廢舊輪胎裂解炭黑在橡膠中應用研究

山東耐斯特炭黑有限公司

廢舊輪胎裂解炭黑以廢舊輪胎為基礎材料，在300℃的裂解爐中進行裂解，當裂解溫度達到450℃時，裂解基本完成。過程中產生的煙氣通過冷凝分離，可以得到重油、輕油、裂解氣和少量水蒸氣。通過磁選器將殘渣的鋼絲分離出來，剩余部分通過粉碎、加改性劑，再進行造粒、干燥變成裂解炭黑。輪胎裂解炭黑中含有氧化鋅、硬脂酸、碳酸鈣等物質，還有硫黃、促進劑、防老劑等物質加工助劑，灰分較高，但因其為廢物利用項目，對環境保護有益，值得研究和推廣。

本研究通過對比加入N330、N339、裂解炭黑及混合配方的混煉膠的拉伸強度、拉斷伸長率、100%定伸應力、300%定伸應力和DIN磨耗，分析裂解炭黑用量對橡膠性能的影響。

一、試驗

試驗1.原材料試驗

天然橡膠，泰國１#煙片膠；氧化鋅，天津科密歐化學試劑有限公司；硬脂酸，國藥集團化學試劑有限公司；硫黃粉，山東尚舜化工有限公司；促進劑DZ，山東尚舜化工有限公司；N330炭黑，山東耐斯特炭黑有限公司；Ｎ339炭黑，山東耐斯特炭黑有限公司；ＮC8515炭黑，山東耐斯特炭黑有限公司；廢舊輪胎裂解炭黑，青島雙星集團伊克斯達科技有限公司。

2.試驗儀器

拉力機，美特斯工業系統有限公司；ＤＩＮ磨耗機，高鐵試驗檢測儀器有限公司；氮吸附比表面積分析儀，美國麥克公司；吸油計，德國布拉本特公司；壓縮吸油機，中橡集團炭黑工業設計研究院；萬分之一天平，梅特勒.托利多分析儀器有限公司；紅外水份測定儀，日本島津AND公司；著色強度儀，美國HunterAlab公司；硫化機，青島鑫城一鳴橡膠機械有限公司；煉膠機，無錫市第一橡塑機械有限公司；烘箱，上海索譜儀器有限公司；振蕩機，金壇市文華儀器有限公司。

3.試驗配方試驗

試驗配方見表1。

表1 ?輪胎裂解炭黑試驗方案 克

注：硫化條件為145℃×30min。

二、試驗結果討論

1.?輪胎裂解炭黑的分析數據

為了了解輪胎裂解炭黑的粒徑及結構，對炭黑性能進行了分析，結果見表2。

表2 ?無機炭黑分析結果

? ? 通過以上數據的分析，輪胎裂解炭黑的吸碘值類似N339（國家標準中值為90），吸油值類似于N326（國家標準中值為72），氮吸附比表面積（國家標準中值為71）類似于N351，但著色強度又類似于軟質炭黑N660（大多在50左右），可能是因為此炭黑中含各種粒徑結構的炭黑、碳酸鈣、硬脂酸及輪胎加工助劑等大粒徑低結構成分，產品中325目篩余物為鐵磁性物質，應該是有部分細小鋼絲未被除盡，灰分主要是碳酸鈣、硬脂酸、氧化鋅或陶土等成分，灰分指標將嚴重影響橡膠的老化性能。

2．輪胎裂解炭黑部分取代傳統炭黑性能研究

為了研究輪胎裂解炭黑的性能，根據炭黑的加合性能計算混合炭黑的理化數據，同時將混合炭黑按標準橡膠配方混煉，分析混煉膠性能，再與N330炭黑的混煉膠性能進行對比，對比結果見表2、表3。

表3 ?根據炭黑的加合性計算的混合炭黑物化性質

從表3可以看出，混合炭黑的部分物化性質如吸碘值、吸油值、氮吸附比表面積與N330類似。

表4 ?混合炭黑對橡膠性能影響對比情況

由表4可知，Q4、Q5膠料的100%定伸應力相對于N330、N339和NC8515均有明顯下降，下降幅度約為30%；300%定伸應力應力相對于N330和N339下降了5～5.6Mpa，下降幅度約為30%，相對于NC8515炭黑下降了7Mpa，下降了約40%；拉伸強度對比加入混合炭黑后的膠料，下降幅度約為15%。；加入混合炭黑的DIN磨耗指數相對于N330和N339下降了約20%，相對于NC8515下降了約30%，且配方Q5中混合炭黑和配方Q6中混合炭黑相當，表明混合炭黑中輪胎裂解炭黑雖有一定的補強性，但其補強性明顯低于N330炭黑，輪胎裂解炭黑雖并用了部分高結構和較高比表面積的其他炭黑產品（如N339和或NC8515），但仍不能完全達到補強效果，除非并用比表面積更高和結構度更高的炭黑（如N234或N134）。

3. 增加炭黑用量對橡膠性能影響的研究

配方Q7通過增加N339 用量、減少輪胎裂解炭黑用量，改善填充炭黑的膠料物理性能，結果見表5。

Q7配方為90克N339和60克輪胎裂解炭黑。通過分析膠料的性能，發現相對于N330填充的膠料，其300% 定伸應力仍降低約13%，拉伸強度相差15%，膠料硬度低，但膠料密度上升，這表明炭黑填加到膠料中達到一定程度，拉伸強度先出現上升到一定值后將出現下降，同時因加入輪胎裂解炭黑后，此炭黑補強性能差，但填充性能良好，增加了膠料密度，耐磨指數未得到明顯改善。

Q7 膠料與Q6 膠料相比，300% 定伸應力差異不大，拉伸強度有所上升，伸長率上升，耐磨性變好，表明輪胎裂解炭黑的補強性能較差，只能用作填充劑部分替代330炭黑。

三、結論

1. 輪胎裂解炭黑應用于膠料標準配方中，用高結構、高比表面積的炭黑與輪胎裂解炭黑摻配不能完全替代N330 炭黑，混煉膠的300% 定伸應力、拉伸強度、DIN 磨耗指數均出現下降，補強性能較差。

2. 在配方中增加N339 和輪胎裂解炭黑用量（見Q6），混煉膠的拉伸強度、300%定伸應力和DIN磨耗仍達不到N330 的性能，但膠料密度變大。

3. 配方中增加N339用量、減少輪胎裂解炭黑用量（見Q7）時，膠料的拉伸強度、300%定伸應力和DIN磨耗較Q4配方有所增大，但仍未達到加入N330的水平，表明裂解炭黑的補強性不佳。

4. 輪胎裂解炭黑的灰分含量較高，灰分主要成分為二氧化硅、碳酸鈣、硬脂酸、氧化鋅等，這些物質因在第1 次使用過程中已與輪胎的其他成分發生作用，回收時已失去全部或部分活性，在膠料混煉過程中不能再發生反應，無法與橡膠分子鏈形成有效交聯，影響了補強性的發揮。

5. 輪胎裂解炭黑應在生產過程中進行有效改性，降低其炭黑粒徑，并進行表面活化以提高其產品性能。