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导电炭黑应用,产品选型很关键!


来源:中国粉体网   江岸

[导读]  导电炭黑是一种特种炭黑,因其良好的导电性能和较高性价比,广泛应用于导电和防静电制品。炭黑填充型导电高分子材料,包括功能高分子材料、新型涂料和新型橡胶塑料制品等,已广泛应用于矿用管材、电缆屏蔽、航天航空、电子电器、石油化工以及交通车辆等诸多领域。此外,导电炭黑在能源领域,如(动力)锂离子电池、铅酸电池和超级电容器中也受到青睐。

中国粉体网讯  导电炭黑是一种特种炭黑,因其良好的导电性能和较高性价比,广泛应用于导电和防静电制品。炭黑填充型导电高分子材料,包括功能高分子材料、新型涂料和新型橡胶塑料制品等,已广泛应用于矿用管材、电缆屏蔽、航天航空、电子电器、石油化工以及交通车辆等诸多领域。此外,导电炭黑在能源领域,如(动力)锂离子电池、铅酸电池和超级电容器中也受到青睐。


导电炭黑产品主要有副产炭黑(重油造气副产炭黑)、乙炔炭黑和炉法导电炭黑三大类型。三种导电炭黑差异较大:乙炔炭黑和副产炭黑DBP吸收值较高;副产炭黑和炉法导电炭黑比表面积较大,易吸收水分和热减量较高。此外,乙炔炭黑纯净度高,灰分含量低,而副产炭黑杂质含量大,灰分含量高。


 

三种类型导电炭黑的主要理化指标


导电炭黑应用性能与自身的导电性能密切相关。而其自身导电性主要取决于微晶结构、表面结构、聚集体结构和粒度分布等四个方面。


根据乙炔炭黑、副产炭黑和炉法导电炭黑三种导电炭黑的 XRD图谱可知,三种导电炭黑衍射峰均较宽,微晶呈“乱层结构”。其中,副产炭黑和炉法导电炭黑的特征衍射峰(002)比乙炔炭黑的衍射峰更宽,非晶化程度较高。


 

三种导电炭黑的XRD图谱


导电炭黑的表面官能团对导电炭黑的理化性能及应用性能有显著影响。通过三种导电炭黑的傅里叶红外光谱(FT-IR)图,可看出,副产炭黑红外光谱吸收峰较多,而乙炔炭黑和炉法导电炭黑吸收峰强度相对较弱。副产炭黑吸收峰的强度和数量均大于乙炔炭黑和炉法导电炭黑,但含氧官能团过多降低了其导电性。


 

三种导电炭黑的FT-IR图谱


导电炭黑的聚集体结构包含单个炭黑颗粒和炭黑聚集体的形貌与尺寸分布信息,可通过透射电镜(TEM)获得其颗粒结构(直观)信息。三种导电炭黑颗粒呈近似球形,熔聚在一起形成“葡萄串”状聚集体。炉法导电炭黑粒径约为20nm,小于乙炔炭黑粒径(约40nm)和副产炭黑粒径(约90nm),从图中还可看出,副产炭黑具有发达的支链和孔隙结构,颗粒呈空壳状,有利于形成导电通道。


 

三种导电炭黑的TEM照片


导电炭黑作为导电性功能填料,常用于改善自身导电性能较差不能满足应用要求的高分子材料或无机材料的导电性能。决定导电炭黑应用性能的关键在于其与基体材料的匹配性,不同类型的导电炭黑在不同应用体系中表现出的性能差异,主要归因于在基体材料中的导电机理不同。


填充复合型导电高分子材料的导电性取决于导电炭黑在高聚物中分散状态和导电结构的形成情况。橡胶聚合物基体表面张力大、粘度高,在加工过程中分子间作用力大,颗粒大的导电炭黑所受剪切力较大,易分散,导电性好。副产炭黑粒径较大,且比表面积非常大,呈空壳状,可对橡胶分子进行局部包覆,加之支链结构发达,易形成导电网络,因而在橡胶材料中导电性表现较好;乙炔炭黑粒径较大,且呈实心结构,数量较少,所以导电性较差;炉法导电炭黑比表面积高,虽然粒径较小,分散有一定困难,但由于颗粒数量多,综合导电性能较好。


塑料聚合物表面张力小、粘度低,在加工过程中塑料分子间相互作用力较小,高速搅拌混料条件下,导电炭黑在其熔体中分散相对容易,所以在单位体积下导电炭黑颗粒数量越多,导电性越好,因此炉法导电炭黑性能较好。副产炭黑比表面积较大,并呈空壳状,可对塑料分子进行局部包覆,加之其支链结构发达,易形成导电网络,其导电性能表现最好。


锂离子电池中,正极活性物质颗粒尺寸一般为μm或亚μm级,导电炭黑与其通过机械混合组成复合电极。乙炔炭黑和副产炭黑粒径较大,可较好填充,加之发达支链结构形成导电通道,因此在锂离子电池中导电性均表现较好。同时,乙炔炭黑呈实心结构,相较于副产炭黑,其电极比容量更高。


参考资料:

焦冬生,乙炔炭黑填充导电硅橡胶的研究

张继华,炭黑填充导电硅橡胶的结构与性能

李昂,导电橡胶及其应用

陈薄,导电炭黑微观结构及其应用性能

(中国粉体网编辑整理/江岸)

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