OMCARB系列导电炭黑与填充该系列炭黑的天然橡胶的对比研究

江畹兰 编译

（华南理工大学材料学院，广东 广州 510641）

导电聚合物复合材料作为一种纳米工业产品，具有独特的技术经济指标，它在不同的技术领域得到了广泛的应用。可精细分散的填充剂—导电炭黑（ЭТУ），在确保导电聚合物电性能方面担负着重要的作用。它赋予橡胶制品高水平的使用特性及最大的经济效益。

众所周知，有许多因素有助于提高复合材料（其中包括橡胶）的导电性能，诸如使用专门的导电填充剂，大剂量填充（超限度渗滤）及高分散性等。填充了导电炭黑的材料，其增高的导电率是由于导电炭黑的高结构性、高分散性、表面清洁度（表面无含氧官能团，特别是酚基和羧基）及聚集体按枝化形状的宽域分布所致。

俄罗斯一研究所在导电炭黑的制造工艺方面，进行了基础的、探索性的应用研究。在俄罗斯相关部门及企业协助下，该研究所开发了颇有发展前景的多种具有新的功能的炭黑，其性能有别于ASTM D1765-14中的通用炭黑品种。在这些商品牌号为OMCARB的炭黑中，有如下几种形貌特点不同的炭黑，如C40、C140、CH85、CH200、CH210、CH600等。但对含以上炭黑的橡胶的研究，不及含原有品种炭黑的橡胶。

文中对不同牌号的高导电OMCARB系列炭黑，及用其填充的天然橡胶胶料的性能进行了对比研究。

导电炭黑粉末试样的电子显微镜研究，是在透射电镜JEM 2100JEOL上，于加速应力为200 kV条件下进行的。炭黑粉末的比电阻率ρvn乃在УЭСТ-1仪器上，按该研究所拟定的方法进行测试。牌号为CLARIMERL的天然橡胶胶料在实验室用炼胶机上制备（按ASTM D3192-09标准），硫化胶的制备则按ASTM D3182-12规定进行。胶料及其硫化胶的基本特性，分别用流变仪MDR3000及黏度计MV 3000按ASTM D412-13标准测定；胶料的拉伸强度在Shimadzu拉力机上测定，橡胶的比电阻则按ASTM D991-2010规定测定。含对比导电炭黑的橡胶的动态性能，在动态力学分析仪DMA-242D上测得，振动频率10 Hz，测试温度-60 ℃～+60 ℃（在拉伸变形条件下）。

表1 胶料的流变性能和标准硫化胶的力学性能及物理特性与导电炭黑用量的相关性

透射电镜图表明，所有被测试的OMCARB系列导电炭黑试样中都有发达的结构，它由不同直径的粒子（20 nm～56 nm）组成，在球形微粒中碳的密度较低（在图上可见微孔及灼烧带）。后一特点在试样C140、CH200、CH210及CH600中表现得更为突出。粉末状导电炭黑（ЭТУ）CH600的比电阻，在所有试样中是最低的。而其他试样的比电阻则按CH200、CH210、C140、CH85、C40的次序逐渐增高。

图1 用透射电镜在不同放大倍数下得到的导电炭黑试样图谱

当所有牌号的导电炭黑用量都增加，在对比了含这些炭黑的胶料性能后看到，最小转矩、最大转矩、门尼黏度、焦烧、正硫化时间以及100%及300%定伸应力、邵尔A硬度等性能均呈上升趋势，而永久变形性能则下降。另一方面，含各种牌号导电炭黑的硫化胶的拉伸强度的变化并不遵循这一规律。含C40导电炭黑的硫化胶，在炭黑含量为22%（质量份）时，具有较高的强度。C140导电炭黑的特点是，当其在橡胶中的含量在13%～31%（质量份）时，橡胶的强度指标实际上并没有改变。尽管橡胶强度不高，但并没有逆转，这可使生产者制得高填充的胶料。CH85导电炭黑用量为24%（质量份）时，可赋予橡胶高强度指标。CH85的特点是当它在胶料中的用量增加时，胶料的门尼黏度只是缓慢地升高。导电炭黑CH200、CH210及CH600在橡胶中不具有高补强性。当橡胶中CH200含量为24%（质量份）、CH210含量为10%～15%（质量份）、CH600含量为13%（质量份）时，橡胶的强度最高。在此种情况下，可能是形成了填充剂牢固的网络结构。

图2示出了橡胶比电阻（ρv）与填充剂用量的关系。由于填充剂真正的渗透极限值从曲线上很难得出，故测定了填充剂的等效浓度Ψc，它相当于橡胶在同一ρv时（8 Ω·m）的有效浓度。由图2可知，填充了导电炭黑的橡胶Ψc的降低情况，按如下次序排列，即C40、CH85、C140、CH200、CH210及CH600。

由实验结果获悉，橡胶的Ψc值与导电炭黑粉末的比电阻（ρv）之间存在着相关性，即填充剂的比电阻越大，为制备Pv=8 Ω·m的橡胶所需填充剂的量也就越多。Ψc值与导电炭黑的分散性成反比例关系。

必须指出的是，Ψc值有时并不与橡胶的强度一致。因此，在选择导电炭黑时，必须注意在确保橡胶导电性所需的填充剂用量的同时，还要考虑橡胶及产成品的其他标准（如工艺性能及力学性能指标等）。

图2 橡胶的比电阻(ρv)与牌号为C40(1)、C140(2)、CH85(3)、CH200(4)、CH210(5)及CH600(6)的导电炭黑质量份的关系

轮胎胎面及许多橡胶工业制品通常是在动态条件下工作的。借助于动态力学分析仪DMA-242D分析研究了在300%（б300）定伸应力条件下应力值相近（4.5 MPa～9.5 MPa）的橡胶试样。为此，导电橡胶中导电炭黑的含量分别为：C40-18；C140-26；CH85-13；CH200-13；CH600-13（均为质量份），这与达到相同模量的条件相吻合。

图3 填充剂在橡胶中的有效浓度(Ψc)(1)与导电炭黑粉末的比电阻(2)的关系

为研究橡胶的变形，还需要有橡胶振动过程的模量值。图4示出了所研究橡胶的滞后损失与温度的相关性曲线。由图4还可看出，在60 ℃下（预估轮胎滚动阻力时的温度）填充CH85导电炭黑的橡胶机械损耗角正切tanδ最小，而填充C140及CH600炭黑的该值最大。在-60 ℃（在此温度下预测轮胎的耐磨性）下填充C40及CH85导电炭黑的橡胶，其滞后损失及tanδ值都较大。在预估胎面胶与潮湿路面的抓着性的-10 ℃～0 ℃范围内，所有填充胶的测试结果都相近。因此，在动态使用条件下，填充导电炭黑CH85的胎面胶，其tanδ较小，估计其滚动阻力也会较小。

图4 填充不同牌号导电炭黑的橡胶机械损耗角正切tan δ与温度的相关性曲线*

基于实验所得结果，表2列出了OMCARB系列导电橡胶适宜的应用领域。

表2 OMCARB系列导电炭黑的应用领域

总之，OMCARB系列导电炭黑的性能各异，因此，所填充的橡胶的性能也各不相同。但是，这些炭黑扩大了按ASTM或ГОСТ规定命名的现有橡胶用炭黑品种的范围。需要特别指出的是，这些炭黑的生产工艺是成熟的，并且已规模化生产。

[1]МОИСЕЕВСКАЯ Г.В等. Сравнительюе исследование электропроводных марок технического углерода серии《OMCARM》 и резин на основе натураиного каучука[J]каучук и резина 2015(04):24-27.