馮猛 曾敏 王新林 (鋼鐵研究總院功能材料研究所)
摘要：采用炭黑分別填充丁苯和丁腈橡膠，研究兩種不同橡膠基體對炭黑的分散性能及復(fù)合材料導(dǎo)電性能、電磁屏蔽性能的影響。對比發(fā)現(xiàn)，丁苯橡膠基體中炭黑分散性能隨炭黑含量增多而變差，而在丁腈橡膠中炭黑的分散性能呈相反趨勢，隨炭黑含量增多而變好。丁腈導(dǎo)電橡膠的導(dǎo)電性能以及電磁屏蔽性能要好于相同炭黑含量的丁苯導(dǎo)電橡膠。
關(guān)鍵詞：導(dǎo)電橡膠；炭黑；導(dǎo)電性能；電磁屏蔽性能
引言
在電磁屏蔽材料中，導(dǎo)電橡膠由于良好的導(dǎo)電性能可以很好地屏蔽高頻的電磁輻射。炭黑（CB）具有良好的導(dǎo)電性能，作為導(dǎo)電填料對橡膠基體有很好的補(bǔ)強(qiáng)作用，制得的導(dǎo)電橡膠具有較好的氣密性、水密性、壓力密封性和抗腐蝕性，密度小，彈性好，性能穩(wěn)定，且價格低廉，具有廣闊的應(yīng)用前景
炭黑粒度極小，填充在橡膠基體中依靠團(tuán)聚的二次結(jié)構(gòu)參與導(dǎo)電，體系的導(dǎo)電性能受橡膠基體黏度影響。另外，基體的極性與炭黑表面極性基團(tuán)相互作用而能影響炭黑與基體的親和性以及分散性能。所以，對于同一種炭黑填充不同基體的導(dǎo)電橡膠其導(dǎo)電性能存在差別，進(jìn)而影響體系的電磁屏蔽性能。本文采用一種特導(dǎo)電炭黑，分別填充丁苯橡膠、丁腈橡膠，并對比炭黑在這些導(dǎo)電橡膠基體中分散性能和導(dǎo)電性能的差異、分析制得的導(dǎo)電橡膠的電磁屏蔽性能。
1.原料與實驗
丁苯橡膠（SBR）是以丁二烯與苯乙烯單體共聚得到的相對分子質(zhì)量較低的非自補(bǔ)強(qiáng)非結(jié)晶橡膠，是不飽和非極性碳鏈橡膠。丁腈橡膠（NBR）是由丁二烯和丙稀腈乳液共聚的一種高分子彈性體，是一種極性半導(dǎo)電橡膠，有很好的耐油性，常被用來作為導(dǎo)電橡膠的基體材料。首先將各種不同的橡膠分別加入硫化劑、促進(jìn)劑、防老劑等，在雙輥筒開放式煉膠機(jī)上混煉出片，制成母膠停放待用。之后取不同份數(shù)的母膠分別加入不同份數(shù)的炭黑混煉出片。硫化在45噸平板硫化機(jī)上進(jìn)行，試片厚度2mm。試片硫化后停放24h再測試其性能。為保證實驗可比性，各組樣品制備時的加料順序、混料以及其他工藝參數(shù)盡可能保持一致。炭黑在這三種橡膠基體中的添加含量分別以phr表示（即perhundredresin，表示相對于每百份基體加入的填料質(zhì)量份數(shù)）。
用RCD－Ⅱ橡膠炭黑分散度測定儀測試炭黑的分散性能；按GB/T2439-2001測試樣品的體電阻率；電磁屏蔽效能采用Agilent4396B矢量網(wǎng)絡(luò)阻抗頻譜分析儀和遠(yuǎn)場屏蔽效能測試裝置，測試頻率范圍100kHz~1.8GHz。
2.實驗結(jié)果分析
圖1為20phr炭黑含量的兩種導(dǎo)電橡膠斷口的SEM圖。
圖表1
從圖1中可看出，炭黑在橡膠基體中團(tuán)聚的二次結(jié)構(gòu)在丁腈橡膠中具有更好的分散性能。炭黑的分散會極大地影響導(dǎo)電橡膠的導(dǎo)電行為。
丁苯橡膠的炭黑填充系數(shù)比較大，炭黑10phr時的分散級別（衡量炭黑顆粒在橡膠基體中分散的均勻程度,級別越高分散越好。）為4.62，到40phr時降為2.93，如圖2所示。分散級別隨炭黑填充含量的增加不斷減小，表明炭黑與丁苯橡膠基體的相溶性不好，分散性能不理想。隨著炭黑含量增加團(tuán)聚增多，分散越來越困難。而炭黑在丁腈橡膠基體中的分散性能與在丁苯橡膠中相反，分散級別隨著含量的增加而增大，從10phr時的2.84增大到40phr時的7.84，表明炭黑與丁腈橡膠基體的相溶性很好。丁腈橡膠為極性橡膠，基體的極性碳鏈與炭黑表面極性分子基團(tuán)相互吸引從而增加基體與炭黑的親和性，炭黑顆粒被吸附在基體極性分子鏈中。隨炭黑含量增加，在混煉過程中炭黑的二次結(jié)構(gòu)粒子受到的剪切作用不斷增大，受剪切破壞的概率也增大，引起炭黑的二次結(jié)構(gòu)破裂，所以分散更均勻。
圖表2
兩種導(dǎo)電橡膠的體電阻率見圖3。當(dāng)炭黑填充含量為10phr時，丁苯橡膠體系的體電阻率為300Ω.cm；達(dá)到20phr時，體電阻率降為5.50Ω.cm。繼續(xù)增加炭黑含量，體電阻率降低明顯變緩，40phr時的體電阻率為0.66Ω.cm。對于丁腈橡膠體系的導(dǎo)電性能，當(dāng)炭黑含量為10phr時，丁腈導(dǎo)電橡膠的體電阻率為93Ω.cm；當(dāng)炭黑填充達(dá)到20phr時，體系的體電阻率為3.17Ω.cm；40phr時的體電阻率為0.36Ω.cm。復(fù)合材料的體電導(dǎo)率隨炭黑含量變化符合導(dǎo)電滲流現(xiàn)象的規(guī)律。由于丁苯橡膠很好的絕緣特性，且由以上討論可知炭黑在丁苯橡膠基體中的分散性能不好，當(dāng)炭黑含量超過其滲濾閾值以后，炭黑主要以二次結(jié)構(gòu)聚集的狀態(tài)孤立分布，所需跨越的絕緣壁壘仍比較大，所以繼續(xù)增加炭黑含量，復(fù)合材料體電導(dǎo)率的增大反而變緩。丁腈橡膠是一種極性半導(dǎo)電高分子聚合物，炭黑在丁腈橡膠中分散性能很好，當(dāng)基體中添加更多的導(dǎo)電粒子，則粒子在基體中的平均距離變小，且由于極性基體的半導(dǎo)電性質(zhì)，電子需要跨越基體的絕緣勢壘能量較小，所以相對應(yīng)的體電阻率小于丁苯導(dǎo)電橡膠。
圖表3
炭黑含量為20phr的兩組樣品的電磁屏蔽效能隨頻率的變化如圖4所示。電磁屏蔽效能隨樣品體電阻率的降低而增強(qiáng)。
圖表4
3.結(jié)論
（1）導(dǎo)電橡膠的體電阻率除了與炭黑含量關(guān)系比較密切，橡膠基體的性質(zhì)也會對導(dǎo)電性能產(chǎn)生影響。
（2）橡膠的黏度、極性會影響混煉過程中炭黑的分散。炭黑在丁腈橡膠基體中的分散性能好于丁苯橡膠。更好的分散性能可以減小導(dǎo)電橡膠的體電阻率。丁腈橡膠的體電阻率比相應(yīng)的丁苯橡膠要小。復(fù)合材料的體電導(dǎo)率隨炭黑含量變化符合導(dǎo)電滲流現(xiàn)象的規(guī)律。
（3）導(dǎo)電橡膠在高頻范圍對電磁波的屏蔽作用以反射為主。隨炭黑含量增大，復(fù)合材料的導(dǎo)電性能增強(qiáng)，對高頻電磁波的反射作用增大，總的屏蔽效能增強(qiáng)。炭黑填充20phr時，丁苯導(dǎo)電橡膠在1.8GHz處的電磁屏蔽性能為-22.3dB，丁腈導(dǎo)電橡膠電磁屏蔽效能為-26.6dB。