OMCARB系列導電炭黑與填充該系列炭黑的天然橡膠的對比研究

江畹蘭 編譯

（華南理工大學材料學院，廣東 廣州 510641）

導電聚合物復合材料作為一種納米工業產品，具有獨特的技術經濟指標，它在不同的技術領域得到了廣泛的應用?？删毞稚⒌奶畛鋭獙щ娞亢冢ě咖揣担?，在確保導電聚合物電性能方面擔負著重要的作用。它賦予橡膠制品高水平的使用特性及最大的經濟效益。

眾所周知，有許多因素有助于提高復合材料（其中包括橡膠）的導電性能，諸如使用專門的導電填充劑，大劑量填充（超限度滲濾）及高分散性等。填充了導電炭黑的材料，其增高的導電率是由于導電炭黑的高結構性、高分散性、表面清潔度（表面無含氧官能團，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電炭黑的制造工藝方面，進行了基礎的、探索性的應用研究。在俄羅斯相關部門及企業協助下，該研究所開發了頗有發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。在這些商品牌號為OMCARB的炭黑中，有如下幾種形貌特點不同的炭黑，如C40、C140、CH85、CH200、CH210、CH600等。但對含以上炭黑的橡膠的研究，不及含原有品種炭黑的橡膠。

文中對不同牌號的高導電OMCARB系列炭黑，及用其填充的天然橡膠膠料的性能進行了對比研究。

導電炭黑粉末試樣的電子顯微鏡研究，是在透射電鏡JEM 2100JEOL上，于加速應力為200 kV條件下進行的。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行測試。牌號為CLARIMERL的天然橡膠膠料在實驗室用煉膠機上制備（按ASTM D3192-09標準），硫化膠的制備則按ASTM D3182-12規定進行。膠料及其硫化膠的基本特性，分別用流變儀MDR3000及黏度計MV 3000按ASTM D412-13標準測定；膠料的拉伸強度在Shimadzu拉力機上測定，橡膠的比電阻則按ASTM D991-2010規定測定。含對比導電炭黑的橡膠的動態性能，在動態力學分析儀DMA-242D上測得，振動頻率10 Hz，測試溫度-60 ℃～+60 ℃（在拉伸變形條件下）。

表1 膠料的流變性能和標準硫化膠的力學性能及物理特性與導電炭黑用量的相關性

透射電鏡圖表明，所有被測試的OMCARB系列導電炭黑試樣中都有發達的結構，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）。后一特點在試樣C140、CH200、CH210及CH600中表現得更為突出。粉末狀導電炭黑（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下得到的導電炭黑試樣圖譜

當所有牌號的導電炭黑用量都增加，在對比了含這些炭黑的膠料性能后看到，最小轉矩、最大轉矩、門尼黏度、焦燒、正硫化時間以及100%及300%定伸應力、邵爾A硬度等性能均呈上升趨勢，而永久變形性能則下降。另一方面，含各種牌號導電炭黑的硫化膠的拉伸強度的變化并不遵循這一規律。含C40導電炭黑的硫化膠，在炭黑含量為22%（質量份）時，具有較高的強度。C140導電炭黑的特點是，當其在橡膠中的含量在13%～31%（質量份）時，橡膠的強度指標實際上并沒有改變。盡管橡膠強度不高，但并沒有逆轉，這可使生產者制得高填充的膠料。CH85導電炭黑用量為24%（質量份）時，可賦予橡膠高強度指標。CH85的特點是當它在膠料中的用量增加時，膠料的門尼黏度只是緩慢地升高。導電炭黑CH200、CH210及CH600在橡膠中不具有高補強性。當橡膠中CH200含量為24%（質量份）、CH210含量為10%～15%（質量份）、CH600含量為13%（質量份）時，橡膠的強度最高。在此種情況下，可能是形成了填充劑牢固的網絡結構。

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

由實驗結果獲悉，橡膠的Ψc值與導電炭黑粉末的比電阻（ρv）之間存在著相關性，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值與導電炭黑的分散性成反比例關系。

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

圖2 橡膠的比電阻(ρv)與牌號為C40(1)、C140(2)、CH85(3)、CH200(4)、CH210(5)及CH600(6)的導電炭黑質量份的關系

輪胎胎面及許多橡膠工業制品通常是在動態條件下工作的。借助于動態力學分析儀DMA-242D分析研究了在300%（б300）定伸應力條件下應力值相近（4.5 MPa～9.5 MPa）的橡膠試樣。為此，導電橡膠中導電炭黑的含量分別為：C40-18；C140-26；CH85-13；CH200-13；CH600-13（均為質量份），這與達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)與導電炭黑粉末的比電阻(2)的關系

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

圖4 填充不同牌號導電炭黑的橡膠機械損耗角正切tan δ與溫度的相關性曲線*

基于實驗所得結果，表2列出了OMCARB系列導電橡膠適宜的應用領域。

表2 OMCARB系列導電炭黑的應用領域

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

[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.