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滕参等／炭黑填充聚合物导电复合材料的研究和应用概术

炭黑填充聚合物导电复合材料的研究和应用概术

滕参闻荻江

(苏州大学材料工程学院，苏州，215021)

摘要：概述了目前国内外炭黑填充聚合物导电复合材料的研究现状及应用。主要对炭黑填充聚合物复合材料
的导电性能、正负温度效应尤其是低碳含量炭黑填充聚合物抗静电材料进行了讨论。
关键词：炭黑；聚合物；抗静电；导电性；复合材料

复合型导电高分子材料是高分子材料与导率降低。
电物质通过分散复合、层压复合以及形成表面导1．2炭黑对复合材料导电性能的影响
电膜等方式构成的一种功能高分子材料。由于炭黑填充聚合物导电复合材料的电性能与
加工容易，导电性可在很大范围内调节，故已经炭黑的种类、结构、填充量密切相关。作为导电
在电线电缆屏蔽层、自控温伴热电缆等方面得到填料的炭黑，其导电性与其比表面积、结构性、表
了实际的应用。其中分散复合型导电高分子材面化学性质有关l3J。
料是填充导电粒子或导电纤维，如炭黑、碳纤1．2．1炭黑种类对复合材料导电性能的影响
维l】．2J、金属粉、金属纤维及金属玻璃纤维等，它
具有质轻、耐用、易加工、导电性稳定等优点，近
年来，市场需求不断增加。炭黑与其它导电填充
剂相比，具有对塑料橡胶有补强作用、控制添加

量能得到任意的导电率、价格低廉等优点，因此a
目前应用最广泛。关于炭黑填充的复合材料的
研究已做得很多。本文概述炭黑填充聚合物导
电复合材料的研究与应用。

1研究现状

图l体积电阻率与炭黑含量的关系【5
1．1炭黑导电机理
l一特导电炭．2一乙炔炭黑．3一油炉法炭黑
炭黑填充聚合物导电一般研究认为可用导
电能带、隧道效应和场致发射来解释，在黑填充郑裕J等研究了炭黑种类对炭黑填充聚乙
聚合物中，电传导是沿着相接触的粒子或被分离烯复合材料导电性能的影响(见图1)。结果表
成很小的间隙进行，这些内部聚集态空隙是电子明，特导电炭黑的复合体系的电阻率明显低于乙
通过隧道跳跃的潜在垫垒。内部聚集态平均距炔炭黑的复合体系的电阻率，而乙炔炭黑的复合
离受很多参数影响，包括浓度、结构、聚集体的大体系的电阻率又明显低于普通炭黑的复合体系
小和形态、尺寸分布、混合效果、温度等。内部聚的电阻率。特导电炭黑粒径小、比表面积大、结
集态空隙的减小将使电流增长率增大，宏观电阻构性高，其聚集体呈松散的纤维状结构，在基体

，收稿LJ期：2004一II一10

l6

塑料加工2004年第39卷第6期

中，炭黑粒子相互接触的几率大，较小的含量就时，随着炭黑含量的增加，体系电阻率略有下降，
可以形成导电通路，表现为渗滤阈值低、复合材复合体系仍然表现为绝缘性质，体系电阻率的下
料的电阻率小。乙炔炭黑的粒径、比表面积、结降只是由于炭黑的掺杂作用引起的，复合体系还
构化程度不如特导电炭黑，复合材料的渗滤阈值没有形成导电通路；当炭黑含量增加到某一临界
和电阻率介于特导电炭黑和普通炭黑之间。普值(即逾渗阀值)时，体系电阻率急剧下降，导电
通炭黑的结构化程度最低，粒子间相互接触的几性迅速提高，高于渗滤区时，体系由炭黑粒子相
率小，导电性最差。互接触而导电，体系形成了完整的导电通路，此
1．2．2炭黑含量对复合材料导电性能的影响时，随着炭黑含量的增加，体系电阻率不再有明
国内外许多研究者对炭黑含量对复合材料显变化。如图1所示。由引可见，可以通过降低
导电性能的影响进行了大量的研究C3J。研究逾渗阀值()来降低炭黑含量而不影响复合材
结果表明：随着炭黑量增加，复合材料的电阻率料的导电性能。HOGYUYoon及Kyungwon
下降，导电性能提高。但是电阻率不是随着炭黑Kwon等L8研究了用偶联剂对炭黑进行处理对复
含量的增加成比例地下降，当炭黑含量比较低合材料导电性能的影响，如图2所示。

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图2炭黑表面处理对材料导电性能的影响【】

结果表明，用APS偶联剂处理过的碳黑填表明，以LDPE为基体的复合材料，其电阻率与
充材料的渗流阀值(：)显著降低，而TPS偶联渗滤阈值均高于以HDPE为基体的复合材料。
剂处理后的效果不太明显。胺类偶联主amine—这一结果是因两种树脂的结晶度不同而致。由
terminatedcoupling)对碳黑进行处理会对材料的于LDPE的结晶度比HDPE低，在相同炭黑含量
导电性能产生巨大的影响。因为由氨基和羧基的情况下，处于聚合物非晶相中的炭黑粒子，其
生成的胺盐会降低团聚碳黑粒子间电荷转移的在LDPE中的浓度较在HDPE中的浓度要低，因
屏蔽能或对电荷转移产生积极的效应。这种降而形成的导电通路就少，电阻率偏高。也正因于
低炭黑含