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合材料導電性能、電磁屏蔽性能的影響。對比發現，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。丁腈導電橡膠的導電性能以及電磁屏蔽性能要好于相同炭黑含量的丁苯導電橡膠。
關鍵詞：導電橡膠；炭黑；導電性能；電磁屏蔽性能
引言
在電磁屏蔽材料中，導電橡膠由于良好的導電性能可以很好地屏蔽高頻的電磁輻射。炭黑（CB）具有良好的導電性能，作為導電填料對橡膠基體有很好的補強作用，制得的導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，性能穩定，且價格低廉，具有廣闊的應用前景
炭黑粒度極小，填充在橡膠基體中依靠團聚的二次結構參與導電，體系的導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電橡膠其導電性能存在差別，進而影響體系的電磁屏蔽性能。本文采用一種特導電炭黑，分別填充丁苯橡膠、丁腈橡膠，并對比炭黑在這些導電橡膠基體中分散性能和導電性能的差異、分析制得的導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量較低的非自補強非結晶橡膠，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，是一種極性半導電橡膠，有很好的耐油性，常被用來作為導電橡膠的基體材料。首先將各種不同的橡膠分別加入硫化劑、促進劑、防老劑等，在雙輥筒開放式煉膠機上混煉出片，制成母膠停放待用。之后取不同份數的母膠分別加入不同份數的炭黑混煉出片。硫化在45噸平板硫化機上進行，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量份數）。
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矢量網絡阻抗頻譜分析儀和遠場屏蔽效能測試裝置，測試頻率范圍100kHz~1.8GHz。
2.實驗結果分析
圖1為20phr炭黑含量的兩種導電橡膠斷口的SEM圖。
圖表1
從圖1中可看出，炭黑在橡膠基體中團聚的二次結構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電橡膠的導電行為。
丁苯橡膠的炭黑填充系數比較大，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構粒子受到的剪切作用不斷增大，受剪切破壞的概率也增大，引起炭黑的二次結構破裂，所以分散更均勻。
圖表2
兩種導電橡膠的體電阻率見圖3。當炭黑填充含量為10phr時，丁苯橡膠體系的體電阻率為300Ω.cm；達到20phr時，體電阻率降為5.50Ω.cm。繼續增加炭黑含量，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電性能，當炭黑含量為10phr時，丁腈導電橡膠的體電阻率為93Ω.cm；當炭黑填充達到20phr時，體系的體電阻率為3.17Ω.cm；40phr時的體電阻率為0.36Ω.cm。復合材料的體電導率隨炭黑含量變化符合導電滲流現象的規律。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，當炭黑含量超過其滲濾閾值以后，炭黑主要以二次結構聚集的狀態孤立分布，所需跨越的絕緣壁壘仍比較大，所以繼續增加炭黑含量，復合材料體電導率的增大反而變緩。丁腈橡膠是一種極性半導電高分子聚合物，炭黑在丁腈橡膠中分散性能很好，當基體中添加更多的導電粒子，則粒子在基體中的平均距離變小，且由于極性基體的半導電性質，電子需要跨越基體的絕緣勢壘能量較小，所以相對應的體電阻率小于丁苯導電橡膠。
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。
圖表4
3.結論
（1）導電橡膠的體電阻率除了與炭黑含量關系比較密切，橡膠基體的性質也會對導電性能產生影響。
（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電橡膠的體電阻率。丁腈橡膠的體電阻率比相應的丁苯橡膠要小。復合材料的體電導率隨炭黑含量變化符合導電滲流現象的規律。
（3）導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，復合材料的導電性能增強，對高頻電磁波的反射作用增大，總的屏蔽效能增強。炭黑填充20phr時，丁苯導電橡膠在1.8GHz處的電磁屏蔽性能為-22.3dB，丁腈導電橡膠電磁屏蔽效能為-26.6dB。