导电炭黑在导电橡胶中的应用 导电碳黑在导电橡胶中的应用
1 概述
随着经济发展和技术进步，对导电性功能高分子材料的需求显著增长，而且其应用领域不断扩展，日益受到人们广泛的关注。本文着重讨论高分子材料用导电炭黑的应用及选择的一般原则。
2 导电炭黑类型
普通碳黑本身就具有一定的导电能力。DBP值一般在30～80。导电碳黑是一个统称，它泛指导电能力强于普通炭黑、色素炭黑的特殊炭黑品种。根据导电能力大小，从低到高以此可分为CF导电碳黑（Conductive Blacks），SCF超导电碳黑（Super Conductive Blacks），XCF特导电碳黑（Extra Conductive Blacks）。如果以DBP衡量，普通炭黑DBP值在100以下，CF导电碳黑在100～160，SCF超导电碳黑在160～260，XCF特导电碳黑可以达到300～350。
导电炭黑从生产方法来讲，可以分成乙炔炭黑，重油炉法炭黑，重油造气副产炭黑三大类。
3 导电炭黑应用
导电炭黑的应用主要有两方面，一是作为导电填料加入橡胶，塑料等聚合物中；另一是用在电池中。这里主要讨论导炭黑在橡塑胶及其复合材料中的应用。导电炭黑作为填料加入橡胶，塑料等聚合物中，形成炭黑-聚合物复合材料。炭黑-聚合物复合材料的导电性能取决于炭黑的导电性。不同的导电性能下，可以分别发挥导电，防静电，电磁屏蔽等作用。
导电塑料和橡胶的填充物主要是导电炭黑、石墨、碳纤维、金属粉末、金属纤维和玻璃纤维。其中炭黑填充是主流，炭黑填充型导电聚合物应用最广泛，这是因为导电炭黑密度小，成本低，在高分子材料中易于分散加工，且炭黑能根据不同的导电性需求有较大的选择余地，恒升的制成品的电阻值可在100 -109Ω·cm之间的宽广范围内变化；而且导电性持久、稳定。但是它的制成品仅限于黑色，并对材料性能影响较大，需要配套改性技术。
一般根据其体积电阻率的大小分为防静电、半导电和导电三类。各类用途的体积电阻率列于表2
表2高分子材料各类用途的体积电阻率
类别 体积电阻率／Ω·cm
半导电 10^7～10^10
防静电 10^4～10^7
导电 10^2～10^4
高导电 10^-3～10^2
普通橡胶的体积电导率10^7 -10^12Ω·cm，防静电产品，要求体积电导率10^4 -10^7Ω·cm，导电，电磁屏蔽领域要求体积电导率100 -10^4Ω·cm。
导电塑料的应用实例有：恒升导电薄膜，用作计算机键盘，手机面板等面状发热体。导电塑料还可以作为热源被利用。这是利用在导电塑料上施加电压，电流通过后电阻产生焦尔热量的原理。国内碳黑填充导电塑料业已形成工业化生产，但在品种、质量稳定性等方面与国外有较大差距。特别是与集成电路相关的导电塑料的工业化生产基本空白。目前使用的材料大部分为进口。
导电橡胶的应用实例有：煤矿的运输胶带、矿山的导风筒、激光打印机、静电复印机的抗静电胶辊、医院手术室的抗静电胶板、医用机械中的胶管、电子生产中的抗静电地板、手套、护腕、防静电地板、地毯、航空（飞机）轮胎的胎面、劳动保护用品，抗静电安全帽、安全鞋等。
抗静电塑料、导电塑料橡胶的应用实例还有：电子产品的恒升抗静电塑料包装袋、周转箱、中空板、防爆电缆、电子元器件的防静电套管、防静电热缩管、防静电地板，地毯、矿山的井下临时包装袋，尼龙输送带、矿山的井下排水排气排浆管（LDPE）等等。
总结起来，恒升抗静电塑料，橡胶的主要应用领域在以下几个方面：
(1)与集成电路相关的领域：
集成电路块、场效应管、晶体管等电子元器件在加工、装配、包装、运输等生产过程中，常常会因震动、摩擦产生的静电而损坏，甚至造成整台机器的报废。这些电子元器件对静电的敏感程度小至100伏，大至上万伏不等。几百伏以至上千伏的静电是非常容易产生的，有实验表明：人在低温度环境中的干燥地毯上行走时，可产生5000伏的静电，戴着橡胶手套与塑料容器接触时，可产生6000伏的静电，即使是不戴手套用手直接与塑料容器接触，也会产生200伏的静电。
由此可见，在这一领域中防静电、除静电措施的重要。炭黑填充型导电塑料完全可以满足这类材料的防静电、除静电需求。其主要产品有：电子元器件在周转、保管、搬运过程中使用的周转箱、托盘、支架、封装薄膜等。此外恒升还有防静电地毯，复印机辊等。
(2)医疗、煤矿、纺织等洁净、易爆环境:
导电塑料在这些场合用作电器设备的外壳或结构件。橡胶制品则需要有导静电的要求。
目前世界上大部分国家对矿用橡胶制品都增加了导静电的要求。因为火花放电会引起粉尘或煤气与空气的混合物发生爆炸燃烧。我国80年代先后发布的矿用橡胶管，矿用阻燃输送带的标准都明确规定了导电性的要求。如矿用阻燃输送带MT147－87标准中的导电性要求，试样上下表面层的表面电阻值不得大于3x10^8Ω。矿用橡胶管MT191—89标准中导电性要求试样的电阻值为：
-排水，给水用管：其管外壁表面电阻值不得大于1 x10^8Ω。
-正压风管：其外壁表面电阻值不得大于1 x10^8Ω。
-喷浆用管：其管内，外壁表面电阻值不得大于1 x10^8Ω。
-井下液压用管：其管内，外壁表面电阻值不得大于1 x10^8Ω。
-负压风管及抽放瓦斯管；其管内，外壁表面电阻值不得大于1 x10^6Ω。
塑料的电阻率一般在10 ^12-10 ^15Ω:0;cm之间，是良好的绝缘体，但容易积累静电荷，不仅容易招惹灰尘，而且当静电电压增高到一定程度时会产生放电，会引起易燃易爆物质的爆炸，损坏电子元器件，并对人身造成伤害，因此对矿井、火药、医疗设备和电子工业用的塑料制品要求具有抗静电性能。
橡胶制品在动态应力及摩擦作用下常产生表面电荷集聚。为此，迫切需要采用各种消除静电事故的措施。这种现象可通过胶料配以导电炭黑予以减少或消除。也可加入金属粉和其它有机络合物等抗静电剂使橡胶制品表面电荷定向排列很快导出。但后者由于价格较贵，而且无补强作用，一般只适用于含浅色或自补强制品。而炭黑作为橡胶制品内部抗静电剂既能获得较好的补强性能，使得阻燃抗静电橡胶制品的强度，耐燃性、耐磨性，弹性均比其它抗静电剂要好得多。而且选择合适的炭黑品种和控制炭黑的添加量可以得到不同程度的导电性。含炭黑的胶料加工方面、成本低。由于有此优点，所以炭黑被广泛应用于导静电的橡胶制品。
(3)电磁屏蔽橡胶，塑料:
电磁屏蔽塑料的应用实例有：
1）电力电缆护套，附件
国内高压交流电缆普遍使用交联聚乙烯绝缘电缆，其中有不可缺少的半导电屏蔽层。以盘锦电缆厂为首的国内骨干企业已经摒弃乙炔炭黑，转而使用特种导电炭黑。据统计，中、高压电缆的半导电层屏蔽料，国内的市场需求约为数千吨，其中高压电缆料基本依靠进口。八十年代后，国内电力电缆普遍开始使用EVA/HDPE辐射交联收缩电缆。该附件的重要组成部分之一—导电三支套，其导电性能通常是加入乙炔炭黑实现的。但乙炔炭黑的加入量大，对制件机械性能影响大。九十年代后期，国内企业开始逐步用谢尔法副产炭黑替代乙炔炭黑。一般都是把谢尔法副产炭黑和乙炔炭黑并用，可以发挥谢尔法副产炭黑导电性能好和乙炔炭黑加工性能好的优势。
2）用HDPE导电塑料制成的恒升电磁屏蔽薄膜可以在很快的电磁频率内发挥屏蔽效果，用作电子产品中和需要电磁屏蔽的场合。
总结下来，按照应用领域，导电炭黑的应用实例如下：
－电子器件，易燃产品，爆炸物的抗静电/导电包装物，爆炸区域抗静电/导电包装物等，膜类（包装膜，包装袋，粘结膜，垃圾袋，管内衬涂膜）
－电子元件包装物，电子封装的处理，运输，存储器具，包括载盒，载盘，集成电路托盘，载体，防震泡沫塑料，硬盘盒等运输容器，支架，箱盒等
－电力电缆（绝缘屏蔽，导电屏蔽，可剥型电缆，护套等）
－汽车工业（燃油喷射系统，抗腐蚀系统，燃油箱软管，型材等，柴油机启动装置）
－通信交通（移动通讯零件，电梯零件，飞机轮胎，油罐车车轮等）计算机，家电（计算机、，家电中的抗静电器件，零部件）
－卫生领域（医疗用途，无菌设备，抗静电工作场合的抗静电制品，安全开关，抗静电包装等）抗静电地板，地毯，地砖，导电台面垫，地板下加热器，纺织品（电热毯，电磁屏蔽服装）
－敏感元件
－PTC元件
－石化矿山（地下输送带，排风，排水管道，油井加热装置，加热输油装置）
4 导电性的影响因素
4.1炭黑性能的影响
将炭黑填充到高分子材料中，都会降低其体积电阻率，其降低程度取决于炭黑粒子性能及其填充量。当炭黑的其他特性相同时，其原生粒子越细，原生聚集体越小，高分子混合物的体积电阻率就越低。
炭黑结构的增加，高分子混合物的体积电阻率将减小。
高导电性的炭黑基本性能必须是粒径小，比表面积大，结构高度发达，浮获π电子的杂质少，石墨化程度高和具有多孔性。
高分子材料中，炭黑含量的多少，直接影响到导电网络的形成，要赋予高分子材料导电性，其炭黑含量必须达到临界浓度。不同的导电炭黑在同一高分子材料中的临界浓度不同。
4.2高分子材料的影响
橡胶的种类不同，其炭黑复合材料的导电效果也有差异。容易获得导电性的顺序为：三元乙丙橡胶、氯丁橡胶、天然橡胶、丁腈橡胶、丁苯橡胶。硅酮橡胶适合大量用做导电橡胶材料。
4.3加工条件的影响
炭黑填充到高分子材料中，受加工条件影响，造成炭黑的分散状态和结构破坏程度的不同，致使其导电性出现很大的差异。因此，炭黑在高分子材料的分散过程应避免分散不足或分散过度，以达到最佳分散状态。
对导电性影响由大到小的顺序为：注射成型、挤出成型、压延成型、加压成型。加压硫化、延长硫化时间会使电阻率较低。