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

摘要:以天然橡膠(NR)為基體,采用T60、T80、乙炔導(dǎo)電炭黑為填充物,研究了導(dǎo)電炭黑填充天然橡膠的力學(xué)性能以及對(duì)天然橡膠導(dǎo)電性能的影響。并與N330炭黑填充天然橡膠進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果表明:填充導(dǎo)電炭黑對(duì)天然橡膠具有一定的補(bǔ)強(qiáng)作用,橡膠的拉伸強(qiáng)度、扯斷伸長(zhǎng)率、撕裂強(qiáng)度等與N330炭黑填充橡膠相當(dāng)或超過其性能,硬度高于N330炭黑填充橡膠。導(dǎo)電炭黑天然橡膠的導(dǎo)電性主要取決于導(dǎo)電炭黑的表面性和結(jié)構(gòu)等特性、炭黑的不同用量以及導(dǎo)電炭黑的導(dǎo)電性能。

關(guān)鍵詞:天然橡膠;導(dǎo)電炭黑;力學(xué)性能;導(dǎo)電性能

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

1·前言

導(dǎo)電橡膠廣泛用于抗靜電、電磁屏蔽、正溫度系數(shù)(PTC)材料,接觸控制開關(guān)中的壓敏導(dǎo)電橡膠等方面。其應(yīng)用領(lǐng)域已遍布汽車、飛機(jī)、電器、計(jì)算機(jī)、國(guó)防、軍事、航天、建筑、醫(yī)療、食品等與人們生活息息相關(guān)的產(chǎn)業(yè),對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)起著十分重要的作用[1-6]。目前,生產(chǎn)導(dǎo)電橡膠存在兩個(gè)問題有待解決:一是膠料的導(dǎo)電性與其物理機(jī)械性能之間存在矛盾,即提高膠料的導(dǎo)電性通常以犧牲物理機(jī)械性能作為代價(jià);二是導(dǎo)電橡膠的成本較高。實(shí)驗(yàn)中以價(jià)格便宜的導(dǎo)電炭黑為填充劑、力學(xué)性能良好的天然橡膠為基體,制備導(dǎo)電天然橡膠。研究了導(dǎo)電炭黑對(duì)天然橡膠力學(xué)性能和導(dǎo)電性能的影響。

2·實(shí)驗(yàn)

2.1原材料

天然橡膠(NR),標(biāo)準(zhǔn)橡膠,湖南省農(nóng)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(jìn)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(jī)上混煉,硫化溫度140℃、硫化時(shí)間15 min。

2.3實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備及性能測(cè)試

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

橡膠邵氏硬度計(jì)(XHS-W),營(yíng)口市新興實(shí)驗(yàn)機(jī)械廠;電子拉力試驗(yàn)機(jī)(CMT6104),深圳三思材料檢測(cè)有限公司;SB100A/2四探針電阻率測(cè)定儀,深圳三思材料檢測(cè)有限公司。

拉伸性能、抗撕裂性能、硬度的試樣制備、測(cè)量方法及步驟均按照國(guó)標(biāo)執(zhí)行;體積電阻率測(cè)試,探針距離1 mm,室溫條件下。

3·結(jié)果與分析

3.1導(dǎo)電炭黑用量對(duì)體系力學(xué)性能的影響

圖1為炭黑用量對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響,圖1顯示,隨著N330、T80、乙炔導(dǎo)電炭黑用量的增加,拉伸強(qiáng)度先增加后下降,當(dāng)T80導(dǎo)電炭黑填充50份時(shí),拉伸強(qiáng)度最大值為18.78MPa;乙炔炭黑填充50份時(shí),出現(xiàn)最大拉伸強(qiáng)度為14.48 MPa,相當(dāng)與N330炭黑填充40份時(shí)的最大拉伸強(qiáng)度14.13MPa,由此說明:乙炔炭黑具有和N330相當(dāng)?shù)难a(bǔ)強(qiáng)效果,T80的補(bǔ)強(qiáng)效果好于N330,這主要是因?yàn)門80導(dǎo)電炭黑粒徑小,比表面積大,與橡膠的界面結(jié)合性能好。圖1中顯示,隨著T60炭黑用量的增加,拉伸強(qiáng)度先下降隨后略增加,這可能是因?yàn)門60導(dǎo)電炭黑密度較小,與橡膠界面結(jié)合性不好造成的。

圖2為炭黑用量對(duì)扯斷伸長(zhǎng)率的影響,由圖2可知,隨著N330、T80、乙炔導(dǎo)電炭黑用量的增加,扯斷伸長(zhǎng)率先增加后下降,當(dāng)N330炭黑填充30份時(shí),橡膠扯斷伸長(zhǎng)率出現(xiàn)最大值為423.4%,乙炔炭黑填充40份時(shí),最大扯斷伸長(zhǎng)率為378.9%,遠(yuǎn)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(dǎo)電炭黑用量增加,扯斷伸長(zhǎng)率呈下降趨勢(shì),進(jìn)一步說明T60導(dǎo)電炭黑與天然橡膠相容性差。

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

圖4為炭黑用量對(duì)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(shì)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?yàn)镹330炭黑比密度大,填充相同量的炭黑對(duì)橡膠硬度的影響小。

3.2導(dǎo)電炭黑用量對(duì)體積電阻率的影響

由于表面電阻與表面環(huán)境等因素有關(guān),因而用體積電阻能較好的反映材料的導(dǎo)電能力。N330炭黑填充橡膠是絕緣體,不導(dǎo)電。圖5為炭黑用量對(duì)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(dāng)填充量為20~30份時(shí),體積電阻率降低明顯,在30~40份之間出現(xiàn)突變值,然后逐漸趨于平坦,當(dāng)炭黑含量超過一定范圍后電阻率趨于穩(wěn)定。這說明,當(dāng)導(dǎo)電聚集體的密度(濃度)低時(shí),天然橡膠和導(dǎo)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(dāng)導(dǎo)電炭黑在天然橡膠中的分布密度達(dá)到一定值時(shí),體積電阻率才隨著導(dǎo)電炭黑的添加量增大而降低。微觀導(dǎo)電通路網(wǎng)絡(luò)一旦建立,電阻率就趨于穩(wěn)定。

炭黑的結(jié)構(gòu)性是其獨(dú)特而又非常重要的一種性質(zhì),它是表示非常細(xì)的炭黑粒子間聚集成鏈狀或葡萄狀的程度。結(jié)構(gòu)性越高,鏈狀(或葡萄狀)結(jié)構(gòu)越發(fā)達(dá),越容易形成炭黑空間網(wǎng)絡(luò)通道結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)是分散時(shí)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(chǎn)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(qiáng)的剪切作用。從宏觀上,常用吸油值(DBP)來表示結(jié)構(gòu)性,DBP值越大,結(jié)構(gòu)性越高。導(dǎo)電炭黑的物理性能和導(dǎo)電性取決于這些聚集體的體積和微孔程度。導(dǎo)電炭黑DBP吸油量越大越容易形成顆粒數(shù)量較多結(jié)構(gòu)復(fù)雜的聚集體,其單位質(zhì)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(dǎo)電性越強(qiáng)。以組成炭黑基本聚集體和形態(tài)的粒子為基準(zhǔn),高結(jié)構(gòu)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(dǎo)致高導(dǎo)電性能;同時(shí),導(dǎo)電炭黑表面積越大,其單位質(zhì)量的聚集體就越多。也就是結(jié)構(gòu)越高,比表面積越大,導(dǎo)電性越強(qiáng)。表1為炭黑的技術(shù)指標(biāo)。

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(jié)構(gòu)聚集體。當(dāng)T60、T80、乙炔炭黑填充60份炭黑時(shí),體系的體積電阻率分別為5.43Ω·cm、5Ω·cm、10Ω·cm。導(dǎo)電炭黑視比容越大,碳黑視比重度越小,在相同質(zhì)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(wǎng)絡(luò)就越容易,故在一定條件下比表面積、視比容越大,橡膠的導(dǎo)電性就越好。炭黑的表面化學(xué)性能也會(huì)影響導(dǎo)電性,在生產(chǎn)炭黑的過程中,經(jīng)化學(xué)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(tài)下,這些氧化物會(huì)形成揮發(fā)物質(zhì),揮發(fā)物形成絕緣體,從而降低了炭黑的導(dǎo)電性。乙炔炭黑表面含有大量帶氧官能團(tuán),它們妨礙了炭黑自由電子的遷移,使導(dǎo)電性受到影響,其電阻率是T60的2倍,T80的4倍。同時(shí),橡膠導(dǎo)電性能受到導(dǎo)電炭黑自身導(dǎo)電性能的影響,炭黑的導(dǎo)電性能越好,橡膠的導(dǎo)電性能就越好。

4·結(jié)論

(1)導(dǎo)電炭黑填充對(duì)NR橡膠具有一定的補(bǔ)強(qiáng)作用,橡膠的拉伸強(qiáng)度、扯斷伸長(zhǎng)率、撕裂強(qiáng)度等與N330炭黑填充橡膠相當(dāng)或超過其性能,硬度高于N330炭黑填充橡膠。

(2)導(dǎo)電炭黑填充量在30~40份時(shí),橡膠體積電阻率出現(xiàn)拐點(diǎn),導(dǎo)電炭黑在天然橡膠中形成電子網(wǎng)絡(luò)后,體積電阻率變化趨于平緩。導(dǎo)電炭黑填充量在50份時(shí),其綜合力學(xué)性能和導(dǎo)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(dǎo)電性越好。

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