摘　要：通过对几种炭黑性能进行分析，选择了结构性高、比表面积大及灰份含量少的超导炭黑做为主要导电填料进行配方系列化实验，又对其共混方法进行比较，选择合理的工艺路线使产品的电性能均匀稳定。

关键词：炭黑；填充；导电性能

1　前言

　　随着现代化工业的发展，特别是电子工业发展迅速，导电性高分子材料被广泛应用。以日本为例，1980～1986年间导电塑料的需求量增加了4.3倍。导电性塑料具有防止带电，除去静电等用途，广泛用于半导体材料、防静电材料、导电性材料等很多领域。导电塑料一般可分为结构型和复合型两种〔4〕。复合型导电塑料又以炭黑为主要导电填料。要得到电性能均一稳定，且材料机械性能受损小的导电塑料，关键在于：一是导电填料的选择；二是共混方式的选择。本文就这两点进行了研究探讨。

2　实验原料

2.1　原料

　　乙炔黑：　　超导黑-1、超导黑-2：四川自贡炭黑厂

　　超导黑-4：德国迪高萨公司提供

　　PP-1600：北京向阳化工厂

　　ABS 747：台湾奇美公司

　　SBS：岳阳化工厂

　　酞酸酯偶联剂：南京曙光化工厂

2.2　实验设备

　　双辊开炼机、高速捏合机、双螺杆造粒机、45吨压机。

2.3　测试内容

　　(1)炭黑的吸油值(DBP)，比表面积，PH值。

　　(2)导电粒料的熔体指数(ASTM D1238)

　　(3)导电粒料的电性能

3　结果与讨论

3.1　影响导电性的因素

　　(1)炭黑的结构对导电性的影响

　　作为导电填料的炭黑应具备以下几点要求：一是结构性高〔5〕。炭黑的结构性是指炭黑粒子与粒子之间聚结成链状的程度，组成聚集体的粒子越多，结构性越高；形成网状结构的几率越大，导电性越好。一般用吸油值(DBP)来表征炭黑的孔隙度，即结构性。国内通常称DBP＜0.9ml/g为低结构；DBP在0.9ml/g～1.2ml/g为中结构；DBP＞1.2ml/g为高结构〔1〕；二是比表面积大。比表面积越大，炭黑粒子尺寸越小，单位体积内的颗粒就越多，越容易彼此接触形成网状通路，因此导电性就越好；三是炭黑的表面化学。在炭黑生产过程中，炭黑表面常形成一些活性含氧基因，这些官能团的存在影响电子的迁移，会使导电性下降，可采用PH值来表征该项指标。表面官能团少的炭黑通常成弱碱性或中性。根据以上要求选用来源广泛的乙炔炭黑，国内的超导黑以及进口超导黑进行对比分析，结果见表1。从炭黑的性能指标及价格两方面综合考虑，选择超导黑-3做为主要导电填料。

表1　几种炭黑的物理-化学性能

　　(2)炭黑的添加量与种类对电性能的影响

　　导电塑料的导电性是由塑料中导电填料的粒子相互连接形成导电通路得到的〔2〕。因此炭黑的添加量是研制导电塑料关键之一，以超导黑-3为例，见图1。炭黑含量低时，导电率小。随着炭黑含量的增加，粒子间接触增多，形成网状几率加大，导电性增加。达到一定含量后导电率变化加大。在此种情况下控制炭黑添加量，可以方便地调节导电塑料所需的导电率。若再继续增加炭黑含量，导电率上升平缓并趋于一定值。图2为几种不同种类炭黑的含量与电性能的关系曲线。用户可根据需要选择不同超导黑。体积电阻率在106Ω.cm以上时可选用乙炔黑。体积电阻率要求在103Ω.cm以下时可选用超导黑-4。

图1　超导黑-3的填加量与导电率关系

图2　不同种类炭黑添加量与电性能关系

A-超导黑-4；B-超导黑-3；C-乙炔炭黑

　　(3)基体树脂的选择

　　选定一种炭黑后，所用聚合物的结构、形态、导电性也有差异。在实验过程中选择了ABS和PP作为基体树脂，采用超导黑-3作导电填料。在ABS原料中，乙炔黑含量为25份时，体积电阻率为104Ω.cm；而在PP料中炭黑含量为21份时，体积电阻率就可以达到104Ω.cm。这是由于PP是部分结晶形聚合物，球晶的存在对炭黑的分散有利。同时由于PP的MI比ABS的高，熔融状态下炭黑易与PP混合，且PP价格更便宜。

3.2　共混方法的选择

　　导电塑料的配方确定之后，共混方法的选择和工艺控制是影响电性能的关键。为了得到电性能均匀的产品，炭黑填充导电塑料的加工采取如下几种方式。

　　(1)双螺杆造粒工艺过程

　　双螺杆造粒时采用了强制下料，由于炭黑含量多，体积大，下料不均匀，有时局部炭黑过多，使下料困难甚至堵塞出料孔，这些现象造成制品导电性不均匀，为此采取如下措施：{dy}，反复造粒对提高混合料的熔体指数是很有效的。炭黑含量为21份时，不同的加工次数对MI的影响，见表2；第二，采取炭黑分次加入方法，一般采取两次加入造粒可使加工性能得到改善，且制品均匀性好；第三，加入流动性好的组份改善其熔体的流动性。例如：在含有21份炭黑的PP导电粒料中加入高压聚乙炔，可使熔体指数由2.5g/10min增至5.4g/10min。

表2　造粒次数对MI的影响

　　(2)开炼机碾压混合

　　这种方法有利于在配方中混入更多的炭黑。用此方法应注意的是碾压次数及时间要加以控制，否则炭黑结构会被破坏，影响其导电性〔3〕。

　　(3)双辊压延与双螺杆造粒配合应用

　　由于炭黑易飞扬且同粒料混合时下料不均匀，为改善环境，根据试验得出以下较理想的工艺路线。

　　用该工艺路线生产的破碎料是浓缩的，可根据需要调整浓缩料的含量来达到生产电阻值不同的系列化产品。这样改善了造粒时的生产环境，使颗粒料电性能均匀。用该工艺路线作出的样品体积电阻率测试结果见表3。

表3　炭黑填充导电粒料电性能测试

　　如表3所示，在样片上取A、B、C不同点的测试结果证明，炭黑的混入是均匀的。另外通过增韧改性使导电塑料冲击强度有所提高，见表4。

表4　不同配方导电粒料的物理机械性能

4　结论

　　(1)超导黑的使用以及炭黑填充导电塑料的技术有了较大的提高，使导电性材料技术水平上了一个新台阶，为今后开发新产品打下了基础；

　　(2)导电填料含量配比的系列化研究为实际加工生产提供方便；

　　(3)共混方式的改进使制品的电性能基本均匀，保证了复合材料的机械性能。