導電炭黑在高分子材料中的導電機理

  導電高分子復合材料的導電機理非常復雜，通?？煞譃閷щ娀芈啡绾涡纬珊驮诨芈沸纬珊笕绾螌щ妰煞矫鎭硌芯?。

a. 導電通路構(gòu)成理論

   在導電通路構(gòu)成理論方面，人們是從導電滲濾現(xiàn)象開端研討的。很多的試驗結(jié)果表明，是復合系統(tǒng)中導電炭黑的含量添加到某一臨界含量時，系統(tǒng)的電阻率急劇下降。為了解釋這種現(xiàn)象，人們提出了各種不同的理論。其中較為成功的理論有Miyasaka熱力學理論，認為高分子樹脂基體與導電炭黑之間的界面效應(yīng)對導電回路的構(gòu)成具有很大的影響。在復合物的制備過程中，導電炭黑粒子的自由表面變成濕潤的界面，系統(tǒng)產(chǎn)生了界面能過剩，跟著填料的添加，界面能過剩不斷增大。當系統(tǒng)界面過剩到達一個與聚合物種類無關(guān)的普適常數(shù)之后，粒子開端構(gòu)成導電網(wǎng)絡(luò)，宏觀上表現(xiàn)為電阻率突降。還有Kirkpatrick等人提出的統(tǒng)計滲濾模型，將導電填料視為點在數(shù)組上的隨機散布，Guland在此基礎(chǔ)上提出“平均觸摸數(shù)”m的概念，m在1.35-1.5之間電導率產(chǎn)生驟變。Wessling等人則提出了“動態(tài)界面模型”，指出粒子移動的驅(qū)動力來源于系統(tǒng)的界面自由能，導電通路實際上是被〝凍結(jié)的耗散結(jié)構(gòu)〞。而Gubbels等人則已經(jīng)使用系統(tǒng)的能量最小化趨勢和動力學特性成功地將炭黑粒子操控坐落PE/PS的界面，構(gòu)成最優(yōu)導電通路結(jié)構(gòu)。
   總歸，因為導電復合材料處于遠離平衡態(tài)，各粒子間存在非線性耦合效果，所以必須考慮系統(tǒng)的復雜性和整體性，將非平衡熱力學、非線性動力學和分形結(jié)構(gòu)理論有機結(jié)合起來。

b. 回路構(gòu)成后的導電機理——地道效應(yīng)

   系統(tǒng)在具有導電才能之后，及散布于高分子樹脂基體中的導電炭黑的電子傳輸問題顯得極為重要，現(xiàn)在有導電通道、地道效應(yīng)和場致發(fā)射學說。一般導電炭黑參加后，無法真正到達多項均勻散布，總有部分粒子互相觸摸而構(gòu)成鏈狀導電通道，使復合材料得以導電；另狀況則是導電炭黑粒子則以孤立粒子或小聚團體方式散布在絕緣的樹脂高分子樹脂基體中，基本上不參加導電，但假如它們之間間隔很近，那么在電場效果下，因為熱振動而被激活的電子就能跳過樹脂界面層的勢壘躍遷到相鄰的導電粒子上，構(gòu)成較大的地道電流，量子力學中稱之為地道效應(yīng)；或者當內(nèi)部電場很強時，樹脂界面層充任內(nèi)部散布電容的效果，電子飛越樹脂界面層的勢壘，產(chǎn)生場致發(fā)射電流。復合導電材料的導電性能是這三種導電機理效果的競爭結(jié)果。一般來說，在低填量低電壓下，炭黑粒子表面場強一般小于10⁶V/cm，地道效應(yīng)起主要效果；在低填量高電壓下，炭黑粒子表面場強一般大于10⁷V/cm，場致發(fā)射電流起主要效果；在高填量時，炭黑粒子密度高，可構(gòu)成很多導電通道，導電能帶效果更加顯著。