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mygalaxy1977

铜虫 (正式写手)

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专业: 数理统计

[交流] 进来讨论一下碳纤维吧

碳纤维是一种高强高模／低密度的新型材料，是现代国民经济和科技发展的支柱材料，已应用到航空／航天／建筑／军事上．目前日本的水平最高，控制着国际碳纤维的主要市场，而我国发展水平落后于国外３０余年．大家近来讨论讨论，谈谈该学科的发展．

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1楼 2007-03-22 14:28:31

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lwp112

银虫 (小有名气)

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专业: 应用有机化学

碳黑在液晶显示器的应用

滤光片用颜料碳黑
碳黑的主要成分是碳，此外含有少量的氢氧等，如表1所示：
表1：碳黑的元素组成
元素 C O H S
含量（%） 90-99 0.1-10 0.2-1.0 0-0.7
碳黑是具有“准石墨”晶体结构和胶体粒径范围的黑色状物质，其结构类似于石墨，但是其六边形层结构的间距远大于石墨层结构的间距，且层于层之间无键连接。典型的碳黑是直径10-100nm，表面积25-1500m2/g球形原生粒子构成的，这些原生颗粒聚集在一起形成碳黑特性单元——原生聚集体，如图3所示[11]：

图3  典型碳黑原生聚集体
原生颗粒和原生聚集体是控制碳黑的重要因素，粒子越小表面积越大，较大的表面积既可增加黑度，又可提高对可见光和紫外线的吸收。
碳黑同时具有一定的表面化学性质，即吸附在碳表面含氧官能团的数量。可通过表面酸度PH值、二苯胍吸着指数（DPG）来表征。通常高酸度的碳黑相对分散较快、黏度较低，其色度较高。可用图4，图5模型来表示碳黑表面酸性基团及相互转换[12]

敞开型          内酯型             综合型

图4碳黑表面酸性基团模型

图5 碳黑表面化学键转换模型
   由此模型可知，氢元素、氧元素在碳黑表面主要以羧基、羟基、内酯基、醌型含氧基以及芳环上的氢的形式存在。所有碳黑表面都有一定程度的化学吸氧络合物或者挥发物。氧络合物呈酸性，控制碳黑的PH值，随着挥发物的增加PH值下降，同时导电率降低。而在液晶显示器中，正是期望其黑矩阵具有最小的导电率。因此可将碳黑化学氧化，以增加挥发物含量，是基本团聚体绝缘获得较小的导电率。
一般说来，碳黑粒径越大分散性越好。细小的粒子尺寸导致表面积增大，这就需要更多的能量浸润，因此分散比较困难[13].同时，黑度随着粒径的减小而增大，但着色力随着粒径的增加却出现峰值，原因在于粒子太小分散困难，而且粒子本身的透明度有所增加。由前所述，可知碳黑示由大量的原生粒子聚集而成的，该聚集体表面积大、表面含有丰富的极性基团，所以在碳黑/树脂体系中存在这难分散、易聚集絮凝等特点。根据絮凝理论，颜料粒子相互接近的作用力通常包括范德华力、静电力合空间位阻力。范德华力是相互作用的粒子内部偶极的影响而形成的。现已表明相似粒子间的范德华力随粒子粒径增大而增大，随粒子分散距离增大而减小。因此碳黑被研磨分散时，碳黑粒子达到一定德细度时起码要求。一般其细度应≤0.015mm（更高要求≤0.005mm）。颜料粒子间德静电力取决于粒子周围形成的双电层厚度。双电层厚度的降低导致粒子分散稳定性的降低。在分散体系中，颜料粒子表面有部分水存在时，可强烈促进与颜料粒子表面相连的可粒子化物质的电离，导致双电层厚度的降低。为了使炭黑获得较好的分散稳定性，有必要使颜料粒子的双电层厚度保持一定值。要做到这一点，除去或减少炭黑粒子所带的水分对分散有利。此外，还要注意带入可离解物质(电解质)的影响。需要说明的是，排斥力也与粒子的粒径有关，较大的粒子比较小的粒子受到的排斥力更强烈，这与电磁力的影响因素相反。理论上讲，颜料粒子的细度不是越小越好，否则静电斥力与范德华力互相制约。实际生产中.炭黑的细度达到规定的要求.就没有必要再研磨分散。空间位阻力对分散体系的影响，主要取决于颜料粒子表面的一层吸附物对邻近粒子的空间阻碍。空间阻碍与静电排斥力相结合所形成的体系会趋于十分稳定。要使颜料粒子形成这种空间阻碍，关键是在研磨分散后，每个粒子都应是“终极粒子（即分散粒子是不会再分裂的稳定粒子，也是不再聚集的稳定粒子）”。要达到这一点，就要使每一个“终级粒子”都被基料树脂分散均匀包覆。在生产中可通过测定颜料的丹尼尔流动，确定一个最佳的颜基比。但由于炭黑初级粒子间产生极强的聚集力，使它们并不能达到期望的状态，按常规工艺研磨分散炭黑时尤为突出，分散后的炭黑粒子处于一种原始的干硬状态。当炭黑的色浆或成品贮存一段时间后，其内部逐渐被溶剂溶胀，再被基料树脂润湿，而被溶胀的炭黑粒子可能因表面积增大而被基料树脂润湿不够，使其中一部分暴露出来，相邻的类似粒子通过范德华力及氢键重新聚集。溶胀和聚合都会使炭黑的细度超过最低要求，出现絮凝返粗[14-17]。
为了克服炭黑絮凝可采用以下几种方法[18]:
①炭黑表而进行硝酸氧化处理；
②在炭黑表面接枝苯乙烯、丙烯睛及乙烯单体等极性单体；
③用丁醇一乙醇混合溶剂，加热回流预浸炭黑。此法操作不便、成本高；
④用丁醇一环己酮混合剂加入环烷酸锌、二乙醇胺预浸炭黑；
⑤加入高分子型碳黑分散剂。