導(dǎo)電橡膠具有橡膠固有的高彈性、易于成型加工、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)制品的綜合性能要求，導(dǎo)電填料可選擇為導(dǎo)電炭黑、石墨、碳纖維、金屬粉末等。除了導(dǎo)電性能，加工橡膠制品往往需要考慮其它因素的影響。導(dǎo)電炭黑不僅能賦予橡膠優(yōu)良的導(dǎo)電性，還能賦予橡膠良好的力學(xué)性能；而且價(jià)格相對(duì)便宜，容易混入橡膠中，已成為導(dǎo)電橡膠中使用最為廣泛的導(dǎo)電填料。
影響橡膠導(dǎo)電性能的因素包括橡膠的化學(xué)性質(zhì)、分子量及其分布和粘度、導(dǎo)電填料的性質(zhì)和用量以及加工工藝過程、其它配合劑性質(zhì)和用量等。
3.5.1.炭黑填充橡膠的導(dǎo)電機(jī)理
炭黑填充橡膠的導(dǎo)電機(jī)理，較經(jīng)典的理論有導(dǎo)電通路論和隧道效應(yīng)論。導(dǎo)電通路論認(rèn)為，炭黑粒子加入到橡膠等高聚物中，因其鏈狀結(jié)構(gòu)不完全受到高聚物的濕潤(rùn)而暴露出部分碳材料，它們?cè)趶?fù)合材料中彼此接觸鏈接，形成網(wǎng)絡(luò)，在電壓作用下，π電子通過相互鏈接的碳材料網(wǎng)狀鏈移動(dòng)而形成導(dǎo)電通路。
隧道效應(yīng)論認(rèn)為，高分子復(fù)合材料的導(dǎo)電性是由其中炭黑粒子間的電子躍遷形成的，并在混合物內(nèi)尚未形成網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電通道時(shí)是高分子復(fù)合材料的主要導(dǎo)電模式。它不是由炭黑形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的導(dǎo)電性，而是由于當(dāng)炭黑之間的間距小到一定程度時(shí)，炭黑粒子之間的間距所代表的勢(shì)壘的能級(jí)下降，導(dǎo)致電子因量子化效應(yīng)可以在炭黑的碳材料之間穿行，即所謂的電子躍遷。該理論解釋了在炭黑填充高分子復(fù)合材料中炭黑粒子之間并不存在相互鏈接的導(dǎo)電通路條件下，當(dāng)炭黑的填充量達(dá)到一定量時(shí)，填充導(dǎo)電炭黑的高分子復(fù)合材料仍然具有導(dǎo)電性的現(xiàn)象。兩種理論均較好地說明填充炭黑的導(dǎo)電橡膠其炭黑填充量、炭黑結(jié)構(gòu)和加工過程等對(duì)導(dǎo)電性能的影響規(guī)律。
3.5.2.橡膠品種的選擇
由于NBR分子的強(qiáng)極性，生膠的體積電阻率一般為1010~1011Ω.cm范圍，比其它通用橡膠低3~5個(gè)數(shù)量級(jí)，有利于使其容易制備導(dǎo)電橡膠。一般說來，NBR的丙烯腈含量越大，固有的體積電阻率越小，越容易獲得優(yōu)異的導(dǎo)電性能。生膠的門尼粘度越高，在其它工藝條件相同情況下，混煉加工過程中施予炭黑的剪切力越明顯，越容易造成炭黑鏈的破壞從而引起橡膠的電導(dǎo)率下降。
3.5.3.導(dǎo)電炭黑基本特性對(duì)導(dǎo)電性能的影響
將導(dǎo)電炭黑填充到橡膠中，會(huì)降低橡膠的體積電阻率，其降低程度主要取決于所用炭黑粒子的粒徑大小、結(jié)構(gòu)性及其填充量。原生粒徑是炭黑影響導(dǎo)電必性的主要參數(shù)。炭黑的原生粒子越細(xì)，比表面積越小，由此形成的原生聚集體越小，在給定的橡膠單位體積內(nèi)聚集體分布更多，這將使聚集體間的距離更小，更容易在基材中形成導(dǎo)電通道，或在基材中更容易產(chǎn)生電子躍遷，復(fù)合材料的體積電阻率就越低。
炭黑聚集體的結(jié)構(gòu)的發(fā)達(dá)的程度也是影響炭黑導(dǎo)電性能的一個(gè)重要的因素。結(jié)構(gòu)越高或聚集體形狀越不規(guī)則的炭黑粒子，聚集體的分枝或空隙越多，特別是呈鏈狀結(jié)構(gòu)的炭黑粒子，在橡膠中形成網(wǎng)絡(luò)的能力就越強(qiáng)，產(chǎn)生導(dǎo)電通道的可能性就越大，同時(shí)炭黑粒子之間的勢(shì)壘能級(jí)也越低。在用量較小的情況下，就容易獲得較高的導(dǎo)電性能。即在一定填充量條件下，高結(jié)構(gòu)炭黑的導(dǎo)電率比低結(jié)構(gòu)炭黑的高。
炭黑的表面化學(xué)性質(zhì)，也在一定程度上影響其導(dǎo)電性賦予能力。炭黑粒子表面結(jié)合的含氧官能團(tuán)的作用相當(dāng)于電子陷阱，增加了炭黑粒子表面的勢(shì)壘，會(huì)阻礙π電子的移動(dòng)，從而降低炭黑的導(dǎo)電性。
綜上所述，賦予高導(dǎo)電性的炭黑應(yīng)有的性能是：粒徑小、比表面積大、結(jié)構(gòu)高度發(fā)達(dá)、能俘獲π電子的表面雜質(zhì)少、石墨化程度高并具有多孔性。具有上述結(jié)構(gòu)特征的炭黑有中空結(jié)構(gòu)殼質(zhì)炭黑、導(dǎo)電爐黑、乙炔炭黑等。
3.5.4.炭黑用量的影響
炭黑的用量對(duì)導(dǎo)電橡膠產(chǎn)生重要的影響。隨著炭黑用量的增加，橡膠經(jīng)歷絕緣區(qū)、電性能急劇變化區(qū)和電性能穩(wěn)定區(qū)。在炭黑用量較少時(shí)，膠料的體積電阻率處于絕緣區(qū)。
隨著炭黑用量增加到一定的臨界填充量時(shí)，膠料處于電性能急劇變化區(qū)，電導(dǎo)率開始迅速升高。在該區(qū)域，由于均勻分布的炭黑含量逐漸增加，炭黑粒子數(shù)量逐漸增多，呈現(xiàn)部分連續(xù)的分布，被膠料包圍的相鄰炭黑粒子之間的間距變小。在此區(qū)域，稍微提高導(dǎo)電炭黑的填充量，就會(huì)引起膠料的體積電阻率急劇下降。此外，混煉加工條件等過程參數(shù)的波動(dòng)，也會(huì)強(qiáng)烈地影響膠料的體積電阻率，使之產(chǎn)生急劇變化。不同的炭黑品種對(duì)于不同的橡膠有一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的臨界填充量范圍，而且該臨界填充量與炭黑品種、橡膠的結(jié)構(gòu)和其它配合劑組成及加工條件密切相關(guān)。
隨著炭黑增加到臨界填充量以上時(shí)，橡膠制品處于導(dǎo)電性穩(wěn)定區(qū)。在該區(qū)域，均勻分布的炭黑含量較高，由于具有足夠數(shù)量的炭黑粒子，呈現(xiàn)連續(xù)的分布，即形成連續(xù)炭黑網(wǎng)絡(luò)。被膠料所包圍相鄰炭黑粒子間距進(jìn)一步變小，而且大部分炭黑粒子中碳材料的暴露使得粒子之間相互接觸增多，在隧道效應(yīng)發(fā)生的同時(shí)，導(dǎo)電通路在整個(gè)導(dǎo)電體系中起主導(dǎo)作用。
導(dǎo)電炭黑的用量可根據(jù)制品的導(dǎo)電性能以及其它性能要求而定。很顯然，要使橡膠達(dá)到一定穩(wěn)定的導(dǎo)電性能，炭黑用量應(yīng)達(dá)到超過炭黑品種在橡膠中處于導(dǎo)電性穩(wěn)定區(qū)所對(duì)應(yīng)的用量。當(dāng)然，還要考慮膠料或硫化膠其它性能的要求。
東莞市華奇密封件有限公司每天為大家?guī)砀黝惞柘鹉z制品的知識(shí)，歡迎您的關(guān)注，華奇多年來一直專注于研發(fā)銷售硅膠板、硅膠發(fā)泡板、太陽能層壓硅膠板、覆膜機(jī)硅膠板、食品級(jí)硅膠板、高抗斯硅膠板、阻燃硅膠板等，可按客戶需求定制不同性能、任意尺寸的硅膠板。歡迎來電咨詢！硅膠板熱線：胡海波:136 3175 4988，唐龍:139 2949 6886。
影響橡膠導(dǎo)電性能的因素包括橡膠的化學(xué)性質(zhì)、分子量及其分布和粘度、導(dǎo)電填料的性質(zhì)和用量以及加工工藝過程、其它配合劑性質(zhì)和用量等。
3.5.1.炭黑填充橡膠的導(dǎo)電機(jī)理
炭黑填充橡膠的導(dǎo)電機(jī)理，較經(jīng)典的理論有導(dǎo)電通路論和隧道效應(yīng)論。導(dǎo)電通路論認(rèn)為，炭黑粒子加入到橡膠等高聚物中，因其鏈狀結(jié)構(gòu)不完全受到高聚物的濕潤(rùn)而暴露出部分碳材料，它們?cè)趶?fù)合材料中彼此接觸鏈接，形成網(wǎng)絡(luò)，在電壓作用下，π電子通過相互鏈接的碳材料網(wǎng)狀鏈移動(dòng)而形成導(dǎo)電通路。
隧道效應(yīng)論認(rèn)為，高分子復(fù)合材料的導(dǎo)電性是由其中炭黑粒子間的電子躍遷形成的，并在混合物內(nèi)尚未形成網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電通道時(shí)是高分子復(fù)合材料的主要導(dǎo)電模式。它不是由炭黑形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的導(dǎo)電性，而是由于當(dāng)炭黑之間的間距小到一定程度時(shí)，炭黑粒子之間的間距所代表的勢(shì)壘的能級(jí)下降，導(dǎo)致電子因量子化效應(yīng)可以在炭黑的碳材料之間穿行，即所謂的電子躍遷。該理論解釋了在炭黑填充高分子復(fù)合材料中炭黑粒子之間并不存在相互鏈接的導(dǎo)電通路條件下，當(dāng)炭黑的填充量達(dá)到一定量時(shí)，填充導(dǎo)電炭黑的高分子復(fù)合材料仍然具有導(dǎo)電性的現(xiàn)象。兩種理論均較好地說明填充炭黑的導(dǎo)電橡膠其炭黑填充量、炭黑結(jié)構(gòu)和加工過程等對(duì)導(dǎo)電性能的影響規(guī)律。
3.5.2.橡膠品種的選擇
由于NBR分子的強(qiáng)極性，生膠的體積電阻率一般為1010~1011Ω.cm范圍，比其它通用橡膠低3~5個(gè)數(shù)量級(jí)，有利于使其容易制備導(dǎo)電橡膠。一般說來，NBR的丙烯腈含量越大，固有的體積電阻率越小，越容易獲得優(yōu)異的導(dǎo)電性能。生膠的門尼粘度越高，在其它工藝條件相同情況下，混煉加工過程中施予炭黑的剪切力越明顯，越容易造成炭黑鏈的破壞從而引起橡膠的電導(dǎo)率下降。
3.5.3.導(dǎo)電炭黑基本特性對(duì)導(dǎo)電性能的影響
將導(dǎo)電炭黑填充到橡膠中，會(huì)降低橡膠的體積電阻率，其降低程度主要取決于所用炭黑粒子的粒徑大小、結(jié)構(gòu)性及其填充量。原生粒徑是炭黑影響導(dǎo)電必性的主要參數(shù)。炭黑的原生粒子越細(xì)，比表面積越小，由此形成的原生聚集體越小，在給定的橡膠單位體積內(nèi)聚集體分布更多，這將使聚集體間的距離更小，更容易在基材中形成導(dǎo)電通道，或在基材中更容易產(chǎn)生電子躍遷，復(fù)合材料的體積電阻率就越低。
炭黑聚集體的結(jié)構(gòu)的發(fā)達(dá)的程度也是影響炭黑導(dǎo)電性能的一個(gè)重要的因素。結(jié)構(gòu)越高或聚集體形狀越不規(guī)則的炭黑粒子，聚集體的分枝或空隙越多，特別是呈鏈狀結(jié)構(gòu)的炭黑粒子，在橡膠中形成網(wǎng)絡(luò)的能力就越強(qiáng)，產(chǎn)生導(dǎo)電通道的可能性就越大，同時(shí)炭黑粒子之間的勢(shì)壘能級(jí)也越低。在用量較小的情況下，就容易獲得較高的導(dǎo)電性能。即在一定填充量條件下，高結(jié)構(gòu)炭黑的導(dǎo)電率比低結(jié)構(gòu)炭黑的高。
炭黑的表面化學(xué)性質(zhì)，也在一定程度上影響其導(dǎo)電性賦予能力。炭黑粒子表面結(jié)合的含氧官能團(tuán)的作用相當(dāng)于電子陷阱，增加了炭黑粒子表面的勢(shì)壘，會(huì)阻礙π電子的移動(dòng)，從而降低炭黑的導(dǎo)電性。
綜上所述，賦予高導(dǎo)電性的炭黑應(yīng)有的性能是：粒徑小、比表面積大、結(jié)構(gòu)高度發(fā)達(dá)、能俘獲π電子的表面雜質(zhì)少、石墨化程度高并具有多孔性。具有上述結(jié)構(gòu)特征的炭黑有中空結(jié)構(gòu)殼質(zhì)炭黑、導(dǎo)電爐黑、乙炔炭黑等。
3.5.4.炭黑用量的影響
炭黑的用量對(duì)導(dǎo)電橡膠產(chǎn)生重要的影響。隨著炭黑用量的增加，橡膠經(jīng)歷絕緣區(qū)、電性能急劇變化區(qū)和電性能穩(wěn)定區(qū)。在炭黑用量較少時(shí)，膠料的體積電阻率處于絕緣區(qū)。
隨著炭黑用量增加到一定的臨界填充量時(shí)，膠料處于電性能急劇變化區(qū)，電導(dǎo)率開始迅速升高。在該區(qū)域，由于均勻分布的炭黑含量逐漸增加，炭黑粒子數(shù)量逐漸增多，呈現(xiàn)部分連續(xù)的分布，被膠料包圍的相鄰炭黑粒子之間的間距變小。在此區(qū)域，稍微提高導(dǎo)電炭黑的填充量，就會(huì)引起膠料的體積電阻率急劇下降。此外，混煉加工條件等過程參數(shù)的波動(dòng)，也會(huì)強(qiáng)烈地影響膠料的體積電阻率，使之產(chǎn)生急劇變化。不同的炭黑品種對(duì)于不同的橡膠有一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的臨界填充量范圍，而且該臨界填充量與炭黑品種、橡膠的結(jié)構(gòu)和其它配合劑組成及加工條件密切相關(guān)。
隨著炭黑增加到臨界填充量以上時(shí)，橡膠制品處于導(dǎo)電性穩(wěn)定區(qū)。在該區(qū)域，均勻分布的炭黑含量較高，由于具有足夠數(shù)量的炭黑粒子，呈現(xiàn)連續(xù)的分布，即形成連續(xù)炭黑網(wǎng)絡(luò)。被膠料所包圍相鄰炭黑粒子間距進(jìn)一步變小，而且大部分炭黑粒子中碳材料的暴露使得粒子之間相互接觸增多，在隧道效應(yīng)發(fā)生的同時(shí)，導(dǎo)電通路在整個(gè)導(dǎo)電體系中起主導(dǎo)作用。
導(dǎo)電炭黑的用量可根據(jù)制品的導(dǎo)電性能以及其它性能要求而定。很顯然，要使橡膠達(dá)到一定穩(wěn)定的導(dǎo)電性能，炭黑用量應(yīng)達(dá)到超過炭黑品種在橡膠中處于導(dǎo)電性穩(wěn)定區(qū)所對(duì)應(yīng)的用量。當(dāng)然，還要考慮膠料或硫化膠其它性能的要求。
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