趙志正(中橡集團西北橡膠塑料研究設計院,陜西咸陽712023) 編譯
具有不同電性能的導電彈性體復合材料在許多工業部門和醫學領域里獲得了廣泛的應用。
為了使彈性體復合材料具有導電的性能,最常見的做法是把特種牌號的炭黑加入膠料。由于這類炭黑具有高吸附表面,結構度和粗糙度,在彈性體材料中只需相對少的用量,即可與彈性體共同構成電荷轉移所需要的碳素-彈性體結構。
長久以來,作為能夠賦予彈性體高導電性能的專用牌號炭黑,人們都采用了乙炔炭黑。從上一世紀80年代起,為此目的開始使用牌號為П367Э和П267Э的炭黑。然而,目前因其價格昂貴,這幾中牌號的炭黑對橡膠工業來說實際上是用不起的。因此,開發產量大、價格低廉的導電橡膠用填充劑的生產工藝勢在必行。俄羅斯鄂木斯克市《Химпласт》股份有限公司1994年起用高芳構原料熱氧化分解法制造УМ-66炭黑(ТУ38 1001-94),從2001年起生產УМ-76炭黑(ТУ1002-02)和УМ-85炭黑。從物理化學特性來看(表1),這幾種牌號的炭黑完全能夠滿足彈性體導電的要求。
由表1列出的數據可見,УМ-66、УМ-76和УМ-85炭黑在外比表面積和吸碘值的指標上不僅超過了П234炭黑,而且還超過了導電炭黑П367Э。但是其結構度較低(對鄰苯二甲酸二丁酯的吸附值較小),與П234和П367Э炭黑(水懸浮體反應呈中性)不同,УМ-66、УМ-76和УМ-85炭黑的水懸浮體呈酸性反應。其酸性度是隨著炭黑牌號的提升而增大。這幾種牌號炭黑在表面純凈度和雜質含量(灰分及加熱條件下的失重)方面稍遜于П234及П367Э炭黑。
為了研究各種牌號炭黑對膠料的粘度、硫化、物理機械性能及電氣特性的影響,用實驗室開煉機ЛБ320 160/160,按標準工藝和配方制備了以СКН-18СМ、СКН-40КТН、СКМС-30АРКМ15和CKЭПТЭНБ為基礎的膠料,炭黑含量的變量范圍為20質量份~60質量份(對100質量份粘合性彈性體)。用液壓平板硫化機在150°C下硫化膠料。在上述生膠中填充了40質量份炭黑的膠料的性能如表2、表3所示。用剪切型門尼粘度計在120°C下和孟山都(Monsanto)硫化儀在150°C下測定了膠料的粘度和硫化參數。
從引用的數據可以看出,與含有П367Э炭黑的膠料相比,填充等量УМ-66、УМ-76和УМ-85炭黑的膠料的最低門尼粘度值及最小扭矩值最高。并且,隨著炭黑標號的升高膠料的粘度特性亦會增大,這可能與填充劑的外比表面積的增大有關。
УМ-66、УМ-76及УМ-85炭黑的酸性特性導致橡膠的硫化進程緩慢、焦燒時間和正硫化時間延長,硫化速率下降。進而,隨炭黑標號升高,酸性增強,因此,隨著其標號的提高,會使硫化減慢效應加大。
盡管УМ-66、УМ-76及УМ-85炭黑的外表面積數值很高,但是這幾種炭黑的結構度卻很低,這可在所制得材料的強度特性上反映出來。用УМ-66、УМ-76和УМ-85炭黑補強的橡膠具有較低的定伸應力值,而其拉伸強度指標卻比較高。
文中所研究的這幾種橡膠的伸長率和硬度的數值很近似。
用炭黑П367Э填充的膠料的粘度、硫化和物理機械性能與含有УМ-66炭黑的膠料的這幾種特性最接近。
導電橡膠最重要的特性是體積電阻率(ρv)。該文中介紹的是采用電位測定法(按МД38 105-156-86的方法)。將試樣置于熱空氣恒溫箱內在100°C下硫化1 h,再使之常態化后進行了測試,測定結果列于表4。
從表4的數據可以看出,ρv取決于導電性填充劑的牌號和含量,此外還取決于粘合性彈性體。較大的外比表面積,使УМ-66、УМ-76和УМ-85炭黑在填充量小的情況下就能夠形成導電的碳素-彈性體結構。這就使得采用這些牌號的炭黑填充時,當炭黑用量為20和30質量份(對100質量份生膠),橡膠的ρv大大優于用等量炭黑П367Э填充的橡膠。在填充量比較大的情況下膠料導電特性的差異就不甚懸殊了。應當指出,采用УМ-85炭黑可得到ρv的最小指標值。
綜上所述,新牌號炭黑適用于制造導電彈性體材料和制品。用УМ-85炭黑填充的橡膠具有最高的電氣特性。
參考文獻:
1 ОвсяниковН.Я.等,[J].КиР,2004,No3,C.35~37.
2 ОськинB.M.等,[J].Каучукирезина.1987.No5.C.17.
3 КошелевΦ.Φ.等,Общаятехнологиярезины.M.:Химия,1978.-528c.
