炭黑作為一種重要的工業原料，在橡膠制品中的應用尤為廣泛。它不僅能夠增強橡膠的強度、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，炭黑在調節橡膠制品的電導率方面發揮著至關重要的作用。本文將詳細探討炭黑在橡膠制品中的應用，特別是其在調節電導率方面的功能和效果。
一、炭黑的基本特性
炭黑是一種細黑色顆粒物，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、高電導率、高強度和高耐磨性等特點。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電通道。炭黑的吸附性能主要表現為對氣體、液體和顏料等的吸附作用，而電導率則表現為對電流的導電性能。
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劑使用，能夠顯著提高橡膠的硬度、耐磨性和抗拉強度等性能。通過添加炭黑，橡膠制品的壽命得以延長，機械性能得到增強。此外，炭黑還能改善橡膠的加工性能，降低生產成本。
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，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率的調節
炭黑不僅能夠增強橡膠制品的機械性能，還能顯著調節其電導率。電導率是指物質對電的導通能力，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率有著重要影響。
炭黑含量對電導率的影響
隨著炭黑用量的增加，橡膠絕緣體的電阻率逐漸減小，電導率相應提高。這是因為炭黑具有很高的比表面積和多孔性，能夠在橡膠中形成許多導電通道。當外加電壓時，電荷會沿著這些通道移動，從而使整個橡膠制品呈現出導電的特性。
例如，在丁腈橡膠與胎面再生膠以8:2的比例并用時，加入適當乙炔炭黑填充，生產出來的橡膠制品具有較好的機械性能和較低的體積電阻率，適用于對機械性能要求較高的導電橡膠制品材料。當胎面再生膠用量增加時，可制備物理機械性能較低的導電橡膠制品。
在EPDM中，當炭黑用量不變時，SCF炭黑具有最高的導電性，而乙炔炭黑的導電性最小。電導率在1000Ω·cm以下時，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。
炭黑種類對電導率的影響
不同種類的炭黑在導電性上存在差異。例如，氣相法制備的炭黑由于其顆粒較小、比表面積較大，因此具有更好的導電性能。而天然炭黑雖然顏色較淺、比表面積較小，但其電導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，電導率相應提高。這表明乙炔炭黑在調節橡膠制品電導率方面具有顯著效果。
炭黑包覆處理對電導率的影響
炭黑經過多巴胺包覆后制備的導電硅橡膠的電導率與導電粒子的質量分數密切相關。隨著導電粒子質量分數的增加，電導率呈現三個階段的變化：
第一階段：電導率很低，導電粒子在硅橡膠中距離較遠，電子在電場作用下發生躍遷，使得導電硅橡膠具有較小的導電性。
第二階段：當導電粒子的質量分數增加時，電導率急劇升高，導電硅橡膠內部逐漸形成導電網絡，使其由絕緣體轉變為導體。
第三階段：隨著導電粒子質量分數的繼續增加，電導率的增長變得平緩，因為此時導電硅橡膠中已經形成了完整的導電網絡，即使繼續增加導電粒子的含量，電導率也不會有大幅度的增加。
四、炭黑在特定橡膠制品中的應用
炭黑在調節橡膠制品電導率方面的應用非常廣泛，特別是在一些需要導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電性，以便使靜電得到放電，從而避免火災等安全事故。通過在橡膠制品中加入適量的炭黑，可以達到這一目的。
此外，導電橡膠制品還廣泛應用于防靜電地板等領域。在這些應用中，炭黑不僅能夠提供所需的導電性能，還能保持橡膠制品的機械性能和耐磨性。
五、結論
炭黑作為一種重要的工業原料，在橡膠制品中的應用非常廣泛。它不僅能夠增強橡膠的強度、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，炭黑在調節橡膠制品電導率方面發揮著至關重要的作用。通過調整炭黑的含量和種類，可以精確控制橡膠制品的電導率，滿足各種特定應用的需求。
隨著橡膠工業的不斷發展，炭黑的應用前景也越來越廣闊。未來，炭黑在橡膠制品中的研究和應用將更加深入，為橡膠工業的發展注入新的活力。
