OMCARB系列導(dǎo)電炭黑與填充該系列炭黑的天然橡膠的對(duì)比研究

江畹蘭 編譯

（華南理工大學(xué)材料學(xué)院，廣東 廣州 510641）

導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料作為一種納米工業(yè)產(chǎn)品，具有獨(dú)特的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，它在不同的技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。可精細(xì)分散的填充劑—導(dǎo)電炭黑（ЭТУ），在確保導(dǎo)電聚合物電性能方面擔(dān)負(fù)著重要的作用。它賦予橡膠制品高水平的使用特性及最大的經(jīng)濟(jì)效益。

眾所周知，有許多因素有助于提高復(fù)合材料（其中包括橡膠）的導(dǎo)電性能，諸如使用專門的導(dǎo)電填充劑，大劑量填充（超限度滲濾）及高分散性等。填充了導(dǎo)電炭黑的材料，其增高的導(dǎo)電率是由于導(dǎo)電炭黑的高結(jié)構(gòu)性、高分散性、表面清潔度（表面無含氧官能團(tuán)，特別是酚基和羧基）及聚集體按枝化形狀的寬域分布所致。

俄羅斯一研究所在導(dǎo)電炭黑的制造工藝方面，進(jìn)行了基礎(chǔ)的、探索性的應(yīng)用研究。在俄羅斯相關(guān)部門及企業(yè)協(xié)助下，該研究所開發(fā)了頗有發(fā)展前景的多種具有新的功能的炭黑，其性能有別于ASTM D1765-14中的通用炭黑品種。在這些商品牌號(hào)為OMCARB的炭黑中，有如下幾種形貌特點(diǎn)不同的炭黑，如C40、C140、CH85、CH200、CH210、CH600等。但對(duì)含以上炭黑的橡膠的研究，不及含原有品種炭黑的橡膠。

文中對(duì)不同牌號(hào)的高導(dǎo)電OMCARB系列炭黑，及用其填充的天然橡膠膠料的性能進(jìn)行了對(duì)比研究。

導(dǎo)電炭黑粉末試樣的電子顯微鏡研究，是在透射電鏡JEM 2100JEOL上，于加速應(yīng)力為200 kV條件下進(jìn)行的。炭黑粉末的比電阻率ρvn乃在УЭСТ-1儀器上，按該研究所擬定的方法進(jìn)行測(cè)試。牌號(hào)為CLARIMERL的天然橡膠膠料在實(shí)驗(yàn)室用煉膠機(jī)上制備（按ASTM D3192-09標(biāo)準(zhǔn)），硫化膠的制備則按ASTM D3182-12規(guī)定進(jìn)行。膠料及其硫化膠的基本特性，分別用流變儀MDR3000及黏度計(jì)MV 3000按ASTM D412-13標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定；膠料的拉伸強(qiáng)度在Shimadzu拉力機(jī)上測(cè)定，橡膠的比電阻則按ASTM D991-2010規(guī)定測(cè)定。含對(duì)比導(dǎo)電炭黑的橡膠的動(dòng)態(tài)性能，在動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀DMA-242D上測(cè)得，振動(dòng)頻率10 Hz，測(cè)試溫度-60 ℃～+60 ℃（在拉伸變形條件下）。

表1 膠料的流變性能和標(biāo)準(zhǔn)硫化膠的力學(xué)性能及物理特性與導(dǎo)電炭黑用量的相關(guān)性

透射電鏡圖表明，所有被測(cè)試的OMCARB系列導(dǎo)電炭黑試樣中都有發(fā)達(dá)的結(jié)構(gòu)，它由不同直徑的粒子（20 nm～56 nm）組成，在球形微粒中碳的密度較低（在圖上可見微孔及灼燒帶）。后一特點(diǎn)在試樣C140、CH200、CH210及CH600中表現(xiàn)得更為突出。粉末狀導(dǎo)電炭黑（ЭТУ）CH600的比電阻，在所有試樣中是最低的。而其他試樣的比電阻則按CH200、CH210、C140、CH85、C40的次序逐漸增高。

圖1 用透射電鏡在不同放大倍數(shù)下得到的導(dǎo)電炭黑試樣圖譜

當(dāng)所有牌號(hào)的導(dǎo)電炭黑用量都增加，在對(duì)比了含這些炭黑的膠料性能后看到，最小轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩、門尼黏度、焦燒、正硫化時(shí)間以及100%及300%定伸應(yīng)力、邵爾A硬度等性能均呈上升趨勢(shì)，而永久變形性能則下降。另一方面，含各種牌號(hào)導(dǎo)電炭黑的硫化膠的拉伸強(qiáng)度的變化并不遵循這一規(guī)律。含C40導(dǎo)電炭黑的硫化膠，在炭黑含量為22%（質(zhì)量份）時(shí)，具有較高的強(qiáng)度。C140導(dǎo)電炭黑的特點(diǎn)是，當(dāng)其在橡膠中的含量在13%～31%（質(zhì)量份）時(shí)，橡膠的強(qiáng)度指標(biāo)實(shí)際上并沒有改變。盡管橡膠強(qiáng)度不高，但并沒有逆轉(zhuǎn)，這可使生產(chǎn)者制得高填充的膠料。CH85導(dǎo)電炭黑用量為24%（質(zhì)量份）時(shí)，可賦予橡膠高強(qiáng)度指標(biāo)。CH85的特點(diǎn)是當(dāng)它在膠料中的用量增加時(shí)，膠料的門尼黏度只是緩慢地升高。導(dǎo)電炭黑CH200、CH210及CH600在橡膠中不具有高補(bǔ)強(qiáng)性。當(dāng)橡膠中CH200含量為24%（質(zhì)量份）、CH210含量為10%～15%（質(zhì)量份）、CH600含量為13%（質(zhì)量份）時(shí)，橡膠的強(qiáng)度最高。在此種情況下，可能是形成了填充劑牢固的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖2示出了橡膠比電阻（ρv）與填充劑用量的關(guān)系。由于填充劑真正的滲透極限值從曲線上很難得出，故測(cè)定了填充劑的等效濃度Ψc，它相當(dāng)于橡膠在同一ρv時(shí)（8 Ω·m）的有效濃度。由圖2可知，填充了導(dǎo)電炭黑的橡膠Ψc的降低情況，按如下次序排列，即C40、CH85、C140、CH200、CH210及CH600。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果獲悉，橡膠的Ψc值與導(dǎo)電炭黑粉末的比電阻（ρv）之間存在著相關(guān)性，即填充劑的比電阻越大，為制備Pv=8 Ω·m的橡膠所需填充劑的量也就越多。Ψc值與導(dǎo)電炭黑的分散性成反比例關(guān)系。

必須指出的是，Ψc值有時(shí)并不與橡膠的強(qiáng)度一致。因此，在選擇導(dǎo)電炭黑時(shí)，必須注意在確保橡膠導(dǎo)電性所需的填充劑用量的同時(shí)，還要考慮橡膠及產(chǎn)成品的其他標(biāo)準(zhǔn)（如工藝性能及力學(xué)性能指標(biāo)等）。

圖2 橡膠的比電阻(ρv)與牌號(hào)為C40(1)、C140(2)、CH85(3)、CH200(4)、CH210(5)及CH600(6)的導(dǎo)電炭黑質(zhì)量份的關(guān)系

輪胎胎面及許多橡膠工業(yè)制品通常是在動(dòng)態(tài)條件下工作的。借助于動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀DMA-242D分析研究了在300%（б300）定伸應(yīng)力條件下應(yīng)力值相近（4.5 MPa～9.5 MPa）的橡膠試樣。為此，導(dǎo)電橡膠中導(dǎo)電炭黑的含量分別為：C40-18；C140-26；CH85-13；CH200-13；CH600-13（均為質(zhì)量份），這與達(dá)到相同模量的條件相吻合。

圖3 填充劑在橡膠中的有效濃度(Ψc)(1)與導(dǎo)電炭黑粉末的比電阻(2)的關(guān)系

為研究橡膠的變形，還需要有橡膠振動(dòng)過程的模量值。圖4示出了所研究橡膠的滯后損失與溫度的相關(guān)性曲線。由圖4還可看出，在60 ℃下（預(yù)估輪胎滾動(dòng)阻力時(shí)的溫度）填充CH85導(dǎo)電炭黑的橡膠機(jī)械損耗角正切tanδ最小，而填充C140及CH600炭黑的該值最大。在-60 ℃（在此溫度下預(yù)測(cè)輪胎的耐磨性）下填充C40及CH85導(dǎo)電炭黑的橡膠，其滯后損失及tanδ值都較大。在預(yù)估胎面膠與潮濕路面的抓著性的-10 ℃～0 ℃范圍內(nèi)，所有填充膠的測(cè)試結(jié)果都相近。因此，在動(dòng)態(tài)使用條件下，填充導(dǎo)電炭黑CH85的胎面膠，其tanδ較小，估計(jì)其滾動(dòng)阻力也會(huì)較小。

圖4 填充不同牌號(hào)導(dǎo)電炭黑的橡膠機(jī)械損耗角正切tan δ與溫度的相關(guān)性曲線*

基于實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果，表2列出了OMCARB系列導(dǎo)電橡膠適宜的應(yīng)用領(lǐng)域。

表2 OMCARB系列導(dǎo)電炭黑的應(yīng)用領(lǐng)域

總之，OMCARB系列導(dǎo)電炭黑的性能各異，因此，所填充的橡膠的性能也各不相同。但是，這些炭黑擴(kuò)大了按ASTM或ГОСТ規(guī)定命名的現(xiàn)有橡膠用炭黑品種的范圍。需要特別指出的是，這些炭黑的生產(chǎn)工藝是成熟的，并且已規(guī)?；a(chǎn)。

[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.