Суперэлектропроводящие углеродные сажи Введение Углеродные сажи используются в полимерах в качестве пигментных на полнителей и технологических добавок для повышения прочности и улучше ния электропроводящих свойств. Спрос на углеродные сажи, приме няющиеся для снижения электросоп ротивления полимера, за последние десятилетия заметно вырос и будет повышаться в дальнейшем. Массовое использование электронных уст ройств, сотовых телефонов, компью теров стимулирует развитие полиме ров, в которых проводимость необхо дима для защиты элементов интег ральных схем от статических разрядов и экранирования их от электромагнит ных полей. Другой постоянно расширяющейся сферой применения проводящих поли меров остается производство кабелей и проводов, где использование прово дящих саж необходимо для создания полупроводящих покрытий, выполняю щих роль защитного полупроводящего слоя между суперпроводящей метал лической жилой и супернепроводящим полимерным изолятором. Дальнейшее расширение примене ния углеродных саж ожидается в авто мобильной промышленности, где все больше и больше металлы заменяют ся полимерными материалами. Для нанесения покрытия как на металли ческую, так и на полимерную поверх ность за одну операцию полимерная поверхность должна обладать прово димостью, что достигается благодаря предварительному покрытию поли мерных частей проводящим грунтом или использованию полимера, которо му проводимость придана за счет вве дения углеродной сажи. Добавление углеродной сажи в по лимер влияет не только на проводи мость. При этом, как правило, изме няются ударная прочность, индекс те кучести, относительное удлинение при разрыве и т.д. В настоящее время ис следователи заняты разработками проводящих составов, отвечающих требованиям, предъявляемым автомо 22 Рис. 1. Значения пористости и удельной площади поверхности для различных видов саж ƒŒ¡¿¬ü» бильной промышленностью. Важней шим фактором является соответствие проводящих свойств требованиям ка чества при минимально возможном до бавлении углеродной сажи. При этом суперэлектропроводящим сажам отво дится ведущая роль. Электропроводящие углеродные сажи Тремя наиболее важными парамет рами, которые непосредственно вли яют на электропроводность углерод ной сажи, являются площадь поверх ности, структура и химическая приро да поверхности сажи. Площадь поверхности представля ет собой суммарную площадь внешних и внутренних (в микропорах) поверхно стей базовых углеродных частиц, объе диняющихся в первичные агрегаты. Индексы поглощения азота и йода ха рактеризуют этот параметр. Структура саж характеризуется склонностью базовых углеродных час тиц агрегировать в некоторых случаях в сильно разветвленные волокнистые войлокоподобные структуры. Степень поглощения дибутилфталата (ДБФ) характеризует степень структурирова ния саж. Рис. 2. Основная углеродная частица В процессе производства сажи на ее поверхности может образовывать ся большое количество кислородосо держащих групп, таких как лактоновые, хиноновые, фенольные и карбоксиль ные. Высокие концентрации этих орга нических поверхностных групп препят ствуют электропроводности сажи. Степень летучести является мерой измерения этих параметров. Углерод ные сажи с развитой площадью повер хности, высокой степенью структури рования и низкой летучестью показы вают наилучшие характеристики сре ди электропроводящих углеродных саж. Наряду с химической чистотой важными факторами являются низкое Рис. 3. Первичный агрегат содержание золы, низкое содержание металла, низкое содержание серы. На рис. 1 приведено сравнение парамет ров различных видов углеродных саж. Структура электропроводящей углеродной сажи Электропроводящая углеродная сажа может быть описана как веще ство, построенное из отдельных бло ков. Самые маленькие представляют собой базовые углеродные частицы в виде микросфер диаметром прибли зительно 30 нм, сформированные сло ями атомов углерода. Они могут быть как цельными, так и полыми. Чем базовые частицы более полые, тем более развитой поверхностной площадью они обладают (йодная аб сорбция). На рис. 2 представлена фо тография такой базовой углеродной частицы. Большое количество базовых угле родных частиц образует первичные аг регаты (рис.3), ответственные за струк туру вещества. Их размер варьируется от 100 до 1000 нм (1000 А = 100 нм). Если в процессе переработки первич ные агрегаты разбиваются, часть элек тропроводных свойств теряется. Большинство первичных агрегатов совместно образуют агломераты, раз меры которых находятся в диапазоне от 10 до 100 микрон. Во многих случа ях сажа поставляется на рынок в виде гранул. Гранулы и агломераты легко разбиваются в ходе компаундирования и/или технологических операций, та ких как внутреннее перемешивание или экструдирование. Рис. 4. Зависимость электропроводности от количества сажи в сажеполимерных смесях Механизм электропроводности В процессе смешивания с полиме рами необходимо обеспечить дробле ние агломератов сажи на первичные агрегаты и равномерное распределе ние последних в смеси. При слишком низком наполнении смеси сажей рас стояние между первичными агрегата ми достигает значений, не допускаю щих беспрепятственного перемеще ния электронов в смеси (что, соб ственно, и является электропроводи мостью). При критических и выше кон центрациях сажи межагрегатное рас стояние сокращается настолько, что позволяет связующим силам между частицами сажи формировать элект ропроводящие пути. Это приводит к формированию хорошей всесторонней Рис. 5. Зависимость электропроводности полипропилена от вида сажи и времени приготовления Таблица 1. Свойства основных типов электропроводящих саж * % добавленной углеродной сажи электропроводящей сети в матрице смеси. Чтобы электроны могли переме щаться по данным токопроводящим путям, агрегаты не обязательно долж ны контактировать физически, доста точно уменьшить зазор до нескольких нанометров. Электроны могут преодо левать такие межагрегатные зазоры скачком за счет так называемого «тун нельного эффекта». С увеличением наполнения полимера сажей удельное сопротивление (электропроводи мость) фактически не изменяется до того момента, пока не будет построе на электропроводящая сеть, обеспе чивающая «туннелирование» электро нов. Данное состояние называется «перколяционным порогом» или «точ кой флокуляции» (рис. 4). Дальнейшее повышение сажена полнения приводит к резкому сниже нию значений удельного сопротивле ния. Однако при определенных уров нях наполнения происходит насыще ние электропроводящей сети и даль нейшее увеличение саженаполнения практически не сказывается на изме нении сопротивления. Значение пер коляционного порога зависит от типа углеродной сажи, типа полимера, тех нологии производства так же, как и от присутствия других добавок (рис. 5). Дисперсия является ключевым па раметром, отражающим проводи мость смеси/частицы. Чем лучше дис 23 ƒŒ¡¿¬ü» персия, тем меньшее количество про водящей сажи необходимо для полу чения требуемого удельного сопротив ления. Применение суперэлектропроводящих саж Сферы применения суперэлект ропроводящих саж практически нео граниченны. Они могут использовать ся как в термопластичных и терморе активных полимерах, так и в эласто мерах. Примерами готовых изделий слу жат фольга и пена (ПП, ПВХ); микро схемы (ПА); топливные баки (ПЭВД, ПЭНД); трубопроводы (ЕЕА, ПВХ); по крытие полов (эпоксидное); основа ковров (ПВХ); автомобильные манже ты (АБС, ПА); кабели (ПЭ, ЕАМ, ПВХ); батареи (УХМВПЭ) и множество дру гих. Во всех указанных случаях электро проводящая сажа добавляется для сни жения поверхностного и/или объемно го сопротивления, чтобы предотвратить накапливание статических зарядов, или для защиты от электромагнитных полей. Сравнение некоторых типов коммерчески поставляемых углеродных саж Электропроводящие углеродные сажи, представленные на рынке, зна чительно отличаются как по качеству электропроводимости, так и по хими ческой чистоте (табл.1). В таблице приведены некоторые типы большинства электропроводящих углеродных саж. Выводы Электропроводящие углеродные сажи – это полимерные добавки с ши роким спектром применения в различ ных полимерах. Активное использование суперэ лектропроводящих углеродных саж вызвано постоянно растущим спросом в тех областях, где возможно приме нение минимального количества сажи. Х.Винке, менеджер Отдела технического развития полимерных добавок, Лаборатория Акзо Нобель Полимер Кемикалз, Нидерланды ÕŒ¬Œ—“» «Умные полимеры» Японцы изобрели «умный» поли мер, способный менять цвет. Изме нения температуры окружающей сре ды, кислотности, освещенности, присутствие токсинов или лекарств способны вызвать изменение цвета нового полимера. Новый «умный» материал, созданный Риохиро Акаши и его коллегами из Fuji Xerox Company, воспроизводит способ кон троля за пигментацией, применяе мый кальмарами и осьминогами. Последние способны имитировать раскраску ядовитых существ в каче стве защиты или же скрываться, вос производя окраску моря. А некото рые виды даже общаются путем из менения цвета кожи. Столь быстрых перемен беспозвоночные достигают, сжимая «мешочки» с пигментами. В их коже есть «мешочки», заполнен ные пигментами разных цветов, к ко торым прикреплены мышечные во локна. Когда мышцы сокращаются, мешочки увеличиваются и участок кожи приобретает окраску. Расслаб 24 ƒŒ¡¿¬ü» ление мышц, наоборот, вызывает обесцвечивание кожи. Японцы изготовили крошечные пиг ментные мешочки из полимера, спо собного сокращаться. Длинные моле кулы полимера были связаны друг с другом, чтобы образовать гель. Объем получившегося геля контролируется температурой. При 34 градусах моле кулы полимера сокращаются и объем геля уменьшается примерно на 10%. Акаши и его коллеги изготовили пиг ментные мешочки размером всего 20 200 микрон. А потом заполнили их кра сителем (черным углеродом). Части цы геля в растворителе при комнатной температуре раздуты и жидкость ка жется черной. Но при нагревании до 40 градусов молекулы сокращаются и жидкость становится прозрачной. Подобные гели могут реагировать и на другие стимулы, например, свет, различные соединения или электри ческие поля. Кроме того, цвет этого геля можно установить по желанию – просто наполнив мешочки другим пиг ментом. Unipack.ru KMnews Тайваньские производители терпят убытки Тайваньские производители пла стмассовых изделий ходатайствова ли перед Министерством Защиты Ок ружающей Среды (ЕРВ) об отмене плана введения жестких ограничений на использование пакетов и пищевых емкостей из полимерных материа лов. Представитель Тайваньской Ассо циации пластмассовой промышленно сти заявил, что с началом приведения этого плана в действие закрылись три крупных завода, на которых было бо лее 1000 рабочих мест. В дальнейшем работу могут потерять еще более 50 000 человек. Напомним, что EPA ввело запрет на предоставление бесплатных пласти ковых пакетов во всех общественных заведениях, а с 1 января распростра нила этот запрет на все предприятия розничной торговли. Unipack.ru
