导电炭黑在高分子材料中的导电机理

导电炭黑在高分子材料中的导电机理

  导电高分子复合材料的导电机理非常复杂，通常可分为导电回路如何形成和在回路形成后如何导电两方面来研究。

a. 导电通路构成理论

   在导电通路构成理论方面，人们是从导电渗滤现象开端研讨的。很多的试验结果表明，是复合系统中导电炭黑的含量添加到某一临界含量时，系统的电阻率急剧下降。为了解释这种现象，人们提出了各种不同的理论。其中较为成功的理论有Miyasaka热力学理论，认为高分子树脂基体与导电炭黑之间的界面效应对导电回路的构成具有很大的影响。在复合物的制备过程中，导电炭黑粒子的自由表面变成湿润的界面，系统产生了界面能过剩，跟着填料的添加，界面能过剩不断增大。当系统界面过剩到达一个与聚合物种类无关的普适常数之后，粒子开端构成导电网络，宏观上表现为电阻率突降。还有Kirkpatrick等人提出的统计渗滤模型，将导电填料视为点在数组上的随机散布，Guland在此基础上提出“平均触摸数”m的概念，m在1.35-1.5之间电导率产生骤变。Wessling等人则提出了“动态界面模型”，指出粒子移动的驱动力来源于系统的界面自由能，导电通路实际上是被〝冻结的耗散结构〞。而Gubbels等人则已经使用系统的能量最小化趋势和动力学特性成功地将炭黑粒子操控坐落PE/PS的界面，构成最优导电通路结构。
   总归，因为导电复合材料处于远离平衡态，各粒子间存在非线性耦合效果，所以必须考虑系统的复杂性和整体性，将非平衡热力学、非线性动力学和分形结构理论有机结合起来。

b. 回路构成后的导电机理——地道效应

   系统在具有导电才能之后，及散布于高分子树脂基体中的导电炭黑的电子传输问题显得极为重要，现在有导电通道、地道效应和场致发射学说。一般导电炭黑参加后，无法真正到达多项均匀散布，总有部分粒子互相触摸而构成链状导电通道，使复合材料得以导电；另状况则是导电炭黑粒子则以孤立粒子或小聚团体方式散布在绝缘的树脂高分子树脂基体中，基本上不参加导电，但假如它们之间间隔很近，那么在电场效果下，因为热振动而被激活的电子就能跳过树脂界面层的势垒跃迁到相邻的导电粒子上，构成较大的地道电流，量子力学中称之为地道效应；或者当内部电场很强时，树脂界面层充任内部散布电容的效果，电子飞越树脂界面层的势垒，产生场致发射电流。复合导电材料的导电性能是这三种导电机理效果的竞争结果。一般来说，在低填量低电压下，炭黑粒子表面场强一般小于10⁶V/cm，地道效应起主要效果；在低填量高电压下，炭黑粒子表面场强一般大于10⁷V/cm，场致发射电流起主要效果；在高填量时，炭黑粒子密度高，可构成很多导电通道，导电能带效果更加显着。