炭黑填充在高聚物中又是怎樣實現(xiàn)導(dǎo)電功能的呢?弄清楚這一點就可以為我們在制造導(dǎo)電材料時進一步掌握理論根據(jù)，從而在成型工藝上設(shè)法考慮對不同導(dǎo)電要求，采取相應(yīng)措施來得到所要求的導(dǎo)電材料。一般炭黑在聚合物中的導(dǎo)電機理有兩種說法，即鏈鎖式導(dǎo)電通路和隧道效應(yīng)，但這兩者的最終結(jié)論都支持導(dǎo)電性的好壞決定于炭黑的種類及用量這一說法。

鏈鎖式導(dǎo)電通路

鏈鎖式導(dǎo)電通路的機理認為，炭黑粒子必須在幾A(1A=0.1nm)以內(nèi)的距離靠近(如圖11-5所示)，這樣就可產(chǎn)生電壓差，使炭黑粒子的∏電子依靠鏈鎖傳遞移動通過電流。聚合物中炭黑粒子的分散狀態(tài)如圖11-6所示，從這個等價回路模型可以理解形成鏈鎖必須有一定的炭黑用量，才能出現(xiàn)強的導(dǎo)電現(xiàn)象，因而支配高分子材料導(dǎo)電性的最主要原因是炭黑的用量。這是最經(jīng)典的一種解釋。

隧道效應(yīng)

鏈鎖式導(dǎo)電通路是建立在炭黑必須形成鏈鎖的前提下提出來的。但是，最近用電子顯微鏡觀察拉伸狀態(tài)的橡膠不存在炭黑鏈鎖，卻仍有導(dǎo)電現(xiàn)象，這就是隧道效應(yīng)。其主要論點認為，導(dǎo)電性是由炭黑粒子的隧道決定的。同時并有試驗證明，隨著炭黑粒子間距的增大，體積電阻亦隨之升高。

還有電場放射導(dǎo)電機理，是因為在研究炭黑填充的高分子材料的電壓，電流特性時，發(fā)現(xiàn)其結(jié)果不符合歐姆定律，認為其所以如此，是由于炭黑粒子間產(chǎn)生高的電場強度而發(fā)生電流導(dǎo)致電場放射。綜上所述，無論從哪種導(dǎo)電機理來理解，都認為炭黑的種類和配合量是支配材料最終所表現(xiàn)的導(dǎo)電性的主要因素。

炭黑填充材料的導(dǎo)電化。

炭黑填充高分子材料的導(dǎo)電化，主要是由炭黑的品種、用量、復(fù)合技術(shù)決定的。前面講了炭黑的品種，本節(jié)著重說明炭黑用量及復(fù)合技術(shù)與材料導(dǎo)電化的關(guān)系。

①炭黑用量

從導(dǎo)電機理可以看到，在保證 性能符合要求時，為了提高導(dǎo)電性就應(yīng)增加炭黑用量。但這種用量與導(dǎo)電性的關(guān)系并非呈線性，而是按指數(shù)規(guī)律變化，這種規(guī)律可用下列表示

R=exp(a/W)p

式中R-材料的體積電阻;W-炭黑的質(zhì)量分數(shù)

a，p-由炭黑的橡膠種類決定的常數(shù)

圖11-7和圖11-8就是不同質(zhì)量分數(shù)的乙炔炭黑分別添加氯丁橡膠和天然橡膠后其體積電阻的變化

雖然圖11-7和圖11-8中給出了最佳導(dǎo)電性所對應(yīng)的炭黑質(zhì)量分數(shù)，但在實際過程中炭黑用量的多少還應(yīng)考慮對其他性能包括工藝性能的影響。表11-3~表11-5分別表示乙炔和炭黑的用量對導(dǎo)電特性和物理機械性能的影響。

②復(fù)合技術(shù)

如果把炭黑的結(jié)構(gòu)，用量看作是實現(xiàn)材料導(dǎo)電化的主要因素，那么復(fù)合技術(shù)就是實現(xiàn)材料導(dǎo)電化的客觀條件。這兩者的關(guān)系就如同雞蛋一定要在適當?shù)臏囟认虏拍芊醭鲂‰u一樣。

復(fù)合技術(shù)主要有以下幾個方面。

炭黑的表面處理為提高炭黑的分散性和與樹脂的親和力，需要采用適當?shù)闹鷦┻M行表面處理。

混煉

當選用的高聚物與炭黑及其用量確定以后，材料的導(dǎo)電性能就決定于炭黑的分散狀態(tài)及鏈鎖的形成情況。在進行混煉時往往最容易破壞的結(jié)構(gòu)而影響導(dǎo)電性。這就需要選擇適當?shù)募庸ぴO(shè)備和手段。

混煉的目的，除了為保證后續(xù)加工的順利進行外，從導(dǎo)電性來看還應(yīng)保證炭黑在聚合物中得到充分的分散。一般的混煉都是密煉機進行，而為達到充分分散目的，往往容易隨意延長混煉時間和轉(zhuǎn)速。因此，應(yīng)認識到混煉時間與分散程度對導(dǎo)電性的影響，得到一個最佳混煉時間，以保證良好的分散性，從而也就得到了好的導(dǎo)電性。

圖11-9表示丁苯橡膠中加入導(dǎo)電炭黑后，其混煉時間與分散性及導(dǎo)電性的關(guān)系。

然而對于可塑性差的材料，短時間的混合難以達到均勻分散的程度，則可采取先將炭黑在溶液狀態(tài)下進行混合(濕法)，這樣可以減少因混煉帶來的炭黑結(jié)構(gòu)破壞的現(xiàn)象，使導(dǎo)電性顯著增加。圖11-10表示了不同的混合方法使導(dǎo)電性的變化有顯著差別。

熟化

經(jīng)混煉后的半成品一般并不立即成型制品，而是要經(jīng)過一定的時間存放或高溫處理后才能成型，這種混煉后的處理過程稱為熟化。圖11-11表示不同的熟化條件對導(dǎo)電性的影響有顯著不同。即經(jīng)過熟化以后體積電阻上升，而且這種上升是隨著時間的延長而不斷增加，溫度的影響則并不太大。

成型時間成型時間不僅是決定導(dǎo)電高分子材料的物理性能的重要工藝因素，而且也是決定其導(dǎo)電性能的因素。圖11-12表示填加乙炔炭黑的氯丁橡膠隨著硫化時間的延長導(dǎo)電性增加的試驗結(jié)果。這一點可以這樣來理解，當在一定的高溫條件下，炭黑受高溫作用，其不純物和水分不斷除去，結(jié)構(gòu)也相對逐漸發(fā)達，隨著時間的延長效果越好，最終使導(dǎo)電性能變好。當時間延長到一定值時，這種效應(yīng)就減弱以致沒有變化導(dǎo)電性基本不變。

成型溫度

在高分子材料成型工藝中，成型溫度往往與成形時間一起綜合考慮。一般升高溫度就相應(yīng)縮短時間，而降低溫度則應(yīng)延長時間。那么當時間一定時，隨著溫度分升高，導(dǎo)電性自然就會變好，其理由與時間延長的解釋是一致的。圖11-13表示成形溫度與導(dǎo)電性的關(guān)系。