炭黑作為一種重要的工業(yè)原料，在橡膠制品中的應(yīng)用尤為廣泛。它不僅能夠增強(qiáng)橡膠的強(qiáng)度、硬度、耐磨性和耐候性等性能，還能顯著改善橡膠的加工性能和成本效益。此外，炭黑在調(diào)節(jié)橡膠制品的電導(dǎo)率方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。本文將詳細(xì)探討炭黑在橡膠制品中的應(yīng)用，特別是其在調(diào)節(jié)電導(dǎo)率方面的功能和效果。
一、炭黑的基本特性
炭黑是一種細(xì)黑色顆粒物，主要由碳元素組成，是一種含碳的顏料。它具有高比表面積、高吸附性、高電導(dǎo)率、高強(qiáng)度和高耐磨性等特點(diǎn)。炭黑的比表面積一般在50-2000m2/g之間，這使得它在橡膠中能夠形成許多導(dǎo)電通道。炭黑的吸附性能主要表現(xiàn)為對氣體、液體和顏料等的吸附作用，而電導(dǎo)率則表現(xiàn)為對電流的導(dǎo)電性能。
炭黑的種類多樣，包括乙炔炭黑、SCF炭黑等。不同種類的炭黑在導(dǎo)電性上有所差異。例如，氣相法制備的炭黑顆粒較小，比表面積較大，吸附性能和電導(dǎo)率均較好，但其制備成本較高。天然炭黑的顏色較淺，比表面積較小，吸附性能較差，但其電導(dǎo)率和耐磨性能良好。
二、炭黑在橡膠制品中的作用
炭黑在橡膠制品中主要作為增強(qiáng)劑使用，能夠顯著提高橡膠的硬度、耐磨性和抗拉強(qiáng)度等性能。通過添加炭黑，橡膠制品的壽命得以延長，機(jī)械性能得到增強(qiáng)。此外，炭黑還能改善橡膠的加工性能，降低生產(chǎn)成本。
在橡膠制品中，炭黑的使用量占總配方的5%-10%左右。作為一種黑色顏料，炭黑還可以用于橡膠制品的著色，使其具有更好的美觀性和市場競爭力。同時(shí)，炭黑作為一種抗氧化劑，可以延長橡膠制品的使用壽命，提高其耐候性能。
三、炭黑對橡膠制品電導(dǎo)率的調(diào)節(jié)
炭黑不僅能夠增強(qiáng)橡膠制品的機(jī)械性能，還能顯著調(diào)節(jié)其電導(dǎo)率。電導(dǎo)率是指物質(zhì)對電的導(dǎo)通能力，常用電阻率來表示。在橡膠制品中，炭黑的含量和種類對電導(dǎo)率有著重要影響。
炭黑含量對電導(dǎo)率的影響
隨著炭黑用量的增加，橡膠絕緣體的電阻率逐漸減小，電導(dǎo)率相應(yīng)提高。這是因?yàn)樘亢诰哂泻芨叩谋缺砻娣e和多孔性，能夠在橡膠中形成許多導(dǎo)電通道。當(dāng)外加電壓時(shí)，電荷會沿著這些通道移動，從而使整個(gè)橡膠制品呈現(xiàn)出導(dǎo)電的特性。
例如，在丁腈橡膠與胎面再生膠以8:2的比例并用時(shí)，加入適當(dāng)乙炔炭黑填充，生產(chǎn)出來的橡膠制品具有較好的機(jī)械性能和較低的體積電阻率，適用于對機(jī)械性能要求較高的導(dǎo)電橡膠制品材料。當(dāng)胎面再生膠用量增加時(shí)，可制備物理機(jī)械性能較低的導(dǎo)電橡膠制品。
在EPDM中，當(dāng)炭黑用量不變時(shí)，SCF炭黑具有最高的導(dǎo)電性，而乙炔炭黑的導(dǎo)電性最小。電導(dǎo)率在1000Ω·cm以下時(shí)，SCF炭黑的用量至少為20份，而乙炔炭黑的用量最少為60份，其余炭黑的用量約為40份左右。
炭黑種類對電導(dǎo)率的影響
不同種類的炭黑在導(dǎo)電性上存在差異。例如，氣相法制備的炭黑由于其顆粒較小、比表面積較大，因此具有更好的導(dǎo)電性能。而天然炭黑雖然顏色較淺、比表面積較小，但其電導(dǎo)率和耐磨性能依然良好。
在NR(天然橡膠)中，隨著乙炔炭黑含量的增加，膠料的電阻率逐漸下降，電導(dǎo)率相應(yīng)提高。這表明乙炔炭黑在調(diào)節(jié)橡膠制品電導(dǎo)率方面具有顯著效果。
炭黑包覆處理對電導(dǎo)率的影響
炭黑經(jīng)過多巴胺包覆后制備的導(dǎo)電硅橡膠的電導(dǎo)率與導(dǎo)電粒子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)密切相關(guān)。隨著導(dǎo)電粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，電導(dǎo)率呈現(xiàn)三個(gè)階段的變化：
第一階段：電導(dǎo)率很低，導(dǎo)電粒子在硅橡膠中距離較遠(yuǎn)，電子在電場作用下發(fā)生躍遷，使得導(dǎo)電硅橡膠具有較小的導(dǎo)電性。
第二階段：當(dāng)導(dǎo)電粒子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時(shí)，電導(dǎo)率急劇升高，導(dǎo)電硅橡膠內(nèi)部逐漸形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，使其由絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體。
第三階段：隨著導(dǎo)電粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的繼續(xù)增加，電導(dǎo)率的增長變得平緩，因?yàn)榇藭r(shí)導(dǎo)電硅橡膠中已經(jīng)形成了完整的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，即使繼續(xù)增加導(dǎo)電粒子的含量，電導(dǎo)率也不會有大幅度的增加。
四、炭黑在特定橡膠制品中的應(yīng)用
炭黑在調(diào)節(jié)橡膠制品電導(dǎo)率方面的應(yīng)用非常廣泛，特別是在一些需要導(dǎo)電性能的橡膠制品中。例如，電纜絕緣材料中需要具有一定的導(dǎo)電性，以便使靜電得到放電，從而避免火災(zāi)等安全事故。通過在橡膠制品中加入適量的炭黑，可以達(dá)到這一目的。
此外，導(dǎo)電橡膠制品還廣泛應(yīng)用于防靜電地板等領(lǐng)域。在這些應(yīng)用中，炭黑不僅能夠提供所需的導(dǎo)電性能，還能保持橡膠制品的機(jī)械性能和耐磨性。
五、結(jié)論
炭黑作為一種重要的工業(yè)原料，在橡膠制品中的應(yīng)用非常廣泛。它不僅能夠增強(qiáng)橡膠的強(qiáng)度、硬度、耐磨性和耐候性等性能，還能顯著改善橡膠的加工性能和成本效益。更重要的是，炭黑在調(diào)節(jié)橡膠制品電導(dǎo)率方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。通過調(diào)整炭黑的含量和種類，可以精確控制橡膠制品的電導(dǎo)率，滿足各種特定應(yīng)用的需求。
隨著橡膠工業(yè)的不斷發(fā)展，炭黑的應(yīng)用前景也越來越廣闊。未來，炭黑在橡膠制品中的研究和應(yīng)用將更加深入，為橡膠工業(yè)的發(fā)展注入新的活力。
