郭巍1,吳行1,鄭振忠2,張明2(1.裝甲兵工程學院,北京100072; 2.裝甲兵裝備技術研究所,北京100072)

摘要:以天然橡膠(NR)為基體,采用T60、T80、乙炔導電炭黑為填充物,研究了導電炭黑填充天然橡膠的力學性能以及對天然橡膠導電性能的影響。并與N330炭黑填充天然橡膠進行對比分析,結果表明:填充導電炭黑對天然橡膠具有一定的補強作用,橡膠的拉伸強度、扯斷伸長率、撕裂強度等與N330炭黑填充橡膠相當或超過其性能,硬度高于N330炭黑填充橡膠。導電炭黑天然橡膠的導電性主要取決于導電炭黑的表面性和結構等特性、炭黑的不同用量以及導電炭黑的導電性能。

關鍵詞:天然橡膠;導電炭黑;力學性能;導電性能

中圖分類號:TM215;TM241;TQ336.8文獻標志碼:A文章編號:1009-9239(2011)01-0058-04

1·前言

導電橡膠廣泛用于抗靜電、電磁屏蔽、正溫度系數(PTC)材料,接觸控制開關中的壓敏導電橡膠等方面。其應用領域已遍布汽車、飛機、電器、計算機、國防、軍事、航天、建筑、醫療、食品等與人們生活息息相關的產業,對國民經濟增長起著十分重要的作用[1-6]。目前,生產導電橡膠存在兩個問題有待解決:一是膠料的導電性與其物理機械性能之間存在矛盾,即提高膠料的導電性通常以犧牲物理機械性能作為代價;二是導電橡膠的成本較高。實驗中以價格便宜的導電炭黑為填充劑、力學性能良好的天然橡膠為基體,制備導電天然橡膠。研究了導電炭黑對天然橡膠力學性能和導電性能的影響。

2·實驗

2.1原材料

天然橡膠(NR),標準橡膠,湖南省農墾總公司;N330炭黑、T60炭黑、T80炭黑、乙炔炭黑,天津市金升橡膠制品廠;其他原料均市售。

2.2制備

天然橡膠100 g、氧化鋅5 g、硬脂酸2 g、防老劑2 g、促進劑1.5 g、均勻劑1 g、硫黃1 g、DCP1.5 g、N330炭黑、T60炭黑、T80炭黑、乙炔炭黑, 4種炭黑的組分為20 g、30 g、40 g、50 g、60 g在雙輥筒煉塑機上混煉,硫化溫度140℃、硫化時間15 min。

2.3實驗儀器設備及性能測試

雙輥筒煉塑機(SK-160B),上海橡塑設備廠;25噸平板硫化機(XQL13),上海第一橡膠機械廠;橡膠沖片機(KY4025),江都市開源試驗機械廠。

橡膠邵氏硬度計(XHS-W),營口市新興實驗機械廠;電子拉力試驗機(CMT6104),深圳三思材料檢測有限公司;SB100A/2四探針電阻率測定儀,深圳三思材料檢測有限公司。

拉伸性能、抗撕裂性能、硬度的試樣制備、測量方法及步驟均按照國標執行;體積電阻率測試,探針距離1 mm,室溫條件下。

3·結果與分析

3.1導電炭黑用量對體系力學性能的影響

圖1為炭黑用量對拉伸強度的影響,圖1顯示,隨著N330、T80、乙炔導電炭黑用量的增加,拉伸強度先增加后下降,當T80導電炭黑填充50份時,拉伸強度最大值為18.78MPa;乙炔炭黑填充50份時,出現最大拉伸強度為14.48 MPa,相當與N330炭黑填充40份時的最大拉伸強度14.13MPa,由此說明:乙炔炭黑具有和N330相當的補強效果,T80的補強效果好于N330,這主要是因為T80導電炭黑粒徑小,比表面積大,與橡膠的界面結合性能好。圖1中顯示,隨著T60炭黑用量的增加,拉伸強度先下降隨后略增加,這可能是因為T60導電炭黑密度較小,與橡膠界面結合性不好造成的。

圖2為炭黑用量對扯斷伸長率的影響,由圖2可知,隨著N330、T80、乙炔導電炭黑用量的增加,扯斷伸長率先增加后下降,當N330炭黑填充30份時,橡膠扯斷伸長率出現最大值為423.4%,乙炔炭黑填充40份時,最大扯斷伸長率為378.9%,遠大于T80炭黑最大值264.1%,這說明T80炭黑填充橡膠的柔韌性不好;T60導電炭黑用量增加,扯斷伸長率呈下降趨勢,進一步說明T60導電炭黑與天然橡膠相容性差。

圖3為炭黑用量對撕裂強度的影響,由圖3可知,隨著N330、T60、乙炔導電炭黑用量的增加,橡膠的撕裂強度先減小后增大,乙炔炭黑填充60份時撕裂強度為83 MPa, N330炭黑填充60份時,橡膠撕裂強度為76MPa,乙炔炭黑填充橡膠的撕裂強度高于N330炭黑填充橡膠, T60炭黑填充橡膠的撕裂強度變化趨勢較平緩填充40份時最低為48MPa,填充60份時最高為66 MPa;隨T80炭黑填充量的增加,橡膠的撕裂強度先增加后降低,填充40份時最大為79 MPa。

圖4為炭黑用量對硬度的影響,由圖4可知,隨著4種炭黑的用量增加,橡膠的硬度增加,其中T60、T80填充橡膠硬度變化趨勢相近且明顯高于乙炔炭黑、N330炭黑填充橡膠,N330炭黑填充橡膠的硬度最小,主要是因為N330炭黑比密度大,填充相同量的炭黑對橡膠硬度的影響小。

3.2導電炭黑用量對體積電阻率的影響

由于表面電阻與表面環境等因素有關,因而用體積電阻能較好的反映材料的導電能力。N330炭黑填充橡膠是絕緣體,不導電。圖5為炭黑用量對體積電阻率的影響,圖5顯示,隨T60、T80、乙炔炭黑填充量的增加,橡膠的體積電阻率降低,當填充量為20~30份時,體積電阻率降低明顯,在30~40份之間出現突變值,然后逐漸趨于平坦,當炭黑含量超過一定范圍后電阻率趨于穩定。這說明,當導電聚集體的密度(濃度)低時,天然橡膠和導電炭黑的聚集體間的間隙大形不成電子通道,故體積電阻率變化不大;只有當導電炭黑在天然橡膠中的分布密度達到一定值時,體積電阻率才隨著導電炭黑的添加量增大而降低。微觀導電通路網絡一旦建立,電阻率就趨于穩定。

炭黑的結構性是其獨特而又非常重要的一種性質,它是表示非常細的炭黑粒子間聚集成鏈狀或葡萄狀的程度。結構性越高,鏈狀(或葡萄狀)結構越發達,越容易形成炭黑空間網絡通道結構,這種結構是分散時可保持的最小基本單元,不容易被破壞,炭黑在高聚物中是以聚集體為基本單位存在的在生產加工過程中粒子聚集體和聚合物永久性地熔合在一起,除非過強的剪切作用。從宏觀上,常用吸油值(DBP)來表示結構性,DBP值越大,結構性越高。導電炭黑的物理性能和導電性取決于這些聚集體的體積和微孔程度。導電炭黑DBP吸油量越大越容易形成顆粒數量較多結構復雜的聚集體,其單位質量的聚集體就越多。故在一定條件下,炭黑的DBP吸油量越大,其導電性越強。以組成炭黑基本聚集體和形態的粒子為基準,高結構的炭黑聚集體具有大而高分支群的粒子,這種分支增加了聚集體間的接觸,可導致高導電性能;同時,導電炭黑表面積越大,其單位質量的聚集體就越多。也就是結構越高,比表面積越大,導電性越強。表1為炭黑的技術指標。

表1顯示, T80炭黑的DBP吸油量為452 cc/100 g炭黑,大于T60、乙炔炭黑的DBP吸油量,更容易形成高結構聚集體。當T60、T80、乙炔炭黑填充60份炭黑時,體系的體積電阻率分別為5.43Ω·cm、5Ω·cm、10Ω·cm。導電炭黑視比容越大,碳黑視比重度越小,在相同質量的條件下,體積越大,填充到橡膠基體越重,碳黑間形成電子網絡就越容易,故在一定條件下比表面積、視比容越大,橡膠的導電性就越好。炭黑的表面化學性能也會影響導電性,在生產炭黑的過程中,經化學方法將炭黑表面氧化處理,使炭黑的表面形成氧化物,如常見的羥基和羧基等;在熔融狀態下,這些氧化物會形成揮發物質,揮發物形成絕緣體,從而降低了炭黑的導電性。乙炔炭黑表面含有大量帶氧官能團,它們妨礙了炭黑自由電子的遷移,使導電性受到影響,其電阻率是T60的2倍,T80的4倍。同時,橡膠導電性能受到導電炭黑自身導電性能的影響,炭黑的導電性能越好,橡膠的導電性能就越好。

4·結論

(1)導電炭黑填充對NR橡膠具有一定的補強作用,橡膠的拉伸強度、扯斷伸長率、撕裂強度等與N330炭黑填充橡膠相當或超過其性能,硬度高于N330炭黑填充橡膠。

(2)導電炭黑填充量在30~40份時,橡膠體積電阻率出現拐點,導電炭黑在天然橡膠中形成電子網絡后,體積電阻率變化趨于平緩。導電炭黑填充量在50份時,其綜合力學性能和導電性能最好。

(3)在一定條件下,碳黑的DBP吸油量、比表面積、視比容越大,電阻率越小,橡膠的導電性越好。

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