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炭黑在电线电缆导体、绝缘和护套应用中的作用

时间:2021年8月2日;作者:金尼尔·金、娜塔莉·哈里斯博士、田军博士

导电塑料化合物有多种用途,包括电线和电缆的导体和绝缘屏蔽、抗静电、静电消散(ESD)、电磁干扰(EMI)屏蔽和金属更换。塑料是典型的电绝缘体。通常使用导电添加剂来调整塑料的导电性以适应特定应用。与碳纳米管、碳纤维、石墨烯和金属薄片或金属丝相比,炭黑在制造导电化合物方面是最具成本效益的添加剂。这是由于炭黑的高度工程化工艺技术和易分散性。

本篇博客讨论了炭黑的关键特性,以及它们与导电性能的关系,特别是与电线电缆应用相关的特性。

1. 炭黑的导电性

在导电塑料应用中,炭黑主要用于提高加塑料材料的导电性或消散电流以防止静电放电。这些塑料的导电性是由炭黑的类型和负载以及成品零件的合成和制造过程决定的。塑料树脂类型和添加剂也会影响电导率,但在此讨论中,我们将重点关注炭黑。炭黑由初级纳米粒子聚合而成,具有三维链状结构。炭黑的测量特性,例如,比表面积、结构、孔隙率和表面活性,都会对塑料材料的导电性能产生影响,如表1所示。导电炭黑往往具有较高的比表面积,较高的结构,较高的孔隙率,但表面活性较低,即,化学洁净度较高。此外,炭黑的负载量和分散性也会影响导电性(表2)。

表1、炭黑的基本特性和导电性

Surfac

比表面积(初始粒径)

  • 高比表面积(较小的初始粒径)炭黑为电子转移提供了更大的比表面积。
Structure

结构(总尺寸)

  • 总尺寸较高,会在较低负载下形成导电路径。
Porosity

孔隙率

  • 具有高孔隙率的炭黑每单位重量包含更多的聚集体。
Surface Activity

表面活性

  • 较低的表面活性(化学洁净度较高)显示出较高的内在导电性,有助于形成导电路径。

表2、炭黑负载和分散对电导率的影响

Carbon Black Loading

炭黑负载

  • 较高的炭黑负载会形成导电路径。
Dispersion

分散

  • 分散较好的炭黑减少了炭黑之间的距离,并导致导电路径的形成。

2. 电线电缆的应用

Schematic structure of underground power cable

电线电缆行业消耗的导电炭黑量最大,其中大部分用于中高压电缆的导体和绝缘屏蔽。图1显示了电力电缆的典型结构。导体屏蔽层可与金属导体结合,以向绝缘层提供平滑的界面和均匀分布的电场。绝缘屏蔽层保护绝缘层免受电晕损坏,并提供安全保护。炭黑的导体和绝缘屏蔽对电缆的长期使用寿命起着至关重要的作用。

根据具体应用和炭黑类型,炭黑负载量可能在约22%到约44%(按重量计)之间变化。虽然不需要导电,但炭黑也用于电缆护套中以加强紫外线防护。

3. 电线电缆应用中炭黑的要求

炭黑是导体和绝缘屏蔽中的一种基本成分,用于提供所需的导电性能。选择炭黑时,我们要查看所需的炭黑负载量。然后决定是使用在较低负载下提供更高电导率的炭黑还是在较高负载下使用具有较低电导率的炭黑。然而,炭黑的选择不仅取决于所需的电导率规格,还取决于其他要求,包括分散性、流变性、机械性能和表面光滑度。

如前所述,炭黑化合物的电导率不仅取决于炭黑的类型和负载,还取决于包括合成和最终电缆挤压在内的其他工艺条件,。只有充分了解所有这些方面,才能确保优化导电性能。

3.1. 分散性

随着比表面积的减小、孔隙率的降低和结构的增加,炭黑表现出更高的分散性。如表1中的用途及性能关系所示,除结构外,在易于分散和提供高水平电导率之间存在明显的权衡。

因此,当需要高导电性炭黑时,在分散性和导电性之间找到平衡是很重要的。具有不同分散程度的炭黑如图3所示。

我们可以看几个场景:

场景1:

高比表面积和中等结构炭黑:须具有足够的分散能量以允许单个聚集体完全解聚,进而提供最佳的导电性能和其他次要属性。

场景2:

低比表面积和高结构:在这种性能平衡下,炭黑具有高度的分散性,并且会产生导电性能,但与场景1中描述的炭黑相比,其负载量略高。这意味着,即使色散能量较低,也足以为期望的导电性能提供良好的色散。值得一提的是,与此类炭黑的过度混合或过多的能量输入会导致骨料的分解(更高的结构=更脆弱的骨料),从而产生低于预期性能的性能。

Carbon Black Dispersion Comparison

3.2. 清洁度

对于电线和电缆应用,炭黑的清洁度与导电性和分散性同等重要。良好的清洁度会改善分散性、导电性、表面光滑度,并减少了复合过程中过筛网组合的变化。

博拉炭黑的超级技术确保了其具有极佳的物理清洁度;更具体地说,通过筛渣和灰分测试测得的杂质含量较低。

另一方面,由于产品质量和化学法规,化学清洁度也是一项重要要求。炭黑的化学清洁度可用硫、多环芳烃、离子等化学成分分析方法测定。

除了物理和化学清洁度外,在混合之前,还需要控制或最小化炭黑中的水分含量,因为过量水分会对分散性、导电性和表面光洁度产生不利影响。

电线电缆对导电塑料的需求不断增加,我们的炭黑在其中发挥了重要作用。博拉炭黑是领先的炭黑制造商之一,可以在电线和电缆应用领域提供广泛的专业知识。我们提供全套的炭黑产品,以满足市场的各种需求。我们在全球各地的技术专家随时准备与我们的客户合作,帮助他们找到解决任何应用难题的正确方案,从而取得成功。在选择和使用炭黑方面有很多选择,所以我们鼓励您联系博拉炭黑的技术专家,以最大限度地提高您的成功机会。

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金尼尔·金

金尼尔目前是韩国特种炭黑应用实验室和北亚技术服务部的高级经理,负责塑料、油墨和涂料市场。自1998年以来,他一直从事涂料行业方面的工作,并于2009年加入博拉炭黑。他喜欢与客户沟通交流,喜欢为客户的应用问题开发解决方案。他还希望支持在各种应用中的使用炭黑。金尼尔在韩国理工大学完成了他的电化学博士课程。他在仁荷大学获得工业化学硕士学位,并获韩国理工大学化学工程学士学位。

娜塔莉•哈里斯博士

娜塔莉•K•哈里斯博士最初于1990年任职于博拉炭黑在英国布里斯托尔的欧洲研发中心,负责材料分析组。哈里斯博士于1998年移居美国,担任乔治亚州马里塔公司总部的应用技术实验室主任,负责管理轮胎、MRG、塑料、油墨和涂料领域的炭黑评估项目。几年后,哈里斯博士离开了实验室,其在全球油墨和涂料市场开发新产品方面发挥了领导作用。哈里斯博士目前担任北美塑料、油墨和涂料市场的技术服务经理一职

田军博士

自2004年毕业于康涅狄格大学以来,田博士一直从事塑料行业,其在博拉炭黑工作了8年。田博士目前担任首席科学家,领导技术团队,并与我们的客户合作,为特种炭黑应用的各种挑战开发解决方案。

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