第五章 导电高分子.pptVIP

第五章 导电高分子 式中 m —— 平均接触数；Ms —— 单位面积中颗粒与 颗粒的接触数；Ns —— 单位面积中的颗粒数；NAB —— 任意单位长度的直线上颗粒与基质（高分子材料）的接 触数；NBB——上述单位长度直线上颗粒与颗粒的接触 数。 第五章 导电高分子 哥尔兰特研究了酚醛树脂—银粉体系电阻与填 料体积分数的关系，并用式（5—23）计算了平均接 触数m 。结果表明，在m = 1.3～1.5之间，电阻发生 突变，在m =2以上时电阻保持恒定，见图5—17。 从直观考虑，m = 2是形成无限网链的条件，故似 乎应该在m = 2时电阻发生突变。然而实际上，小于 2时就发生电阻值的突变，这表明导电填料颗粒并不 需要完全接触就能形成导电通道。 第五章 导电高分子 第五章 导电高分子 当导电颗粒间不相互接触时，颗粒间存在聚合 物隔离层，使导电颗粒中自由电子的定向运动受到 阻碍，这种阻碍可看作一种具有一定势能的势垒。 根据量子力学的概念可知，对于一种微观粒子 来说，即使其能量小于势垒的能量时，它除了有被 反弹的可能性外，也有穿过势垒的可能性。微观粒 子穿过势垒的现象称为贯穿效应，也称隧道效应。 第五章 导电高分子 电子是一种微观粒子，因此，它具有穿过导电 颗粒之间隔离层阻碍的可能性。这种可能性的大小 与隔离层的厚度α及隔离层势垒的能量μ0与电子能 量E的差值（μ0－E）有关。α值和（μ0－E）值 愈小，电子穿过隔离层的可能性就愈大。当隔离层 的厚度小到一定值时，电子就能容易地穿过，使导 电颗粒间的绝缘隔离层变为导电层。这种由隧道效 应而产生的导电层可用一个电阻和一个电容并联来 等效。 第五章 导电高分子 根据上述分析，不难理解，导电高分子内部的 结构有三种情况： （1）一部分导电颗粒完全连续的相互接触形成 电流通路，相当于电流流过一只电阻。 （2）一部分导电颗粒不完全连续接触，其中不 相互接触的导电颗粒之间由于隧道效应而形成电通 流路，相当于一个电阻与一个电容并联后再与电阻 串联的情况。 第五章 导电高分子 （3）一部分导电粒子完全不连续，导电颗粒间 的聚合物隔离层较厚，是电的绝缘层，相当于电容 器的效应。图5—18直观地反应了导电高分子的这种 内部结构情况。 在实际应用中，为了使导电填料用量接近理论 值，必须使导电颗粒充分分散。若导电颗粒分散不 均匀，或在加工中发生颗粒凝聚，则即使达到临界 值（渗滤阈值），无限网链也不会形成。 第五章 导电高分子 第五章 导电高分子 3.3 含炭黑聚合物的导电性 炭黑是一种在聚合物工业中大量应用的填料。 它用于聚合物中通常起四种作用：着色、补强、吸 收紫外光和导电。用于着色和吸收紫外光时，炭黑 浓度仅需2％，用于补强时，约需20％，用于消除静 电时，需5％～10％，而用于制备高导电材料时，用 量可高达50％以上。 含炭黑聚合物的导电性，主要取决于炭黑的结 构、形态和浓度。 第五章 导电高分子 3.3.1 炭黑的种类、结构与性能 炭黑是由烃类化合物经热分解而成的。以脂肪 烃为主要成分的天然气和以脂肪烃与芳香烃混合物 为主要成分的重油均可作为制备炭黑的原料。 在热分解过程中，烃类化合物先形成碳的六元 环，并进一步脱氢缩合形成多环式六角形网状结构 层面。这种层面3～5个重叠则成为晶子，大量晶子 无规则的堆砌，就形成了炭黑的球形颗粒。 第五章 导电高分子 在制备过程中，炭黑的初级球形颗粒彼此凝 聚，形成大小不等的二级链状聚集体，称为炭黑的 结构。链状聚集体越多，称为结构越高。炭黑的结 构因其制备方法和所用原料的不同而异。炭黑的结 构高低可用吸油值大小来衡量，吸油值定义为100克 炭黑可吸收的亚麻子油的量。在粒径相同的情况 下，吸油值越大，表示结构越高。 第五章 导电高分子 炭黑以元素碳为主要成分，并结合少量的氢和 氧，吸附少量的水分。此外还含有少量硫、焦油、 灰分等杂质。炭黑中氢的含量一般为0.3％～0.7％， 是由芳香族多环化合物缩合不完全剩余下的。其中 一部分以烯烃或烷烃的形式结合在晶子层面末端的 碳原子上，另一部分则与氧结合形成官能团存在于 颗粒表面上。通常，结合在晶子层面末端碳原子上 的氢愈少，炭黑的结构愈高。氢的含量愈低，炭黑 的导电性愈好。 第五章 导电高分子 炭黑中的氧是炭黑粒子与空气接触而自动氧化 结合的。其中大部分以CO2的形式吸附在颗粒表面 上，少部分则以羟