第五章 导电高分子.ppt
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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
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