環(huán)境試驗對導(dǎo)電橡膠材料性能的影響

環(huán)境試驗對導(dǎo)電橡膠材料性能的影響

電橡膠的研究始于19世紀(jì)末，但在20世紀(jì)30年代之前使用的電填充劑是石墨粉和磚瓦黑。該產(chǎn)品的性能較差，沒有得到廣泛應(yīng)用。自1930年左右開發(fā)了用乙炔炭黑和導(dǎo)電炭黑代替石墨做導(dǎo)電填充劑,并用這種導(dǎo)電橡膠制備抗高壓電纜電暈放電的電線護套和X射線的導(dǎo)體后,導(dǎo)電橡膠才真正得到實際的應(yīng)用。1934年Dunlop公司在飛機輪胎中使用乙炔炭黑,以解決飛機離著陸時產(chǎn)生的靜電,使導(dǎo)電橡膠進入使用市場。此后,導(dǎo)電橡膠又被用于制備外科手術(shù)橡膠制品、膠管、膠帶和膠輥等。如今,導(dǎo)電橡膠制品已廣泛應(yīng)用于航天、航空、機械、醫(yī)學(xué)、電氣及電子等各個方面,具有良好的市場應(yīng)用前景。按照制備方法的不同,將導(dǎo)電橡膠分為結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料和復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料兩類。筆者研究的是復(fù)合型導(dǎo)電橡膠。目前,大家普遍認(rèn)同的復(fù)合型導(dǎo)電材料的導(dǎo)電機理是通過添加的導(dǎo)電物質(zhì)間的充分接觸來形成導(dǎo)電通路,從而得到相對穩(wěn)定的電性能。在導(dǎo)電粒子之間填充空位的橡膠彈性材料必須具有足夠的抗拉強度和抗壓縮永久變形性等性能。為此筆者通過以下試驗來驗證該導(dǎo)電橡膠的電性能和耐環(huán)境性能。1測試方法1.1平板硫化機后處理橡膠的混煉采用無錫明達橡塑機械有限公司生產(chǎn)的X(S)K-160型兩輥煉膠機;硫化設(shè)備采用宜興市輕工機械廠生產(chǎn)的QLB-850×750型平板硫化機;后處理設(shè)備采用無錫蘇南試驗設(shè)備有限公司生產(chǎn)的電熱鼓風(fēng)烘箱,溫差±2℃。試片尺寸為100mm×100mm×2mm,模壓工藝參數(shù)為:模壓溫度165℃,模壓時間12min,壓力12t。1.2工程性能試驗方法拉伸試驗采用INSTRAN拉伸性能試驗機,根據(jù)GB/T528-1998《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測定》標(biāo)準(zhǔn)進行。1.3電性能試驗方法導(dǎo)電橡膠的電性能試驗方法按Q/AKAD47-2006《非金屬材料體積電阻率測試方法》標(biāo)準(zhǔn)進行。1.4酒精溶液的配制該項目選擇了一種新型表面處理劑B100,將其溶于酒精中,配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的酒精溶液。將待處理的金屬粉末經(jīng)過預(yù)混后加入到溶液中充分?jǐn)嚢?靜置2h,每隔30min攪拌一次,然后過濾,攤開放入托盤中,置入烘箱中低溫烘干或自然條件下晾干。1.5環(huán)境性能試驗方法(1)熱氣退役性能試驗根據(jù)GB/T3512-2001《硫化橡膠或熱塑性橡膠熱空氣加速老化和耐熱試驗》標(biāo)準(zhǔn)進行,試驗溫度70℃,時間72h。(2)設(shè)備環(huán)境試驗根據(jù)GJB150.11-1986《軍用設(shè)備環(huán)境試驗方法鹽霧試驗》標(biāo)準(zhǔn)進行,試驗溫度35℃,氯化鈉濃度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))5%、pH值6.5～7.2,試驗時間48h。(3)田間菌種試驗根據(jù)GJB150.10-1986《軍用設(shè)備環(huán)境試驗方法霉菌試驗》標(biāo)準(zhǔn)進行,菌種為黑曲菌、黃曲菌、雜色曲菌、繩狀青菌和球毛殼菌等,試驗時間28d。2試驗結(jié)果與討論2.1試片的表面顏色由表1可見,在進行環(huán)境試驗后試片的體積電阻率均出現(xiàn)不同程度的增加,特別是鹽霧試驗后增加明顯。為進一步進行研究,對試片表面進行了掃描電鏡觀察。圖1是未進行環(huán)境試驗前的材料表面掃描電鏡照片。圖2～4分別為熱空氣老化試驗、鹽霧試驗及霉菌試驗后的材料表面掃描電鏡照片。從圖2可以看出,與圖1相比經(jīng)過耐老化性能試驗后試片表面顏色變深。可能是由于在高溫條件下金屬填料發(fā)生氧化,形成了顏色較深的氧化物,而金屬氧化物的電性能較差,造成體積電阻率的增加。從圖3可以看出,試片的表面出現(xiàn)了微裂紋。在導(dǎo)電橡膠體系中,基體橡膠在理論上將金屬填料很好地包覆。但由于金屬填料的大量存在,總有少量顆粒局部暴露在材料表面。而在鹽霧環(huán)境中,NaCl溶液易形成電解質(zhì)溶液環(huán)境;另一方面,在金屬填料中也存在其他微量金屬雜質(zhì),使得在體系中出現(xiàn)電極電位不同的金屬元素,造成電位差。這兩個因素共同存在后,在材料表面產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。表現(xiàn)在宏觀上就造成試片材料表面的龜裂,同時體積電阻率降低。從圖4可以看出,經(jīng)過霉菌腐蝕后材料表面顏色加深,且有霉斑。從機理上分析,在相對濕度大于65%時,表面通過毛細(xì)吸附作用會產(chǎn)生一層均勻而細(xì)薄的水膜,再加上溫度的周期性變化,會形成凝露。與上述鹽霧腐蝕機理相同,也形成電化學(xué)腐蝕。由于水的酸性較低,為弱電解質(zhì),所以腐蝕程度較輕,未形成龜裂,而只造成表面顏色的變化以及體積電阻率的降低。2.2菌物老化材料的抗拉強度與斷后伸長率是導(dǎo)電橡膠材料的兩項重要力學(xué)性能指標(biāo)。由表1可見,經(jīng)過各項環(huán)境性能試驗后,抗拉強度和斷后伸長率變化不明顯,其中熱空氣老化試驗和霉菌性能試驗后抗拉強度和斷后伸長率略有增減,而鹽霧試驗后均出現(xiàn)下降。一般情況下,在高溫及氧的共同作用下有機硅橡膠會發(fā)生老化。主要是側(cè)鏈官能團的氧化以及主鏈的降解斷裂反應(yīng)。但從熱空氣老化以及霉菌性能試驗后力學(xué)性能測試結(jié)果看,未發(fā)生明顯變化,說明該研究中采用的有機硅橡膠性能較好,在測試周期中未發(fā)生明顯的降解反應(yīng)。而鹽霧性能試驗則在一定程度上降低了材料體系的抗拉強度和斷后伸長率。這主要是由于前面提到的電化學(xué)腐蝕破壞了材料表面的完整性,從而造成力學(xué)性能的下降。3鹽霧試驗和鹽霧試驗后體積電阻率