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

（庫博標準投資有限公司，上海 200335）

導電彈性體可通過將導電性填料如炭黑、金屬粉以及碳纖維等分散到彈性體中制得。炭黑是應用最廣、用量最大的導電填料，其可以大幅度調整材料的導電性能[1-2]。炭黑填充彈性體的導電效果好，被廣泛應用于傳感、抗靜電、電磁波屏蔽等領域[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不斷的汽車技術開發，汽車制造業一直期待車載平臺的改進，從而實現更加環保的交通方式。伴隨科技的進步，傳感器在汽車上的應用已非常廣泛，從過去僅用于發動機，到現在已擴展至底盤、車身和燈光電器系統。本工作探討的熱塑性導電彈性體以車身障礙物檢測傳感器——電阻式傳感器為應用方向。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電彈性體的應變效應，即導電彈性體在外力作用下產生壓縮變形，其電阻值也隨之發生相應的變化。不同主機廠對車身障礙物檢測傳感器的要求不同，如產品結構以及導電彈性體電阻率、硬度、拉伸強度、拉斷伸長率等指標要求是不同的，業界不斷開發新技術以實現車身障礙物檢測傳感器生產工藝的優化和應用的便捷。目前，車身障礙物檢測傳感器對導電彈性體的性能要求不斷提高，以滿足其應用技術的日益提升。

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）膠料的導電性能和物理性能，以期為探索導電彈性體用于車身障礙物檢測傳感器的創新產品開發提供新思路。

1 實驗

1.1 主要原材料

POE，牌號8842，美國陶氏化學產品；炭黑N550，青州市博奧炭黑有限責任公司產品；導電炭黑CSX946和VXC72，卡博特（中國）投資有限公司產品。

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 主要設備和儀器

Rheomex OS Haake哈克轉矩流變儀，賽默飛世爾科技（中國）有限公司產品；X（S）K-160型開煉機，無錫市后宅振新機械有限公司產品；LP 3000型平板硫化機，蒙泰克中國貿易有限公司提供；CHT3530電阻率測定儀，蘇州和普電子科技有限公司產品；XS 104型密度儀，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司產品；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，美國孟山都集團公司產品。

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。采用拉力試驗機按照DIN 53504—1994《橡膠的拉伸應力及應變特性的判定》測試。

2 結果與討論

2.1 不同用量導電炭黑CSX946填充POE膠料的導電性能和物理性能

不同用量導電炭黑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；導電炭黑CSX946用量超過臨界值50份后，POE膠料成為導電材料；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，導電性能極佳。

不同用量導電炭黑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：隨著導電炭黑CSX946用量的增大，POE膠料的密度略有增大；當導電炭黑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分子鏈相互作用導致的[13-19]。POE膠料應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：隨著導電炭黑CSX946用量的增大，POE膠料的100%定伸應力增大，這是由炭黑的補強作用決定的；POE膠料的拉伸強度和拉斷伸長率呈減小趨勢，但在試驗的導電炭黑CSX946用量范圍內，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要求。

2.2 不同種類炭黑填充POE膠料的導電性能和物理性能

固定炭黑用量為80份，導電炭黑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。可以看出，導電炭黑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構性。

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：導電炭黑CSX946的吸碘值最大，其粒徑最小，比表面積最大；導電炭黑CSX946的DBP吸收值略大于導電炭黑VXC72，但明顯大于炭黑N550，故導電炭黑CSX946的結構性最高。因此，導電炭黑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：導電炭黑CSX946填充POE膠料的100%定伸應力和拉伸強度最大；導電炭黑VXC72填充POE膠料的拉伸強度次之，其100%定伸應力與炭黑N550填充POE膠料的100%定伸應力一致；炭黑N550填充POE膠料的拉伸強度最小。這是由于導電炭黑CSX946的粒徑最小，比表面積最大，結構性最高，因此其填充POE膠料的拉伸強度最大；導電炭黑VXC72的比表面積和結構性次之，其填充POE膠料的拉伸強度次之；炭黑N550的比表面積最小和結構性最低，其填充POE膠料的拉伸強度最小。

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

不同用量導電炭黑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份導電炭黑CSX946填充POE膠料的體積電阻率都明顯低于45份導電炭黑CSX946填充POE膠料的體積電阻率；與僅用80份或45份導電炭黑CSX946填充POE膠料相比，導電炭黑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 結論

（1）在試驗的炭黑用量范圍（30～80份）內，隨著導電炭黑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%定伸應力增大，拉伸強度和拉斷伸長率呈減小趨勢；當導電炭黑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，拉伸強度和拉斷伸長率仍可滿足車身用障礙物檢測傳感器指標要求。

（2）炭黑用量為80份時，將不同種類的炭黑填充POE膠料中，因導電炭黑CSX946的粒徑最小，比表面積最大，結構性最高，其POE膠料的體積電阻率最小，100%定伸應力和拉伸強度最大。

（3）與僅用80或45份導電炭黑CSX946填充POE膠料相比，導電炭黑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。