導(dǎo)電橡膠具有橡膠固有的高彈性、易于成型加工、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)制品的綜合性能要求，導(dǎo)電填料可選擇為導(dǎo)電炭黑、石墨、碳纖維、金屬粉末等。除了導(dǎo)電性能，加工橡膠制品往往需要考慮其它因素的影響。導(dǎo)電炭黑不僅能賦予橡膠優(yōu)良的導(dǎo)電性，還能賦予橡膠良好的力學(xué)性能；而且價(jià)格相對(duì)便宜，容易混入橡膠中，已成為導(dǎo)電橡膠中使用廣泛的導(dǎo)電填料。

影響橡膠導(dǎo)電性能的因素包括橡膠的化學(xué)性質(zhì)、分子量及其分布和粘度、導(dǎo)電填料的性質(zhì)和用量以及加工工藝過(guò)程、其它配合劑性質(zhì)和用量等。

3.5.1.炭黑填充橡膠的導(dǎo)電機(jī)理

炭黑填充橡膠的導(dǎo)電機(jī)理，較經(jīng)典的理論有導(dǎo)電通路論和隧道效應(yīng)論。導(dǎo)電通路論認(rèn)為，炭黑粒子加入到橡膠等高聚物中，因其鏈狀結(jié)構(gòu)不完全受到高聚物的濕潤(rùn)而暴露出部分碳材料，它們?cè)趶?fù)合材料中彼此接觸鏈接，形成網(wǎng)絡(luò)，在電壓作用下，π電子通過(guò)相互鏈接的碳材料網(wǎng)狀鏈移動(dòng)而形成導(dǎo)電通路。

隧道效應(yīng)論認(rèn)為，高分子復(fù)合材料的導(dǎo)電性是由其中炭黑粒子間的電子躍遷形成的，并在混合物內(nèi)尚未形成網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電通道時(shí)是高分子復(fù)合材料的主要導(dǎo)電模式。它不是由炭黑形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的導(dǎo)電性，而是由于當(dāng)炭黑之間的間距小到程度時(shí)，炭黑粒子之間的間距所代表的勢(shì)壘的能級(jí)下降，導(dǎo)致電子因量子化效應(yīng)可以在炭黑碳材料之間穿行，即所謂的電子躍遷。該理論解釋了在炭黑填充高分子復(fù)合材料中炭黑粒子之間并不存在相互鏈接的導(dǎo)電通路條件下，當(dāng)炭黑的填充量達(dá)到量時(shí)，填充導(dǎo)電炭黑的高分子復(fù)合材料仍然具有導(dǎo)電性的現(xiàn)象。兩種理論均較好地說(shuō)明填充黑的導(dǎo)電橡膠其炭黑填充量、炭黑結(jié)構(gòu)和加工過(guò)程等對(duì)導(dǎo)電性能的影響規(guī)律。

3.5.2.橡膠品種的選擇

由于NBR分子的強(qiáng)極性，生膠的體積電阻率一般為10¹⁰~10¹¹Ω.cm范圍，比其它通用橡膠低3~5個(gè)數(shù)量級(jí)，有利于使其容易制備導(dǎo)電橡膠。一般說(shuō)來(lái)，NBR的丙烯腈含量越大，固有的體積電阻率越小，越容易獲得優(yōu)異的導(dǎo)電性能。生膠的門尼粘度越高，在其它工藝條件相同情況下，混煉加工過(guò)程中施予炭黑的剪切力越明顯，越容易造成炭黑鏈的破壞從而引起橡膠的電導(dǎo)率下降。

3.5.3.導(dǎo)電炭黑基本特性對(duì)導(dǎo)電性能的影響

將導(dǎo)電炭黑填充到橡膠中，會(huì)降低橡膠的體積電阻率，其降低程度主要取決于所用炭黑粒子的粒徑大小、結(jié)構(gòu)性及其填充量。原生粒徑是炭黑影響導(dǎo)電必性的主要參數(shù)。炭黑的原生粒子越細(xì)，比表面積越小，由此形成的原生聚集體越小，在給定的橡膠單位體積內(nèi)聚集體分布更多，這將使聚集體間的距離更小，更容易在基材中形成導(dǎo)電通道，或在基材中更容易產(chǎn)生電子躍遷，復(fù)合材料的體積電阻率就越低。

炭黑聚集體的結(jié)構(gòu)的發(fā)達(dá)的程度也是影響炭黑導(dǎo)電性能的一個(gè)重要的因素。結(jié)構(gòu)越高或聚集體形狀越不規(guī)則的炭黑粒子，聚集體的分枝或空隙越多，特別是呈鏈狀結(jié)構(gòu)的炭黑粒子，在橡膠中形成網(wǎng)絡(luò)的能力就越強(qiáng)，產(chǎn)生導(dǎo)電通道的可能性就越大，同時(shí)炭黑粒子之間的勢(shì)壘能級(jí)也越低。在用量較小的情況下，就容易獲得較高的導(dǎo)電性能。即在填充量條件下，高結(jié)構(gòu)炭黑的導(dǎo)電率比低結(jié)構(gòu)炭黑的高。

炭黑的表面化學(xué)性質(zhì)，也在程度上影響其導(dǎo)電性賦予能力。炭黑粒子表面結(jié)合的含氧官能團(tuán)的作用相當(dāng)于電子陷阱，增加了炭黑粒子表面的勢(shì)壘，會(huì)阻礙π電子的移動(dòng)，從而降低炭黑的導(dǎo)電性。

綜上所述，賦予高導(dǎo)電性的炭黑應(yīng)有的性能是：粒徑小、比表面積大、結(jié)構(gòu)高度發(fā)達(dá)、能俘獲π電子的表面雜質(zhì)少、石墨化程度高并具有多孔性。具有上述結(jié)構(gòu)特征的炭黑有中空結(jié)構(gòu)殼質(zhì)炭黑、導(dǎo)電爐黑、乙炔炭黑等。

3.5.4.炭黑用量的影響

炭黑的用量對(duì)導(dǎo)電橡膠產(chǎn)生重要的影響。隨著炭黑用量的增加，橡膠經(jīng)歷絕緣區(qū)、電性能急劇變化區(qū)和電性能穩(wěn)定區(qū)。在炭黑用量較少時(shí)，膠料的體積電阻率處于絕緣區(qū)。

隨著炭黑用量增加到的臨界填充量時(shí)，膠料處于電性能急劇變化區(qū)，電導(dǎo)率開(kāi)始迅速升高。在該區(qū)域，由于均勻分布的炭黑含量逐漸增加，炭黑粒子數(shù)量逐漸增多，呈現(xiàn)部分連續(xù)的分布，被膠料包圍的相鄰炭黑粒子之間的間距變小。在此區(qū)域，稍微提高導(dǎo)電炭黑的填充量，就會(huì)引起膠料的體積電阻率急劇下降。此外，混煉加工條件等過(guò)程參數(shù)的波動(dòng)，也會(huì)強(qiáng)烈地影響膠料的體積電阻率，使之產(chǎn)生急劇變化。不同的炭黑品種對(duì)于不同的橡膠有一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的臨界填充量范圍，而且該臨界填充量與炭黑品種、橡膠的結(jié)構(gòu)和其它配合劑組成及加工條件密切相關(guān)。

隨著炭黑增加到臨界填充量以上時(shí)，橡膠制品處于導(dǎo)電性穩(wěn)定區(qū)。在該區(qū)域，均勻分布的炭黑含量較高，由于具有足夠數(shù)量的炭黑粒子，呈現(xiàn)連續(xù)的分布，即形成連續(xù)炭黑網(wǎng)絡(luò)。被膠料所包圍相鄰炭黑粒子間距進(jìn)一步變小，而且大部分炭黑粒子中碳材料的暴露使得粒子之間相互接觸增多，在隧道效應(yīng)發(fā)生的同時(shí)，導(dǎo)電通路在整個(gè)導(dǎo)電體系中起主導(dǎo)作用。

導(dǎo)電炭黑的用量可根據(jù)制品的導(dǎo)電性能以及其它性能要求而定。很顯然，要使橡膠達(dá)到穩(wěn)定的導(dǎo)電性能，炭黑用量應(yīng)達(dá)到超過(guò)炭黑品種在橡膠中處于導(dǎo)電性穩(wěn)定區(qū)所對(duì)應(yīng)的用量。當(dāng)然，還要考慮膠料或硫化膠其它性能的要求。

3.5.5.其它配合劑的影響

導(dǎo)電炭黑和乙炔炭黑由于其結(jié)構(gòu)特性，容易吸附其它低分子物質(zhì)，特別是中空結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電炭黑更為明顯。在這類炭黑填充量較大時(shí)，會(huì)引起膠料的焦燒時(shí)間和正硫化時(shí)間延長(zhǎng)、硫化速率下降、交聯(lián)密度不足等現(xiàn)象。

因?yàn)樵鏊軇┮约败浕瘎?、石蠟、加工助劑等的?dǎo)電性，其在橡膠中會(huì)起到阻隔炭黑導(dǎo)電通道的作用，從而對(duì)硫化膠導(dǎo)電性能不利。但反過(guò)來(lái)，這些物質(zhì)的加入能降低混煉膠的粘度，提高流動(dòng)性，減少加工過(guò)程剪切作用對(duì)炭黑鏈的破壞。

對(duì)于導(dǎo)電性能要求不高的橡膠制品，如防靜電橡膠，加入防靜電劑、表面活性劑、吸水性填料、極性的高聚物，如PVC、EVA等，均有利于提高橡膠的抗靜電性能。此外，在硫化膠表面噴涂抗靜電涂層會(huì)起到降低成本并保持硫化膠物性的作用，例如在淺色NBR/PVC膠板上噴涂抗靜電涂層已在工業(yè)上應(yīng)用。

3.5.6.橡膠并用的影響

利用導(dǎo)電炭黑更容易混入低粘度組分的原理，以兩種粘度相差較大的生膠按一定比例并用制備導(dǎo)電橡膠對(duì)于提高電導(dǎo)率及其穩(wěn)定性甚為有效。在炭黑用量相同情況下，由于炭黑容易進(jìn)入低粘度的橡膠組分，使炭黑在并用膠中的濃度分配不均，呈連續(xù)相的高填充組分起主要的導(dǎo)電作用，這種導(dǎo)電橡膠可看作成兩種不同電阻率的橡膠相的并聯(lián)，其導(dǎo)電率比相同用量炭黑填充的單一低粘度組分橡膠的導(dǎo)電率高0.5~2個(gè)數(shù)量級(jí)。

3.5.7.混煉工藝條件的影響

橡膠加工的批次性一直受到人們的重視，而制備導(dǎo)電橡膠材料時(shí)對(duì)消除加工批次性更為迫切。導(dǎo)電橡膠復(fù)合材料生產(chǎn)的主要問(wèn)題是獲得具有重現(xiàn)性的導(dǎo)電性能。因?yàn)閷?dǎo)電橡膠的導(dǎo)電性能，與其他某些機(jī)械性能相比，更容易受導(dǎo)電炭黑的類型和在橡膠中的分散情況、導(dǎo)電炭黑的損壞程度和各種加工條件的強(qiáng)烈影響。所以，選擇具有可重現(xiàn)性的加工條件，對(duì)于用導(dǎo)電炭黑填充橡膠制造導(dǎo)電橡膠復(fù)合材料來(lái)說(shuō)是十分必要的。

3.5.8.環(huán)境的影響

環(huán)境溫度對(duì)導(dǎo)電NBR電阻率也有明顯影響。人們發(fā)現(xiàn)，對(duì)填充50~70份乙炔炭黑的NBR導(dǎo)電橡膠，在30~150℃試驗(yàn)溫度下，開(kāi)始升溫時(shí)，電阻率呈明顯的下降趨勢(shì)，呈現(xiàn)NTC效應(yīng)？？，約在70~120℃之間，電阻率最低，隨著溫度的升高，電阻率又呈上升現(xiàn)象。呈現(xiàn)低的PTC效應(yīng)。在降溫階段，電阻率的變化規(guī)律與升溫階段類似，但升溫和降溫時(shí)的電阻率—溫度曲線并不重合，存在明顯的滯后現(xiàn)象。其電阻率與溫度的關(guān)系符合二次多項(xiàng)式。利用炭黑填充NBR導(dǎo)電橡膠的電發(fā)熱特性和低的PTC特性，適用于制備片狀電發(fā)熱體材料。

環(huán)境的濕度對(duì)抗靜電橡膠的抗靜電性能有明顯的影響，例如，在潮濕的環(huán)境中，抗靜電膠輥的抗靜電性能良好，但在秋高氣爽季節(jié)，抗靜電性能有可能變差。此時(shí)，應(yīng)在配方中增加高導(dǎo)電性能的炭黑用量和加入易于吸潮的防靜電劑或表面活性劑，使制品達(dá)到防靜電要求。