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导电塑料导电机理及常用碳系导电填料
文章作者admin: 时间:2021-10-12 09:06
复合型导电塑料分为两类:在基体聚合物中加入结构型导电聚合物粉末或颗粒的导电塑料称为共混复合型;在基体聚合物中加入导电填料的称为填充复合型。针对填充型导电塑料,目前比较流行的导电机理主要有三种:一是逾渗理论,二是隧道效应理论,三是场致发射效应理论。

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导电机理

逾渗理论

逾渗理论又称导电通路理论,认为导电粒子含量达到一定程度后可在基体中连接成链,电子通过链移动使复合材料导电。公式为:

σ为导电塑料体积电导率;σ0 为导电填料体积电导率;P 为导电填料体积分数;Pc 为复合体系的逾渗临界体系分数;t 为电导率临界指数。

 

隧道效应理论

隧道效应理论以逾渗理论为基础,同样认为导电粒子在基体中会形成导电网络,但导电并不需要靠导电粒子直接接触,热震动时电子会在导电粒子间迁移并产生导电

隧道效应理论解释了复合材料中导电粒子尚未成链以及粒子间距较大时的导电现象。

 

场致发射效应理论

场致发射理论认为导电粒子隧道效应是内部电场发射的特殊情况。在聚合物基体中,导电粒子之间产生的强大电场所引起的发射电场产生了电流,导致材料电阻非欧姆性。其公式为:

为电流密度;为场强;A为塑料的特性常数。

填充型导电塑料的导电现象是这三种导电机理竞相作用的结果。渗流理论适用于导电填料含量较高的情况,场致发射机理适用于导电填料含量低而外加电压高的情况,隧道效应理论则适用于导电填料含量和外加电压都很低的情况。

 

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常用碳系导电填料

炭黑(CB)

CB 是目前应用最广﹑用量最大的导电填料。它不仅价格低,而且导电性能好,密度小。以CB 粒子作为导电填料的导电塑料具有优良导电性能,在各个领域使用普遍。

 

碳纳米管(CNTs) 

CNTs 具有尺寸小﹑长径比大﹑强度高﹑电导率高﹑密度小和耐腐蚀性好等优点,利用CNTs 改性塑料,既能改善塑料的导电性能,又能提高塑料的力学性能。

 

石墨烯

石墨烯的密度低﹑比表面积高,力学及导电性能优异。通常制备的石墨烯表面或片层间都含有一定的官能团,便于后期功能化处理使之与塑料基体产生键合作用,相容性较好。

 

石墨和碳纤维(CF)

石墨﹑CF 等也被用作导电填料制备导电塑料。石墨通常含有杂质,电导率相对较低,直接作为导电填料的情况比较少见,一般需要经过加工处理或者与其他导电填充材料混合之后使用。

 

CF 是另外一种常用的碳系导电填料,具有密度低﹑强度高﹑耐辐射和抗腐蚀等一系列优良性能。作为填充材料,一方面CF自身导电性能优异,另一方面CF填充的塑料易形成导电通路,因此,CF适合制备导电性能良好的导电塑料。



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