導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。根據(jù)制品的綜合性能要求，導電填料可選擇為導電炭黑、石墨、碳纖維、金屬粉末等。除了導電性能，加工橡膠制品往往需要考慮其它因素的影響。導電炭黑不僅能賦予橡膠優(yōu)良的導電性，還能賦予橡膠良好的力學性能；而且價格相對便宜，容易混入橡膠中，已成為導電橡膠中使用最為廣泛的導電填料。
影響橡膠導電性能的因素包括橡膠的化學性質(zhì)、分子量及其分布和粘度、導電填料的性質(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.炭黑填充橡膠的導電機理
炭黑填充橡膠的導電機理，較經(jīng)典的理論有導電通路論和隧道效應論。導電通路論認為，炭黑粒子加入到橡膠等高聚物中，因其鏈狀結構不完全受到高聚物的濕潤而暴露出部分碳材料，它們在復合材料中彼此接觸鏈接，形成網(wǎng)絡，在電壓作用下，π電子通過相互鏈接的碳材料網(wǎng)狀鏈移動而形成導電通路。
隧道效應論認為，高分子復合材料的導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)絡導電通道時是高分子復合材料的主要導電模式。它不是由炭黑形成的導電網(wǎng)絡產(chǎn)生的導電性，而是由于當炭黑之間的間距小到一定程度時，炭黑粒子之間的間距所代表的勢壘的能級下降，導致電子因量子化效應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合材料中炭黑粒子之間并不存在相互鏈接的導電通路條件下，當炭黑的填充量達到一定量時，填充導電炭黑的高分子復合材料仍然具有導電性的現(xiàn)象。兩種理論均較好地說明填充炭黑的導電橡膠其炭黑填充量、炭黑結構和加工過程等對導電性能的影響規(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個數(shù)量級，有利于使其容易制備導電橡膠。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率下降。
3.5.3.導電炭黑基本特性對導電性能的影響
將導電炭黑填充到橡膠中，會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、結構性及其填充量。原生粒徑是炭黑影響導電必性的主要參數(shù)。炭黑的原生粒子越細，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電通道，或在基材中更容易產(chǎn)生電子躍遷，復合材料的體積電阻率就越低。
炭黑聚集體的結構的發(fā)達的程度也是影響炭黑導電性能的一個重要的因素。結構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，特別是呈鏈狀結構的炭黑粒子，在橡膠中形成網(wǎng)絡的能力就越強，產(chǎn)生導電通道的可能性就越大，同時炭黑粒子之間的勢壘能級也越低。在用量較小的情況下，就容易獲得較高的導電性能。即在一定填充量條件下，高結構炭黑的導電率比低結構炭黑的高。
炭黑的表面化學性質(zhì)，也在一定程度上影響其導電性賦予能力。炭黑粒子表面結合的含氧官能團的作用相當于電子陷阱，增加了炭黑粒子表面的勢壘，會阻礙π電子的移動，從而降低炭黑的導電性。
綜上所述，賦予高導電性的炭黑應有的性能是：粒徑小、比表面積大、結構高度發(fā)達、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。具有上述結構特征的炭黑有中空結構殼質(zhì)炭黑、導電爐黑、乙炔炭黑等。
3.5.4.炭黑用量的影響
炭黑的用量對導電橡膠產(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，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，膠料處于電性能急劇變化區(qū)，電導率開始迅速升高。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，稍微提高導電炭黑的填充量，就會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，也會強烈地影響膠料的體積電阻率，使之產(chǎn)生急劇變化。不同的炭黑品種對于不同的橡膠有一個相對穩(wěn)定的臨界填充量范圍，而且該臨界填充量與炭黑品種、橡膠的結構和其它配合劑組成及加工條件密切相關。
隨著炭黑增加到臨界填充量以上時，橡膠制品處于導電性穩(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。被膠料所包圍相鄰炭黑粒子間距進一步變小，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，在隧道效應發(fā)生的同時，導電通路在整個導電體系中起主導作用。
導電炭黑的用量可根據(jù)制品的導電性能以及其它性能要求而定。很顯然，要使橡膠達到一定穩(wěn)定的導電性能，炭黑用量應達到超過炭黑品種在橡膠中處于導電性穩(wěn)定區(qū)所對應的用量。當然，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，歡迎您的關注，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、覆膜機硅膠板、食品級硅膠板、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。
影響橡膠導電性能的因素包括橡膠的化學性質(zhì)、分子量及其分布和粘度、導電填料的性質(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.炭黑填充橡膠的導電機理
炭黑填充橡膠的導電機理，較經(jīng)典的理論有導電通路論和隧道效應論。導電通路論認為，炭黑粒子加入到橡膠等高聚物中，因其鏈狀結構不完全受到高聚物的濕潤而暴露出部分碳材料，它們在復合材料中彼此接觸鏈接，形成網(wǎng)絡，在電壓作用下，π電子通過相互鏈接的碳材料網(wǎng)狀鏈移動而形成導電通路。
隧道效應論認為，高分子復合材料的導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)絡導電通道時是高分子復合材料的主要導電模式。它不是由炭黑形成的導電網(wǎng)絡產(chǎn)生的導電性，而是由于當炭黑之間的間距小到一定程度時，炭黑粒子之間的間距所代表的勢壘的能級下降，導致電子因量子化效應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合材料中炭黑粒子之間并不存在相互鏈接的導電通路條件下，當炭黑的填充量達到一定量時，填充導電炭黑的高分子復合材料仍然具有導電性的現(xiàn)象。兩種理論均較好地說明填充炭黑的導電橡膠其炭黑填充量、炭黑結構和加工過程等對導電性能的影響規(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個數(shù)量級，有利于使其容易制備導電橡膠。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率下降。
3.5.3.導電炭黑基本特性對導電性能的影響
將導電炭黑填充到橡膠中，會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、結構性及其填充量。原生粒徑是炭黑影響導電必性的主要參數(shù)。炭黑的原生粒子越細，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電通道，或在基材中更容易產(chǎn)生電子躍遷，復合材料的體積電阻率就越低。
炭黑聚集體的結構的發(fā)達的程度也是影響炭黑導電性能的一個重要的因素。結構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，特別是呈鏈狀結構的炭黑粒子，在橡膠中形成網(wǎng)絡的能力就越強，產(chǎn)生導電通道的可能性就越大，同時炭黑粒子之間的勢壘能級也越低。在用量較小的情況下，就容易獲得較高的導電性能。即在一定填充量條件下，高結構炭黑的導電率比低結構炭黑的高。
炭黑的表面化學性質(zhì)，也在一定程度上影響其導電性賦予能力。炭黑粒子表面結合的含氧官能團的作用相當于電子陷阱，增加了炭黑粒子表面的勢壘，會阻礙π電子的移動，從而降低炭黑的導電性。
綜上所述，賦予高導電性的炭黑應有的性能是：粒徑小、比表面積大、結構高度發(fā)達、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。具有上述結構特征的炭黑有中空結構殼質(zhì)炭黑、導電爐黑、乙炔炭黑等。
3.5.4.炭黑用量的影響
炭黑的用量對導電橡膠產(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，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，膠料處于電性能急劇變化區(qū)，電導率開始迅速升高。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，稍微提高導電炭黑的填充量，就會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，也會強烈地影響膠料的體積電阻率，使之產(chǎn)生急劇變化。不同的炭黑品種對于不同的橡膠有一個相對穩(wěn)定的臨界填充量范圍，而且該臨界填充量與炭黑品種、橡膠的結構和其它配合劑組成及加工條件密切相關。
隨著炭黑增加到臨界填充量以上時，橡膠制品處于導電性穩(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。被膠料所包圍相鄰炭黑粒子間距進一步變小，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，在隧道效應發(fā)生的同時，導電通路在整個導電體系中起主導作用。
導電炭黑的用量可根據(jù)制品的導電性能以及其它性能要求而定。很顯然，要使橡膠達到一定穩(wěn)定的導電性能，炭黑用量應達到超過炭黑品種在橡膠中處于導電性穩(wěn)定區(qū)所對應的用量。當然，還要考慮膠料或硫化膠其它性能的要求。
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