不同用量和種類炭黑對熱塑性聚烯烴彈性體膠料性能的影響

劉 青

（庫博標(biāo)準(zhǔn)投資有限公司，上海 200335）

導(dǎo)電彈性體可通過將導(dǎo)電性填料如炭黑、金屬粉以及碳纖維等分散到彈性體中制得。炭黑是應(yīng)用最廣、用量最大的導(dǎo)電填料，其可以大幅度調(diào)整材料的導(dǎo)電性能[1-2]。炭黑填充彈性體的導(dǎo)電效果好，被廣泛應(yīng)用于傳感、抗靜電、電磁波屏蔽等領(lǐng)域[3-7]。同時，炭黑加入到彈性體中，對彈性體的硫化特性和物理性能有顯著的影響[8-12]。

隨著日益增多的汽車以及持續(xù)不斷的汽車技術(shù)開發(fā)，汽車制造業(yè)一直期待車載平臺的改進(jìn)，從而實現(xiàn)更加環(huán)保的交通方式。伴隨科技的進(jìn)步，傳感器在汽車上的應(yīng)用已非常廣泛，從過去僅用于發(fā)動機(jī)，到現(xiàn)在已擴(kuò)展至底盤、車身和燈光電器系統(tǒng)。本工作探討的熱塑性導(dǎo)電彈性體以車身障礙物檢測傳感器——電阻式傳感器為應(yīng)用方向。車身障礙物檢測傳感器如圖1所示，其工作原理是基于熱塑性導(dǎo)電彈性體的應(yīng)變效應(yīng)，即導(dǎo)電彈性體在外力作用下產(chǎn)生壓縮變形，其電阻值也隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。不同主機(jī)廠對車身障礙物檢測傳感器的要求不同，如產(chǎn)品結(jié)構(gòu)以及導(dǎo)電彈性體電阻率、硬度、拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長率等指標(biāo)要求是不同的，業(yè)界不斷開發(fā)新技術(shù)以實現(xiàn)車身障礙物檢測傳感器生產(chǎn)工藝的優(yōu)化和應(yīng)用的便捷。目前，車身障礙物檢測傳感器對導(dǎo)電彈性體的性能要求不斷提高，以滿足其應(yīng)用技術(shù)的日益提升。

本工作研究不同用量和不同種類炭黑填充熱塑性聚烯烴彈性體（POE）膠料的導(dǎo)電性能和物理性能，以期為探索導(dǎo)電彈性體用于車身障礙物檢測傳感器的創(chuàng)新產(chǎn)品開發(fā)提供新思路。

1 實驗

1.1 主要原材料

POE，牌號8842，美國陶氏化學(xué)產(chǎn)品；炭黑N550，青州市博奧炭黑有限責(zé)任公司產(chǎn)品；導(dǎo)電炭黑CSX946和VXC72，卡博特（中國）投資有限公司產(chǎn)品。

1.2 試驗配方

POE 100，加工助劑（無特別說明為硬脂酸鈣） 0.5，炭黑 變品種和變用量。

1.3 主要設(shè)備和儀器

Rheomex OS Haake哈克轉(zhuǎn)矩流變儀，賽默飛世爾科技（中國）有限公司產(chǎn)品；X（S）K-160型開煉機(jī)，無錫市后宅振新機(jī)械有限公司產(chǎn)品；LP 3000型平板硫化機(jī)，蒙泰克中國貿(mào)易有限公司提供；CHT3530電阻率測定儀，蘇州和普電子科技有限公司產(chǎn)品；XS 104型密度儀，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司產(chǎn)品；DTAA德國巴氏硬度計，諾古科技（上海）有限公司提供；Tensometer 2000型拉力試驗機(jī)，美國孟山都集團(tuán)公司產(chǎn)品。

1.4 性能測試

（1）體積電阻率。采用電阻率測定儀按照GMW 14711-07—2012《彈性體、塑料和粘合劑的體積電阻率的測定》測試。

（2）密度。采用密度儀按照DIN EN ISO 1183-1—2013《塑料 非泡沫塑料的密度測定方法 第1部分：浸入法、液體密度瓶法和滴定法（ISO 1183-1—2012）》測試。

（3）硬度。采用巴氏硬度計按照DIN 53505—2000《橡膠試驗 邵爾A和D的硬度試驗》測試。

（4）拉伸性能。采用拉力試驗機(jī)按照DIN 53504—1994《橡膠的拉伸應(yīng)力及應(yīng)變特性的判定》測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同用量導(dǎo)電炭黑CSX946填充POE膠料的導(dǎo)電性能和物理性能

不同用量導(dǎo)電炭黑CSX946填充POE膠料的體積電阻率變化如圖2所示。

由圖2可以看出：導(dǎo)電炭黑CSX946用量由30份增至40份時，POE膠料的體積電阻率急劇降低；導(dǎo)電炭黑CSX946用量超過臨界值50份后，POE膠料成為導(dǎo)電材料；炭黑CSX946用量增至80份時，POE膠料的體積電阻率降低至18 833 Ω·cm，導(dǎo)電性能極佳。

不同用量導(dǎo)電炭黑CSX946填充POE膠料的物理性能如表1所示。

表1 不同用量導(dǎo)電炭黑CSX946填充POE膠料的物理性能Tab.1 Physical properties of POE compounds filled with different amounts of conductive carbon black CSX946

由表1可以看出：隨著導(dǎo)電炭黑CSX946用量的增大，POE膠料的密度略有增大；當(dāng)導(dǎo)電炭黑CSX946用量由30份增大至80份時，POE膠料的邵爾A型硬度由67度增大至90度，這是由炭黑粒子與POE分子鏈相互作用導(dǎo)致的[13-19]。POE膠料應(yīng)用于車身障礙物檢測傳感器中，需要減小其邵爾A型硬度。

從表1還可以看出：隨著導(dǎo)電炭黑CSX946用量的增大，POE膠料的100%定伸應(yīng)力增大，這是由炭黑的補(bǔ)強(qiáng)作用決定的；POE膠料的拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長率呈減小趨勢，但在試驗的導(dǎo)電炭黑CSX946用量范圍內(nèi)，POE膠料的這兩項性能可滿足車身用障礙物檢測傳感器的指標(biāo)要求。

2.2 不同種類炭黑填充POE膠料的導(dǎo)電性能和物理性能

固定炭黑用量為80份，導(dǎo)電炭黑CSX946和VXC72以及炭黑N550分別填充POE膠料，膠料的體積電阻率分別為16 287，22 302 和130 220 Ω·cm?？梢钥闯?，導(dǎo)電炭黑CSX946填充POE膠料的體積電阻率最低，炭黑N550填充POE膠料的體積電阻率最高。

不同種類炭黑的吸碘值和DBP吸收值如表2所示，這兩種值可以分別反映炭黑的粒徑和結(jié)構(gòu)性。

表2 不同種類炭黑的吸碘值和DBP吸收值Tab.2 Iodine adsorption values and DBP absorption values of different types of carbon blacks

從表2可以看出：導(dǎo)電炭黑CSX946的吸碘值最大，其粒徑最小，比表面積最大；導(dǎo)電炭黑CSX946的DBP吸收值略大于導(dǎo)電炭黑VXC72，但明顯大于炭黑N550，故導(dǎo)電炭黑CSX946的結(jié)構(gòu)性最高。因此，導(dǎo)電炭黑CSX946填充POE膠料的體積電阻率最低。

固定不同種類的炭黑用量為80份，將導(dǎo)電炭黑CSX946和VXC72以及炭黑N550分別填充POE膠料，膠料的物理性能如表3所示。

表3 不同種類炭黑填充POE膠料的物理性能Tab.3 Physical properties of POE compounds filled with different types of carbon blacks

由表3可以看出：導(dǎo)電炭黑CSX946填充POE膠料的100%定伸應(yīng)力和拉伸強(qiáng)度最大；導(dǎo)電炭黑VXC72填充POE膠料的拉伸強(qiáng)度次之，其100%定伸應(yīng)力與炭黑N550填充POE膠料的100%定伸應(yīng)力一致；炭黑N550填充POE膠料的拉伸強(qiáng)度最小。這是由于導(dǎo)電炭黑CSX946的粒徑最小，比表面積最大，結(jié)構(gòu)性最高，因此其填充POE膠料的拉伸強(qiáng)度最大；導(dǎo)電炭黑VXC72的比表面積和結(jié)構(gòu)性次之，其填充POE膠料的拉伸強(qiáng)度次之；炭黑N550的比表面積最小和結(jié)構(gòu)性最低，其填充POE膠料的拉伸強(qiáng)度最小。

從表3還可以看出，3種炭黑填充POE膠料的密度相差不大，約為1.1 Mg·m-3。

2.3 不同用量導(dǎo)電炭黑CSX946與不同種類加工助劑配合使用填充POE膠料的導(dǎo)電性能

不同用量導(dǎo)電炭黑CSX946與不同種類加工助劑配合使用填充POE膠料的體積電阻率如表4所示。

表4 不同用量導(dǎo)電炭黑CSX946與不同種類加工助劑配合使用填充POE膠料的體積電阻率Tab.4 Volume resistivities of POE compounds filled with different amounts of conductive carbon black CSX946 and different types of processing aids Ω·cm

從表4可以看出：在加入硬脂酸鈣或硬脂酸鋅的條件下，80份導(dǎo)電炭黑CSX946填充POE膠料的體積電阻率都明顯低于45份導(dǎo)電炭黑CSX946填充POE膠料的體積電阻率；與僅用80份或45份導(dǎo)電炭黑CSX946填充POE膠料相比，導(dǎo)電炭黑CSX946與硬脂酸鈣或硬脂酸鋅配合使用填充POE膠料的體積電阻率變化不大。

3 結(jié)論

（1）在試驗的炭黑用量范圍（30～80份）內(nèi)，隨著導(dǎo)電炭黑CSX946用量的增大，POE膠料的體積電阻率降低，邵爾A型硬度和100%定伸應(yīng)力增大，拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長率呈減小趨勢；當(dāng)導(dǎo)電炭黑CSX946用量為80份時，POE膠料的體積電阻率最低，邵爾A型硬度最大，拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長率仍可滿足車身用障礙物檢測傳感器指標(biāo)要求。

（2）炭黑用量為80份時，將不同種類的炭黑填充POE膠料中，因?qū)щ娞亢贑SX946的粒徑最小，比表面積最大，結(jié)構(gòu)性最高，其POE膠料的體積電阻率最小，100%定伸應(yīng)力和拉伸強(qiáng)度最大。

（3）與僅用80或45份導(dǎo)電炭黑CSX946填充POE膠料相比，導(dǎo)電炭黑CSX946與硬脂酸鋅或硬脂酸鈣配合使用填充POE膠料的體積電阻率變化不大。