炭黑在塑料中的应用

第二节炭黑在塑料中的紫外线防护作用

一、紫外线防护作用

一般塑料当曝晒于日光中，会因受其中紫外线照射而产生光化学降解或称光老化现象，因之表面开裂、发脆和力学性能下降。在聚烯烃塑料中，耐光性以高密度聚乙烯最好，低密度豪乙烯次之，甲基分枝较多的聚丙烯最差，塑料热稳定性的顺序也是这样。

当炭黑作为紫外线吸收剂时，它和抗氧剂的匹配也是一个很重要的问题，如加有抗氧剂的聚丙烯中，炭黑和某些抗氧剂会发生反应，因而减弱了抗氧剂的功能，使聚丙烯的热氧稳定性变劣。例如酚类抗氧剂易被炭黑吸收或与其反应，因而失去活性。同样在聚乙烯中添加炭黑，以提高制品的户外耐候性，但为了减少加工过程的热氧化作用，同时也加人少量的抗氧剂。但是与炭黑配合的抗氧剂如选择不当，不但会降低抗氧剂效能，同时对制品的户外耐候性也有很大影响。

二、防止紫外线老化的机理

塑料吸收紫外线，紫外线的能量使塑料表面附近的分子分解并产生自由基，生成的自由基和氧及聚合物分子反应，产生过氧基再和聚合物反应而导致聚合物老化。

炭黑之所以能防止塑料因受紫外线照射而老化、一方面是因为炭黑能吸收紫外线，当分散在塑料中的炭黑聚集体和附聚体受到紫外线照射时，会引起紫外线的散射，然后散射光也被炭黑的聚集体和附聚体吸收，从而使聚合物吸收的紫外线显著减少。另一方面是因为炭黑表面的羟基、羧基、类酯基等含氧基团能和聚合物受紫外线照射分解后产生的基团反应，从而起到清除这些基团的作用，而防止聚合物的进一步分解。

炭黑对塑料的紫外线老化的防护作用，取决于发属的粒径、结构和表面化学性。

炭黑的粒径较小时，因表面积增大，其吸收光或遮光能力增加，故紫外线防护作用增强，但粒径比20~ 25nm更小时，其防护作用趋于同一水平，原因是当粒径过小时，逆向散射减少，而继续向前的光会威胁聚合物的稳定性。

结构较低，即聚集体尺寸较小，会增加逆向散射，因此会增强对聚合物的防护作用，这也是结构较低的炭黑趋于较黑的原因。

炭黑表面含氧基团较多，即挥发分较高时，能消除聚合物分解时产生的基团，因此防护作用也增强。

三、紫外线防护用炭黑的选择

电缆的塑料护套、塑料管、农膜、防蚀钢管用塑料带和汽车用工程塑料常用于室外的塑料制品，通常需要添加1%~2.5%、粒径约20nm的炭黑以防护紫外线老化。

第三节 炭黑在塑料中的导电作用

一、导电作用

炭黑是一种半导电体，添加炭黑能使得通常具有高电阻率的塑料电阻率显著降低，而具有一定导电性炭黑的塑料的电阻率取决于所配炭黑的品种和配用量。

二、导电机理

炭黑在塑料中的导电作用来自于炭黑聚集体成用素体之间的相互接触所形成的导电通道。

当炭黑在塑料中配合量较低时，发黑聚集体在聚合物中分散，聚集体与聚集体之间相距约10nm或更远，这时配合料的电性能受聚合物相所支配是不导电。当配合量增多时，聚集体之间的平均距离将减少。假设炭黑都被分散到单个聚集体的水平，而且所有的聚集体在配合料中分布是均匀的，那么配合料的电阻率在炭黑配合量增加到聚集体能相互接触之前将保持不变，此后再增加微小的量就会迅速下降。然而，炭黑实际将被分散为1~ 10μm大小不等的聚集体或附聚体，在附聚体所在区域或其内部，炭黑的配合量将高子聚合物中炭黑配合量的平均值，因此其局部电阻率将较低，其次在配合料中聚集体和附聚体无序而非均匀分布的，因此配合料的电阻率变化将较为平缓而不会十分陡峭。

附聚体大小对电阻率的影响，可以从混炼时间对电阻率的影响间接地观察到，因为混炼时间愈长，附聚体的数量将增多，而大小将减少。

配有炭黑的配合料，通常是在低于聚合物软化点的温度下使用的，当温度上升时，配有炭黑的配合料的电阻率会上升，这种现象被称为此配合料具有正温系数(PTC)， 这是因为多数聚合物的热膨胀系数较炭黑为大，温度上升时，炭黑聚集体接触点间的间隙趋于增大。这种现象可应用于开关电路中，使电路因温度变化而开或关，或用以限制电路中功率大小。在这种应用中有两点很关键，一点是并用几种炭黑比单用一种炭黑在温度变化时，电阻率的变化更敏锐。另一点是配合料的电阻率在经历多次温度高低的周期性变化会发生变化，选用适当的炭黑品种、配合量和分散度可以降低这种温度滞后性。