柳学义a，b，陈闯a.，b，杨艳宇a(中北大学a.材料科学与工程学院;b.山西省高分子复合材料工程技术研究中心，太原030051)
摘要：以硅橡胶为基体，T60导电炭黑为填料，制备了填充型硅橡胶复合材料。研究了炭黑填充量、硫化剂用量以及硫化时间对橡胶物理性能和导电性能的影响。结果表明：炭黑填充量、硫化剂用量以及硫化时间均会对橡胶的物理性能和导电性能产生影响。其中，炭黑填充量对橡胶的导电性能影响最为显著。当炭黑用量为20份，硫化剂用量为7份，硫化时间为11 min时，所得橡胶的物理和导电性能最佳，拉伸强度为5.67 MPa，扯断伸长率为133.1%，撕裂强度为16.9 kN/m，邵尔A硬度为81，体积电阻率为165Ω·cm。
关键词:炭黑;导电橡胶;复合材料
中图分类号：TM215;TQ333.93 文献标志码：A 文章编号：1009-9239(2012)01-0015-04
0·引言
导电橡胶是一种复合型导电高分子材料，具有柔韧性好、易加工以及导电、导热等性能，在抗静电、电磁屏蔽/吸波、导电、传感等领域得到广泛应用[1-4]。应用于导电橡胶的基体材料一般有硅橡胶、氟硅橡胶、氯丁胶、乙丙橡胶等[5]。与天然橡胶及其它合成有机橡胶相比，硅橡胶具有很高的热稳定性、较好的脱模性，并具有优异的耐臭氧老化、氧老化、光老化和天候老化性能[6]，成为应用最广泛的导电橡胶材料。在制备通用型导电橡胶方面，由于炭黑价格便宜、对橡胶有补强作用并且可提高其耐候性和耐磨性，因此填充炭黑的导电硅橡胶综合性能最好，应用最为广泛[7]。在导电硅橡胶的需求量与日俱增的背景下，通过优化出导电炭黑T60填充硅橡胶GY131的最佳工艺条件，进一步研究其性能，为应用于工业生产奠定坚实的基础，具有重要的现实意义。
1·实验
1.1主要原料
硅橡胶，型号：GY131，北京顶业工贸有限公司;导电炭黑，型号：T60，天津金秋实化工有限公司;钛酸酯，工业级，天长市绿色化工助剂厂;过氧化二异丙苯，工业级，天津市东丽区天大化学试剂厂。
1.2主要设备与仪器
开放式炼胶机，型号：SK-160B，上海橡塑设备厂;平板硫化机，型号：XQLB-25D，上海第一橡胶机械厂;电子拉伸试验机，型号：CMT6104，深圳三思材料检测有限公司;橡胶邵氏硬度计，型号：XHS-W，营口市新兴实验机械厂;四探针电阻率测试仪，型号：SB120，上海乾峰电子仪器有限公司。
1.3试样制备
将硅橡胶在双辊开炼机上混炼，混炼均匀后将导电炭黑与钛酸酯混合均匀一起加入橡胶中继续混炼，混炼均匀后再加入硫化剂DCP，之后混炼一段时间出片。4 h后将胶料置于平板硫化机上进行硫化，硫化工艺为：温度160℃，压力150 MPa，时间10 min。
1.4性能测试
拉伸、撕裂性能：按ISO 37-2005进行测试;邵尔A型硬度：按GB/T 531.1-2008《橡胶邵尔A型硬度实验方法》进行测试;体积电阻率(ρν)在室温下进行测试;结果取5次测试的平均值。
2·结果与讨论
2.1 T60用量对橡胶性能的影响
2.1.1 T60用量对橡胶物理性能的影响
表1为导电炭黑T60添加量对导电橡胶物理性能的影响。从表1可以看出，随着导电炭黑T60用量的增加，邵尔A硬度逐渐增大，扯断伸长率逐渐减小，拉伸强度和撕裂强度呈先增大后减小的趋势，且在导电炭黑用量为20份时达到最大值。其原因主要是：导电炭黑在橡胶基体中起到补强作用，但过量的炭黑粒子会破坏橡胶基体的韧性，因此，橡胶的拉伸和撕裂强度呈先增大后减小的趋势。
2.1.2 T60用量对橡胶导电性能的影响
图1为导电炭黑T60用量对橡胶体积电阻率的影响。其中，当炭黑填充量为5份时，橡胶的体积电阻率为无穷大，基本处于绝缘状态，故未在图中表示出来。从图1可以看出，随着导电炭黑T60用量的增加，橡胶的体积电阻率逐渐降低，且降低趋势先大后小、先快后慢，最后趋于平缓。对于粒子填充型导电复合材料，导电性能一般分为绝缘区、逾渗区和导电区。逾渗区是指体系的导电性能发生突变的区域。从图1可以看出，当导电炭黑添加量达到10份以后，橡胶的体积电阻率明显下降，进入逾渗区，当达到20份时，体系内部的导电网络已基本形成，导电性能趋于平稳，继续增加填料份数，橡胶的导电性能没有较大改善。因此，20份为实验的最佳用量。
2.2硫化剂(DCP)用量对橡胶性能的影响
2.2.1硫化剂(DCP)用量对橡胶物理性能的影响
导电炭黑用量固定为20份，硫化剂(DCP)用量对导电橡胶物理性能的影响如表2所示。
从表2可以看出，随着硫化剂DCP用量的增加，橡胶的拉伸、撕裂、邵尔A硬度等力学性能都有不同程度的提高，在DCP用量为7～8份时达到最大，之后有下降趋势。在橡胶硫化过程中，硫化剂的作用是将生橡胶的线型分子通过交联反应，使之变成立体网络状结构的体型分子，从而提高橡胶的物理机械性能。但过量的硫化剂会造成橡胶的物理机械性能降低。当交联程度过大时，交联点间的相对分子质量减小，不利于链段的热运动和应力传递，交联结构易遭到破坏，造成应力集中，从而使拉伸强度下降。同时，交联密度过大时，在外力作用下交联网络遭到破坏会造成裂纹沿缺陷发展，使撕裂强度下降。
2.2.2硫化剂用量对橡胶导电性能的影响
图2为硫化剂用量对橡胶导电性能的影响。
从图2可以看出，随着硫化剂用量的增加，橡胶的体积电阻率呈先降低后升高的趋势。在橡胶硫化的过程中，随着交联密度的增加，导电网络更加致密，炭黑也发生进一步运动，使得导电网络更均匀，导电性增加。但随着硫化剂用量的继续增加，无规的交联网络随之增加，阻碍了炭黑分子的进一步运动，破坏了导电网络的结构，从而使橡胶导电性能下降;另外，炭黑是大量自由基的携带者，这些自由基是炭黑导体的载流子。作为硫化剂的DCP分解也会产生自由基，一部分被用来引发交联反应，剩余的可与炭黑中的自由基在硫化温度下结合，从而使橡胶基体中的载流子下降，降低了其导电性能。综合考虑硫化剂用量对橡胶物理性能及导电性能的影响，7份为最佳的硫化剂用量。
2.3硫化时间对橡胶性能的影响
2.3.1硫化时间对橡胶物理性能的影响
在确定了炭黑填充量、硫化剂用量两个因素后，研究了硫化时间对橡胶物理和导电性能的影响。表3为橡胶物理性能的测试结果。
由表3可知，随着硫化时间的延长，橡胶的拉伸、撕裂、邵尔A硬度等力学性能都有不同程度的提高，之后趋于稳定，说明硫化时间的适当延长有助于完善橡胶内部的交联网络，橡胶的力学性能得到提高。但橡胶的撕裂强度呈先增加后降低的趋势，这可能是因过密的交联网络阻碍了分子链的定向排列，加重了交联键分布的不均匀性，致使应力分布更不均匀，使撕裂强度降低。
2.3.2硫化时间对橡胶导电性能的影响
图3为硫化时间对橡胶导电性能的影响。
从图3可以看出，硫化时间为7～11 min时，橡胶的体积电阻率下降明显。在11～13 min达到最低值，之后略有上升。橡胶硫化过程中，随着硫化时间的增加，橡胶内部的交联网络变得完善，炭黑粒子相互接触的几率增多，形成相互接触的链状导电通道，从而提高了橡胶的导电性能。但若硫化时间过长，会发生过硫化现象，破坏橡胶内部的导电网络，使橡胶的导电性能降低。综合考虑硫化时间对橡胶物理及导电性能的影响，11 min为最佳硫化时间。
3·结论
分析了炭黑填充量、硫化剂用量、硫化时间3个因素对导电硅橡胶物理和导电性能的影响。结果表明：3个因素均对橡胶的物理和导电性能产生影响。其中，炭黑填充量对橡胶的导电性能影响最为显著。当炭黑用量为20份，硫化剂用量为7份，硫化时间为11 min时，橡胶的物理和导电性能达到最佳。橡胶的拉伸强度为5.67 MPa，扯断伸长率为133.1%，撕裂强度为16.9 kN/m，邵尔A硬度为81，体积电阻率为165Ω·cm。
参考文献：
[1]耿新玲,刘君,任玉柱,等.导电硅橡胶研究进展[J].航空材料学报,2006,26(3):283-288.
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