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  a101178780 2017-07-15 00:00:00

  1 塑料導(dǎo)電專用炭黑的發(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)性能損失嚴重，因而不能用作導(dǎo)電材料，其在塑料中的使用價值、用量非常有限。油爐法炭黑品種中還沒有專用的塑料用導(dǎo)電炭黑，曾列入ASTM D 1765 —96a.“橡膠用炭黑”標準中的N472 (美國Cabot 公司生產(chǎn)的XC - 72) ，是60 年代開發(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。以后德國Degussa 公司開發(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)計院前幾年曾開發(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獲得較好的導(dǎo)電性，它們在橡膠中使用時可以借助強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。但當將其用于塑料制品時，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)電機理是不相同的。一方面是由于炭黑發(fā)達的結(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脂形成勢壘，電子不能直接流通，但當有電壓時，電子可以靠隧道效應(yīng)導(dǎo)電，即電子要在勢壘處發(fā)生電子躍遷，形成隧道導(dǎo)電。實際上，在聚合物復(fù)合物導(dǎo)電過程中，這兩種導(dǎo)電機理是同時存在的，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。 2 影響炭黑導(dǎo)電性能的因素 211 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，若炭黑粒子過小，因塑料塑化后剪切力小，故分散性差，炭黑以大量的小團塊存在于基料中，使導(dǎo)電塑料制品的力學(xué)性能降低，失去實用價值。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，同時不破壞或少破壞制品原有的力學(xué)性能。 212 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，一般說來，DBP 值高時炭黑呈鏈枝狀結(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)微觀結(jié)構(gòu)，說明其結(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，Z好使炭黑的結(jié)構(gòu)成線狀結(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)，用少量炭黑即可達到抗靜電作用。 213 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。 214 表面揮發(fā)分 炭黑表面的揮發(fā)分主要是由一些有機基團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壘，嚴重影響導(dǎo)電性，必須將揮發(fā)分控制在較低限度內(nèi)。 215 灰分和水分 炭黑中灰分和水分含量高，實際上降低了炭黑的含量，同樣對導(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。 3 塑料導(dǎo)電專用炭黑在PE、PVC 中的應(yīng)用 炭黑在聚合物中用作導(dǎo)電材料時，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 - 103 Ω·cm ;超導(dǎo)電聚合物電阻率在1 - 103Ω·cm。和國外塑料導(dǎo)電專用炭黑品種系列相比，我國現(xiàn)在還沒有國產(chǎn)的塑料導(dǎo)電專用炭黑，許多塑料廠在需要該產(chǎn)品時，只得高價進口，或者采用橡膠用導(dǎo)電炭黑 以及橡膠用炭黑來代替。從國外塑料導(dǎo)電專用炭黑的技術(shù)指標來看，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)上對我們是一個挑戰(zhàn)，開發(fā)塑料導(dǎo)電專用炭黑是我國炭黑工業(yè)的當務(wù)之急。 塑料導(dǎo)電專用炭黑在塑料行業(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行靜電防護的地方。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，會形成高達幾萬伏的靜電高壓，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)線有60 多條(從國外引進30 條，國內(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 。實際上，每條生產(chǎn)線都開工不足，但 即使按10 kt/ a 計，其中塑料導(dǎo)電專用炭黑的填充量一般為30 % ，則半導(dǎo)電屏蔽料中塑料導(dǎo)電專用炭黑的用量也可達3 kt/ a 左右。由于進口塑料導(dǎo)電專用炭黑價格太高，國內(nèi)塑料生產(chǎn)廠家難以承受。電纜廠的高壓交聯(lián)半導(dǎo)電料也有20 %需進口。即使是生產(chǎn)35 kV電纜用半導(dǎo)電屏蔽料，合格的廠家也不多。提高炭黑的導(dǎo)電性能，促進半導(dǎo)電屏蔽料的國產(chǎn)化，可大大降低電線電纜成本，并節(jié)約大量外匯。隨著我國工業(yè)水平的不斷提高，塑料在生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用越來越多，同時，防靜電和阻燃問題也越來越迫切。許多行業(yè)，如石油、化工、紡織、電子、印刷等已對此提出了明確要求，特別是煤礦用管材的抗靜電、阻燃問題更顯得十分突出。 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輸帶、板、管材以及井下用抗靜電阻燃導(dǎo)風(fēng)筒布等等。

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