(dǎo)電高分子材料的物理性能的重要工藝因素，而且也是決定其導(dǎo)電性能的因素。圖11-12表示填加乙炔炭黑的氯丁橡膠隨著硫化時(shí)間的延長(zhǎng)導(dǎo)電性增加的試驗(yàn)結(jié)果。這一點(diǎn)可以這樣來(lái)理解，當(dāng)在一定的高溫條件下，炭黑受高溫作用，其不純物和水分不斷除去，結(jié)構(gòu)也相對(duì)逐漸發(fā)達(dá)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)效果越好，最終使導(dǎo)電性能變好。當(dāng)時(shí)間延長(zhǎng)到一定值時(shí)，這種效應(yīng)就減弱以致沒(méi)有變化導(dǎo)電性基本不變。
成型溫度
在高分子材料成型工藝中，成型溫度往往與成形時(shí)間一起綜合考慮。一般升高溫度就相應(yīng)縮短時(shí)間，而降低溫度則應(yīng)延長(zhǎng)時(shí)間。那么當(dāng)時(shí)間一定時(shí)，隨著溫度分升高，導(dǎo)電性自然就會(huì)變好，其理由與時(shí)間延長(zhǎng)的解釋是一致的。圖11-13表示成形溫度與導(dǎo)電性的關(guān)系。
