1、不同炭黑的逾渗曲线研究了油炉法炭黑、槽法炭黑、高耐磨炭黑、乙炔炭黑及特导电炭黑的逾渗现象，结果见下图。由图可见，几种不同类型的炭黑具有相似的逾渗效应，其电阻率与炭黑含量的关系均符合逾渗规律，即开始时随炭黑含量提高，室温电阻变化不大，且炭黑含量越低，电阻率越大；随着炭黑含量提高到一定值，体系的电阻率急剧下降，在一个窄的炭黑浓度范围内约下降4个数量级以上，这一区域即为体系的临界组成区域或称逾渗值(percolation thresh—old)。当炭黑浓度超过某一值时，复合物的室温电阻率变化逐渐趋向平稳，炭黑粒子的分散已呈饱和状态，形成连续的导电阿状链，即处于导通状态。它们的不同处表现为逾渗区间不同。特导电炭黑的临界组成为7％～14％ ；乙炔炭黑为17％～25％；其他3种炭黑导电性相近，临界组成为35％～43％。炭黑含量的高低不仅对导电性有不同影响，还对加工产生影响。

    2、不同炭黑的PTC特性曲线对5种类型炭黑在临界组成下的PTC特性曲线进行了研究，结果见下图。由图可见，除特导电炭黑外，其他几种炭黑的电阻一温度曲线均呈标准的PTC曲线，即升温初期电阻增加缓慢，升到一定温度(约为100℃ )后，由于高分子链段运动幅度增大，导电粒子间隙宽度增加，电阻率明显增高。当温度接近聚合物基体的熔点(约120℃)时，聚合物基体结晶熔融，链状导电回路大量断开，同时CB聚集体结构也遭到破坏，致使材料电阻率突增，呈现明显的PTC开关特性。温度进一步上升时，在聚合物焙体状态下，原来分离的CB粒子及聚集体重新团聚，导致电阻率下降，呈NTC行为。
    特导电炭黑由于其松散的网络状或环状结构，在整个温度范围内，其导电网络没有断开，即使在高温下其形态也基本不变，故随着温度升高，电阻率变化不大。因而其PTC效应弱，PTC强度(最高电阻率与室温电阻率之比取对数)小于1个数量级。
    从图中还可看出，油炉法炭黑、槽法炭黑及高耐磨炭黑在各自的临界组成下具有PTC强度3—5个数量级，开关效应比较明显。但由于导电性差，添加量大，从而对加工造成一定困难。乙炔炭黑的PTC强度可达4～5个数量级，PTC升阻特性优良，且因添加量小于前3种，因而具有一定竞争力。
    3、炭黑含量对PTC强度的影响国产的油炉法炭黑及乙炔炭黑为导电载流子，分别研究了不同炭黑含量的LLDPE／CB体系电阻率随温度的变化规律，由图可见图，两种体系的PTC强度具有相似规律。起初随
炭黑含量提高，PTC强度大；当炭黑含量达到一最佳值时，PTC强度达到峰值(LLDTE／油炉法炭黑、LLDPE／乙炔炭黑分别为4 1，4．9)，峰值附近具有平滑的变化，即处于临界组成区域，PTC强度相差不大，在小于1个数量级间波动；超过峰值后缓慢下降，直到因炭黑含量过高，而在全域温度范围处于导通状态，PTC强度在1个数量级左右。
   下图给出的LLDPE／乙炔炭黑在4种炭黑含量下的阻温曲线亦可支持上述结果。图中20％、25％时的曲线均在临界组成区域．其PTC特性曲线在全域温度范围内均较明显；而在该区间以外的各两个炭黑含量下，PTC特性曲线变化平坦，没有明显的峰值转变及从室温到最高电阻率温度的急陡的电阻率变化，PTC强度小。

    4、几种炭黑粒子的TEM 观察
    几种炭黑表现出不同程度的PTC导电性，是由它们不同的形貌结构及粒子接触方式决定的，下图
为几种CB粒子的TEN 电镜照片由图5可见，特导电炭黑的粒子呈松散的阿络状或环状结构，也可以说是呈现纤维状聚集体的空壳状结构，它们相互熔台而成链状堆积。由于这种接触导通，达到同样的导电性则要求添加量更多。
    当温度升高时，特导电炭黑的颗粒仍以密集的导电网络存在、粒子间隙变化不大，因而不具备明显的PTC特性；而其他几种炭黑粒子则随着温度升高，体系中单位体积的粒子数目减少，粒子间隙随温度升高而增大，产生PTC开关特性。

    5、加工性能研究
    下表为乙炔炭黑、油炉法炭黑掺混LLDPE后的炭黑颗粒较小，表面结构较规整，因而具有良好的分散能力，粒子问以点接触居多 导电性好。另一方面，当填充量一定时，这类PTC材料中的电子传输占主导地位的是隧道效应，且电流密度是间隙宽度的指数函数，而空心粒子比实心粒子间距小，因而该炭黑具有最优的导电性。乙炔炭黑粒子的形貌亦为链状附聚体，但其颗粒较粗，平均粒径45mm，粒子表面疏松，颗粒问以面接触较多，其分散性不及导电炭黑，但与其他几种炭黑相比导电性居中油炉法炭黑的初级粒子多为密度较高的蛛网状结构，并相互熔合成串珠状堆积，颗粒粒度较乙炔炭黑颗粒更大，约为80mm，粒子问面接触方式更强。槽法及高耐磨炭黑的形貌与油炉法相近，几乎以面复合物的加工行为，因高导电炭黑／LLDPE体系FIE效应极弱，无实用价值，故不考虑。
    由表可见，在加工温度不变的条件下，随螺杆转速提高， 几种体系挤出扭矩均上升，但LLDPE／K．炔炭黑体系的扭矩在螺杆转速40r／min时仍较小，且表面较光亮、平滑；而其他两种体系的挤出扭矩在螺杆转速为5r／min时就较高，达42N·m以上，至20r／mln时已达很高，且表面粗糙，即使提高温度，其螺杆扭矩仍很大，表面极粗糙，不适合于挤出生产。

    6、炭黑种类对力学性能的影响
   下表为3种不同种类炭黑组成的复合物的拉伸强度及断裂伸长率比较。由表可见，乙炔炭黑／LLDPE体系拉伸强度虽小于其他两种CB粒子导电体系．但其具有较好的延伸率，伸长率大于300％，满足使用要求。而油炉法炭黑与槽法炭黑导电体系拉伸强度虽较高，但断裂伸长率下降很大，不适于缠绕及反复弯曲等操作，不具备实用性 由此考虑仍以乙炔炭黑导电体系为宜。

    7、电致发热特性研究
    下图为LLDPE／乙炔炭黑导电复合物制得的伴热带在通220V、50Hz交流电下，表面发热温度及发热功率时间变化曲线。由图可见，伴热带经过10000h运行，试验的功率约为(4.5±0.5)W／m(23℃下测定），发热温度约为(65±5)℃ ，具有良好的限温加热作用。通电中不采用继电器等控制元件，依靠材料自身的功率、电阻对环境温度的响应来实现温度控制。

电伴热带的表面发热温度及发热功率随时问变化曲线图

    8、结论
    (1) 以乙炔炭黑为导电载流子制备智能PTC发热材料及PTC自限温伴热带是一条合理的技术路线。LDPE／乙炔炭黑导电体系具有l临界CB含量低(小于25％)，PTC效应强(PTC强度大于4个数量级)，综合力学性能及加工性能好的特点。
    (2) 采用LLDPE／CB导电复合物可制得稳定发热温度(65±5)℃ ，发热功率4．5 W／m(23℃)的智能PTC自限温伴热带。

相关信息：自限温电伴热带中的高分子PTC导电塑料（一） 自限温电伴热带中PTC导电塑料性能测试（二） 自限温电伴热带 自控温电伴热带 温控伴热电缆配件 伴热电缆(电热线) 特种专用电伴热带 采油与输油电伴热带的使用（一） 电伴热带井筒保温的温度场计算（二） 电伴热带集输管道保温的温度场计算（三）