卡博特亚太技术中心（ATC），拥有世界一流的设备与技术队伍，从能源、化工、基础设施、交通等行业到消费者的衣食住行，全方位展开应用需求驱动的技术创新。密切配合客户制定差异化的解决方案。 【大咖分享】系列邀请到了ATC技术团队的大咖们，定期分享最新最前沿最专业的技术干货！
本期大咖 李园辉 ATC应用开发科学家
针对导电复合材料低吸湿性的 特种导电炭黑解决方案
在抗静电、静电释放、导电等领域，导电复合材料的应用已十分广泛且举足轻重。如常见的ESD（Electro-Static Discharge静电释放）包装盒、托盘、载带、薄膜，石油化工、采矿等行业的管道和储罐，医疗健康领域的柔性部件、外壳、抗静电防护制品，交通运输行业的燃料油系统，电线电缆中的导体和绝缘屏蔽层等，如图1所示。导电复合材料在满足导电功能性要求、操作和使用安全的同时，更具有轻量化、设计和加工灵活性、成本较低等诸多优势，是目前发展十分迅速的一大类功能性复合材料。伴随着数字化、电气化、小型化、轻量化的发展进程，导电复合材料及导电炭添加剂也迎来新的发展和强劲增长需求。
图1. 导电复合材料的应用场景
作为全球领先的导电炭添加剂制造商和供应商，卡博特一直致力于为市场和客户提供最多样化的导电产品组合，以满足不断扩大的导电应用需求。卡博特是目前全球唯一一家既有种类齐全的特种导电炭黑产品组合，又有多壁碳纳米管（MWCNT）以及碳纳米结构材料（CNS）的导电炭添加剂生产企业，并拥有丰富的产品开发和应用知识和经验，一流的全球技术团队和实验室配置，能够为市场和客户提供及时且强大的技术支持和服务。另外，卡博特在中国设立了全球三大研发中心之一的亚太技术中心（ATC），并陆续投资开设了多家导电材料工厂，这些都为本土化发展提供了强有力支持。
基于导电要求和对其他性能，如力学性能、加工成型性能、制品外观等的要求，卡博特公司推出了涵盖范围广泛的全系列导电炭添加剂产品供客户选择。除了常规导电炭黑，卡博特公司还有超导电炭黑VULCAN® XCmax™ 22，在更低的添加量下实现卓越的导电性能，还有多壁碳纳米管（MWCNT）以及形貌非常特殊的碳纳米结构材料（CNS）。如图2所示，达到相同体积电阻率，不同的导电添加剂所需添加量差别很大。而导电添加剂含量的不同，会影响材料的其他性能，例如拉伸性能，冲击韧性，体系粘度等。如图3所示，达到相同导电率所需要的不同导电添加剂的添加量大不相同。一般来讲，导电添加剂含量越低，越可以最大程度的减小对材料本身力学性能的影响。
图2. 卡博特导电添加剂家族的导电性能曲线（炭黑数据基于HDPE，其余数据基于PC。电阻率数据基于标准注塑样品）
图3. 相同导电率下所需导电添加剂含量以及对应的PC材料的缺口冲击强度
此外，在一些ESD应用中，如包装薄膜，塑料片材等，对制品结构缺陷（表面粗糙，颗粒或凸起，内部气泡，空隙等）会比较敏感。根据卡博特公司对这类问题的深入研究，我们认为这些缺陷多与炭黑的分散性以及吸湿性相关。炭黑的吸湿性可以用炭黑吸水性和复合材料吸湿性（Compound Moisture Absorption，CMA）这两个指标来表示。CMA是指，添加有炭黑的聚合物复合材料在一定温度和湿度条件下，在达到一定时间时的水分吸附量。针对此类低吸湿性的应用需求，卡博特公司开发了低复合材料吸湿性（Low CMA）的特种导电炭黑VULCAN® XC615。得益于特殊的表面形貌和结构，VULCAN® XC615在呈现优异的导电性和加工性、分散性的同时，具有显著更低的复合材料吸湿性。
首先，VULCAN® XC615导电炭黑本身的吸水性较卡博特常规导电炭黑有明显改善，在同等温湿度环境下测试相同时间，VULCAN® XC615的吸水率显著降低，如图4左图所示。对于复合材料熔融共混、挤出造粒过程来说，这意味着复合材料受水分的影响会更小，混合和造粒过程会更稳定（不易断条等），常见因水分引起的粒子缺陷（表面颗粒、内部空隙等）会减少。添加VULCAN® XC615炭黑可以改善一些对水分敏感的聚合物（如PC，PA等），在熔融加工中因水分存在造成的降解，从而改善最终材料的综合性能。
同时，熔融共混、挤出造粒成导电复合材料后，复合材料的吸湿性也对一些特定成型有影响，从而影响最终应用，如吹膜、挤出薄片材等。更低的复合材料吸湿率，有助于更光滑的制品外观，减少表面颗粒和内部气泡，从而有助于制品的力学性能呈现。同时对于ESD应用来说，光滑的表面不易形成静电集中点，可以起到更好的防护作用。VULCAN® XC615导电炭黑同时也是一款低复合材料吸水率的炭黑，如图4右图所示，在同等温湿度环境和测试时长下，导电率相同的卡博特导电复合材料，包含VULCAN® XC615导电炭黑的导电复合材料的吸水率明显更低。
图4. 卡博特炭黑产品的吸水性以及复合材料吸湿性数据
另外，卡博特的超导电炭黑VULCAN® XCmax™ 22同样也是一款复合材料吸湿性极低的导电产品。如图4中右图所示，在四类卡博特产品中，使用VULCAN® XCmax™ 22所制得的HDPE复合材料，其CMA数值最低，说明在达到相同导电率的情况下，该复合材料的吸湿性最低。这主要源于 VULCAN® XCmax™ 22在达到相同导电率下，所需添加量较常规导电炭黑可以减少达50%。除了低CMA性能，低炭黑添加量对于维持材料力学性能也非常重要，特别是对于追求高性能的工程塑料而言。同时，较低的添加量要求可以提供更多的配方设计灵活性，部件更轻。
两款产品目前卡博特都已实现中国本地化生产，为本土客户提供稳定的供应和快速响应。
作为一家拥有140年历史的全球领先特种化学品和高性能材料公司，卡博特的产品在相关行业常年位居世界一流水平，涉足领域十分广泛，涵盖补强材料、电池材料、气相法二氧化硅、气凝胶、喷墨色浆、特种聚合物等等。我们的愿景和宗旨一直是携手客户，创新共赢，为更完美的每一天创造材料并成就可持续的未来。
以上就是本期技术分享的全部内容，下期见！
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原文始发于微信公众号（卡博特Cabot）：大咖分享｜针对导电复合材料低吸湿性的特种导电炭黑解决方案
