刘 青

（库博标准投资有限公司，上海 200335）

导电弹性体可通过将导电性填料如炭黑、金属粉以及碳纤维等分散到弹性体中制得。炭黑是应用最广、用量最大的导电填料，其可以大幅度调整材料的导电性能[1-2]。炭黑填充弹性体的导电效果好，被广泛应用于传感、抗静电、电磁波屏蔽等领域[3-7]。同时，炭黑加入到弹性体中，对弹性体的硫化特性和物理性能有显著的影响[8-12]。

随着日益增多的汽车以及持续不断的汽车技术开发，汽车制造业一直期待车载平台的改进，从而实现更加环保的交通方式。伴随科技的进步，传感器在汽车上的应用已非常广泛，从过去仅用于发动机，到现在已扩展至底盘、车身和灯光电器系统。本工作探讨的热塑性导电弹性体以车身障碍物检测传感器——电阻式传感器为应用方向。车身障碍物检测传感器如图1所示，其工作原理是基于热塑性导电弹性体的应变效应，即导电弹性体在外力作用下产生压缩变形，其电阻值也随之发生相应的变化。不同主机厂对车身障碍物检测传感器的要求不同，如产品结构以及导电弹性体电阻率、硬度、拉伸强度、拉断伸长率等指标要求是不同的，业界不断开发新技术以实现车身障碍物检测传感器生产工艺的优化和应用的便捷。目前，车身障碍物检测传感器对导电弹性体的性能要求不断提高，以满足其应用技术的日益提升。

本工作研究不同用量和不同种类炭黑填充热塑性聚烯烃弹性体（POE）胶料的导电性能和物理性能，以期为探索导电弹性体用于车身障碍物检测传感器的创新产品开发提供新思路。

1 实验

1.1 主要原材料

POE，牌号8842，美国陶氏化学产品；炭黑N550，青州市博奥炭黑有限责任公司产品；导电炭黑CSX946和VXC72，卡博特（中国）投资有限公司产品。

1.2 试验配方

POE 100，加工助剂（无特别说明为硬脂酸钙） 0.5，炭黑 变品种和变用量。

1.3 主要设备和仪器

Rheomex OS Haake哈克转矩流变仪，赛默飞世尔科技（中国）有限公司产品；X（S）K-160型开炼机，无锡市后宅振新机械有限公司产品；LP 3000型平板硫化机，蒙泰克中国贸易有限公司提供；CHT3530电阻率测定仪，苏州和普电子科技有限公司产品；XS 104型密度仪，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司产品；DTAA德国巴氏硬度计，诺古科技（上海）有限公司提供；Tensometer 2000型拉力试验机，美国孟山都集团公司产品。

1.4 性能测试

（1）体积电阻率。采用电阻率测定仪按照GMW 14711-07—2012《弹性体、塑料和粘合剂的体积电阻率的测定》测试。

（2）密度。采用密度仪按照DIN EN ISO 1183-1—2013《塑料 非泡沫塑料的密度测定方法 第1部分：浸入法、液体密度瓶法和滴定法（ISO 1183-1—2012）》测试。

（3）硬度。采用巴氏硬度计按照DIN 53505—2000《橡胶试验 邵尔A和D的硬度试验》测试。

（4）拉伸性能。采用拉力试验机按照DIN 53504—1994《橡胶的拉伸应力及应变特性的判定》测试。

2 结果与讨论

2.1 不同用量导电炭黑CSX946填充POE胶料的导电性能和物理性能

不同用量导电炭黑CSX946填充POE胶料的体积电阻率变化如图2所示。

由图2可以看出：导电炭黑CSX946用量由30份增至40份时，POE胶料的体积电阻率急剧降低；导电炭黑CSX946用量超过临界值50份后，POE胶料成为导电材料；炭黑CSX946用量增至80份时，POE胶料的体积电阻率降低至18 833 Ω·cm，导电性能极佳。

不同用量导电炭黑CSX946填充POE胶料的物理性能如表1所示。

表1 不同用量导电炭黑CSX946填充POE胶料的物理性能Tab.1 Physical properties of POE compounds filled with different amounts of conductive carbon black CSX946

由表1可以看出：随着导电炭黑CSX946用量的增大，POE胶料的密度略有增大；当导电炭黑CSX946用量由30份增大至80份时，POE胶料的邵尔A型硬度由67度增大至90度，这是由炭黑粒子与POE分子链相互作用导致的[13-19]。POE胶料应用于车身障碍物检测传感器中，需要减小其邵尔A型硬度。

从表1还可以看出：随着导电炭黑CSX946用量的增大，POE胶料的100%定伸应力增大，这是由炭黑的补强作用决定的；POE胶料的拉伸强度和拉断伸长率呈减小趋势，但在试验的导电炭黑CSX946用量范围内，POE胶料的这两项性能可满足车身用障碍物检测传感器的指标要求。

2.2 不同种类炭黑填充POE胶料的导电性能和物理性能

固定炭黑用量为80份，导电炭黑CSX946和VXC72以及炭黑N550分别填充POE胶料，胶料的体积电阻率分别为16 287，22 302 和130 220 Ω·cm。可以看出，导电炭黑CSX946填充POE胶料的体积电阻率最低，炭黑N550填充POE胶料的体积电阻率最高。

不同种类炭黑的吸碘值和DBP吸收值如表2所示，这两种值可以分别反映炭黑的粒径和结构性。

表2 不同种类炭黑的吸碘值和DBP吸收值Tab.2 Iodine adsorption values and DBP absorption values of different types of carbon blacks

从表2可以看出：导电炭黑CSX946的吸碘值最大，其粒径最小，比表面积最大；导电炭黑CSX946的DBP吸收值略大于导电炭黑VXC72，但明显大于炭黑N550，故导电炭黑CSX946的结构性最高。因此，导电炭黑CSX946填充POE胶料的体积电阻率最低。

固定不同种类的炭黑用量为80份，将导电炭黑CSX946和VXC72以及炭黑N550分别填充POE胶料，胶料的物理性能如表3所示。

表3 不同种类炭黑填充POE胶料的物理性能Tab.3 Physical properties of POE compounds filled with different types of carbon blacks

由表3可以看出：导电炭黑CSX946填充POE胶料的100%定伸应力和拉伸强度最大；导电炭黑VXC72填充POE胶料的拉伸强度次之，其100%定伸应力与炭黑N550填充POE胶料的100%定伸应力一致；炭黑N550填充POE胶料的拉伸强度最小。这是由于导电炭黑CSX946的粒径最小，比表面积最大，结构性最高，因此其填充POE胶料的拉伸强度最大；导电炭黑VXC72的比表面积和结构性次之，其填充POE胶料的拉伸强度次之；炭黑N550的比表面积最小和结构性最低，其填充POE胶料的拉伸强度最小。

从表3还可以看出，3种炭黑填充POE胶料的密度相差不大，约为1.1 Mg·m-3。

2.3 不同用量导电炭黑CSX946与不同种类加工助剂配合使用填充POE胶料的导电性能

不同用量导电炭黑CSX946与不同种类加工助剂配合使用填充POE胶料的体积电阻率如表4所示。

表4 不同用量导电炭黑CSX946与不同种类加工助剂配合使用填充POE胶料的体积电阻率Tab.4 Volume resistivities of POE compounds filled with different amounts of conductive carbon black CSX946 and different types of processing aids Ω·cm

从表4可以看出：在加入硬脂酸钙或硬脂酸锌的条件下，80份导电炭黑CSX946填充POE胶料的体积电阻率都明显低于45份导电炭黑CSX946填充POE胶料的体积电阻率；与仅用80份或45份导电炭黑CSX946填充POE胶料相比，导电炭黑CSX946与硬脂酸钙或硬脂酸锌配合使用填充POE胶料的体积电阻率变化不大。

3 结论

（1）在试验的炭黑用量范围（30～80份）内，随着导电炭黑CSX946用量的增大，POE胶料的体积电阻率降低，邵尔A型硬度和100%定伸应力增大，拉伸强度和拉断伸长率呈减小趋势；当导电炭黑CSX946用量为80份时，POE胶料的体积电阻率最低，邵尔A型硬度最大，拉伸强度和拉断伸长率仍可满足车身用障碍物检测传感器指标要求。

（2）炭黑用量为80份时，将不同种类的炭黑填充POE胶料中，因导电炭黑CSX946的粒径最小，比表面积最大，结构性最高，其POE胶料的体积电阻率最小，100%定伸应力和拉伸强度最大。

（3）与仅用80或45份导电炭黑CSX946填充POE胶料相比，导电炭黑CSX946与硬脂酸锌或硬脂酸钙配合使用填充POE胶料的体积电阻率变化不大。