第二節炭黑在塑料中的紫外線防護作用

一、紫外線防護作用

一般塑料當曝曬于日光中，會因受其中紫外線照射而產生光化學降解或稱光老化現象，因之表面開裂、發脆和力學性能下降。在聚烯烴塑料中，耐光性以高密度聚乙烯最好，低密度豪乙烯次之，甲基分枝較多的聚丙烯最差，塑料熱穩定性的順序也是這樣。

當炭黑作為紫外線吸收劑時，它和抗氧劑的匹配也是一個很重要的問題，如加有抗氧劑的聚丙烯中，炭黑和某些抗氧劑會發生反應，因而減弱了抗氧劑的功能，使聚丙烯的熱氧穩定性變劣。例如酚類抗氧劑易被炭黑吸收或與其反應，因而失去活性。同樣在聚乙烯中添加炭黑，以提高制品的戶外耐候性，但為了減少加工過程的熱氧化作用，同時也加人少量的抗氧劑。但是與炭黑配合的抗氧劑如選擇不當，不但會降低抗氧劑效能，同時對制品的戶外耐候性也有很大影響。

二、防止紫外線老化的機理

塑料吸收紫外線，紫外線的能量使塑料表面附近的分子分解并產生自由基，生成的自由基和氧及聚合物分子反應，產生過氧基再和聚合物反應而導致聚合物老化。

炭黑之所以能防止塑料因受紫外線照射而老化、一方面是因為炭黑能吸收紫外線，當分散在塑料中的炭黑聚集體和附聚體受到紫外線照射時，會引起紫外線的散射，然后散射光也被炭黑的聚集體和附聚體吸收，從而使聚合物吸收的紫外線顯著減少。另一方面是因為炭黑表面的羥基、羧基、類酯基等含氧基團能和聚合物受紫外線照射分解后產生的基團反應，從而起到清除這些基團的作用，而防止聚合物的進一步分解。

炭黑對塑料的紫外線老化的防護作用，取決于發屬的粒徑、結構和表面化學性。

炭黑的粒徑較小時，因表面積增大，其吸收光或遮光能力增加，故紫外線防護作用增強，但粒徑比20~ 25nm更小時，其防護作用趨于同一水平，原因是當粒徑過小時，逆向散射減少，而繼續向前的光會威脅聚合物的穩定性。

結構較低，即聚集體尺寸較小，會增加逆向散射，因此會增強對聚合物的防護作用，這也是結構較低的炭黑趨于較黑的原因。

炭黑表面含氧基團較多，即揮發分較高時，能消除聚合物分解時產生的基團，因此防護作用也增強。

三、紫外線防護用炭黑的選擇

電纜的塑料護套、塑料管、農膜、防蝕鋼管用塑料帶和汽車用工程塑料常用于室外的塑料制品，通常需要添加1%~2.5%、粒徑約20nm的炭黑以防護紫外線老化。

第三節 炭黑在塑料中的導電作用

一、導電作用

炭黑是一種半導電體，添加炭黑能使得通常具有高電阻率的塑料電阻率顯著降低，而具有一定導電性炭黑的塑料的電阻率取決于所配炭黑的品種和配用量。

二、導電機理

炭黑在塑料中的導電作用來自于炭黑聚集體成用素體之間的相互接觸所形成的導電通道。

當炭黑在塑料中配合量較低時，發黑聚集體在聚合物中分散，聚集體與聚集體之間相距約10nm或更遠，這時配合料的電性能受聚合物相所支配是不導電。當配合量增多時，聚集體之間的平均距離將減少。假設炭黑都被分散到單個聚集體的水平，而且所有的聚集體在配合料中分布是均勻的，那么配合料的電阻率在炭黑配合量增加到聚集體能相互接觸之前將保持不變，此后再增加微小的量就會迅速下降。然而，炭黑實際將被分散為1~ 10μm大小不等的聚集體或附聚體，在附聚體所在區域或其內部，炭黑的配合量將高子聚合物中炭黑配合量的平均值，因此其局部電阻率將較低，其次在配合料中聚集體和附聚體無序而非均勻分布的，因此配合料的電阻率變化將較為平緩而不會十分陡峭。

附聚體大小對電阻率的影響，可以從混煉時間對電阻率的影響間接地觀察到，因為混煉時間愈長，附聚體的數量將增多，而大小將減少。

配有炭黑的配合料，通常是在低于聚合物軟化點的溫度下使用的，當溫度上升時，配有炭黑的配合料的電阻率會上升，這種現象被稱為此配合料具有正溫系數(PTC)， 這是因為多數聚合物的熱膨脹系數較炭黑為大，溫度上升時，炭黑聚集體接觸點間的間隙趨于增大。這種現象可應用于開關電路中，使電路因溫度變化而開或關，或用以限制電路中功率大小。在這種應用中有兩點很關鍵，一點是并用幾種炭黑比單用一種炭黑在溫度變化時，電阻率的變化更敏銳。另一點是配合料的電阻率在經歷多次溫度高低的周期性變化會發生變化，選用適當的炭黑品種、配合量和分散度可以降低這種溫度滯后性。