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導電炭黑探究
炭黑的導電性
炭黑的導電性能與炭黑粒子的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的改變、表面性質(zhì)、粒子大小和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。炭黑粒子的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的改變對他的導電性能有顯著影響，石墨化的炭黑具有較高的導電率。當炭黑的表面含有揮發(fā)份或焦油狀雜質(zhì)（即溶劑抽出物）時，由于炭黑表面覆蓋一層含氧化合物的膜，使炭黑粒子表面形成一層絕緣層，這種絕緣層的存在會顯著地增加炭黑的電阻。當把炭黑在真空或惰性氣體加熱除去含氧揮發(fā)份和油狀雜質(zhì)后，其電阻會顯著減小。當炭黑粒徑減小，即他的分散度增加時，由于在單位體積內(nèi)粒子數(shù)目增加，也會是電阻減小。因此可以說，較細粒子的炭黑具有較好的導電能力，炭黑的結(jié)構(gòu)是影響炭黑的導電性能的重要因素，這顯然是由于炭黑鏈枝結(jié)構(gòu)或纖維結(jié)構(gòu)的存在。
炭黑導電性能的測定，通常是測定干炭黑的粉體電阻比。也就是把炭黑在一個絕緣的圓筒中用金屬柱塞電極壓縮大恒壓或恒體積是，測定其電阻值并算出比體積電阻。前者稱為定壓法，后者成為定容法。定壓法用的壓力位100-130公斤/立方厘米。對高結(jié)構(gòu)的炭黑，采用定容法所測得的比電阻更能反映出與應用的關(guān)系。
炭黑的導電性能
炭黑是一種半導體材料，常用導電率或他的倒數(shù)電阻率表示他的電性能。炭黑的導電性能與其微觀結(jié)構(gòu)，粒子大小，結(jié)構(gòu)，表面性質(zhì)等密切相關(guān)。
炭黑的微觀結(jié)構(gòu)賦予炭黑導電性能。天然石墨單晶或高度定向的熱裂解石墨的電性能類似于半金屬性質(zhì)。即他的階電子與導電電子帶之間的能帶很低，小于0.04eV。而且由于石墨層的取向，在電性能方面也存在明顯的各項異性。石墨單晶在橫向上比電阻為5*10-5，縱向電阻為5*10-1。高出10000倍。對于炭黑聚集體而言，由于炭黑石墨層的同心取向圓性質(zhì)，絕大部分為縱向，所以電阻率要高于石墨。從微觀方面解釋。從微觀的角度講，炭黑原子與炭黑原子形成共價鍵，碳原子通過共價鍵在電勢上產(chǎn)生通路，電阻很小，所以每個微晶的由碳原子組成的每個六角形網(wǎng)片層在導電上是很好的。但是每個片層與片層之間的是有距離的，這種距離雖然只有0.433nm，但沒有像片層原子之間導電性好。放大一些倍，這類微晶與微晶之間，要是片與片橫向排開并接觸的話，可構(gòu)成良好的導電通路，但要是一層壓一層方式排列的話，層與層之間導電性能又會差一大塊出來。再放大一些。碳炭黑據(jù)熔體與炭黑據(jù)熔體接觸，導電的方式是層與層之間的導電，所以導電性質(zhì)并不是太好（比金屬），當然炭黑的導電性并不全是上述方式的導電，有一部分錯綜復雜微晶也無序中形成橫向通路，從而增加導電性，這種方式是少量的，并且是隨機的。后說明，炭黑在膠料中的形式并不是想我們想象中的那樣均勻分布，大部分炭黑炭黑粒子還是有數(shù)個或數(shù)十個炭黑聚集體抱到一塊形成炭黑附聚體存在于橡膠中，混煉次數(shù)越多，炭黑附聚體的聚集體數(shù)量就越少，相應的分散到膠料中的炭黑就越顯得均勻，但是混煉次數(shù)過多，會引起膠燒或破壞炭黑基本粒徑，降低炭黑結(jié)構(gòu)，反而降低了導電性能。所以導電炭黑如何在膠料中均有的分散是橡膠工作者需要解決的問題。如果能添加分散劑，就是說，既能改善分散性，又不會破壞炭黑的結(jié)構(gòu)，還不影響炭黑表面純潔度。可起到的導電效果。
上述是炭黑導電的基本機理，下面介紹炭黑在膠料中導電的影響因素。炭黑的物化性質(zhì)與導電性有關(guān)。一般來說，粒子越小，導電性能越好，這是由于單位體積內(nèi)增加了炭黑的粒子數(shù)目。從而增加了接觸點或在分散體中減小了粒子間距離。使電阻減小，導電性增加。所以細粒子具有較高的導電性能。炭黑的結(jié)構(gòu)也是影響炭黑導電性的重要因素，高結(jié)構(gòu)的炭黑比正常結(jié)構(gòu)的炭黑或低結(jié)構(gòu)的炭黑具有更高的導電性。這顯然是由于高結(jié)構(gòu)的炭黑存在的鏈枝結(jié)構(gòu)（纖維結(jié)構(gòu)）的存在，交織連接形成更多的通路所致。炭黑表面的揮發(fā)物或殘留的焦油狀物質(zhì)，（即溶劑抽出物），使炭黑表面覆蓋一層含氧化合物的膜，或油狀烴分子薄膜，形成了絕緣層。增加了炭黑的電阻，使導電性降低。將炭黑在真空或惰性氣體中加熱除去含氧基團或油狀物質(zhì)以后，導電性增加。炭黑表面的粗糙度，即空隙性也影響炭黑的導電性。表面粗糙多孔的炭黑其導電性增加，這是由于當填充量一定時，粗糙多孔的炭黑粒子比實心粒子間距要小。所以，導電性能好的炭黑具有粒子細，結(jié)構(gòu)高，表面純凈，粗糙多孔等特點。
炭黑的電阻測量一般在壓縮狀態(tài)下進行，因為未壓縮的粉狀炭黑體積多變，并含有高達90%以上的空隙。經(jīng)造粒密實的炭黑中仍有80%左右的空隙，大多數(shù)炭黑如按粒子堆積計算，其空隙體積為40%左右。炭黑中存在這么多孔隙，并易變，如不經(jīng)過一定程度的壓縮者無法準確測量器其比電阻。壓縮主要是消除炭黑中過多的空隙，并增加聚集體間接觸或縮小粒子間距離，因此在一定壓力下才能比較不同炭黑的導電性?？偟脕碚f，炭黑的電阻率隨所施加壓力或壓強的增加而減小。
經(jīng)過試驗得知，炭黑的電阻率不是有導電粒子的長度決定的，而是由鏈與鏈之間的間隙決定的，這些間隙在所施加壓力不到1nm，因此，在這些局部的間隙可能出現(xiàn)高電場，在足夠高的電勢差下會引起場內(nèi)致發(fā)射使電子穿過勢壘。而在這種情況下，產(chǎn)生電子隧道效應，通過大量的導電通路（隧道）導電。在大量填充情況下任何一種炭黑的導電率接近同一水平。
熱處理后的炭黑對導電性有一定影響，當溫度達到1200度，炭黑表面的含氧基團和溶劑抽出物消失，炭黑的導電性增加，溫度高于1200度后電阻增加，這是因為炭黑表面被石墨化的結(jié)果。炭黑的石墨層形成封閉的層殼，并形成同心取向。這樣沿著順導的方向減少，從而形成炭黑導電性能減弱。