裂解炭黑在叉車輪胎胎面膠中的應用

馬立成，韓理理，魏玉山，冷 帥，孟德贏，肖清晨，唐效武，薛 霖

（1.青島伊克斯達科技有限公司，山東 青島 266400；2.青島雙星輪胎工業有限公司，山東 青島 266400）

近年來，我國每年產生的廢舊輪胎數量正以8%～10%的速度急劇增大，2020年我國廢舊輪胎產生量將達到2 000萬t[1]。廢舊輪胎具有較強的抗生物、耐熱和抗機械性能，難以自然降解，長時間存放于自然界會造成嚴重污染，被稱為“黑色污染”，將帶來嚴重的環境和社會問題[2-4]。

在廢舊輪胎熱裂解過程中，固相餾分和液相餾分最多，固相餾分占輪胎質量的30%～40%[5]，即為裂解炭黑（CBp），其來源是輪胎生產過程中的炭黑和添加了鋅、鈣、硅等無機元素的混合物以及在輪胎裂解過程中生成的碳質沉積物（二次反應的結果）。這種組成成分使CBp不同于炭黑，限制了CBp在商業市場中的應用。原料和裂解加工條件等工藝程序的差異可能會導致出現不同等級的CBp[6]。根據E.L.K.Mui等[7]的研究，CBp最直接的用途之一是生產活性炭。另一方面，盡管CBp的燃燒速度慢，但也可以用作固體燃料。此外，還進行了一些脫礦處理以去除無機物和碳質沉積物，從而得到具有類似炭黑性質的CBp[8-9]。

傳統炭黑是通過烴類化合物的部分氧化而形成，因此生產過程中產生了大量的二氧化碳和多環芳烴（PAHs），它們的排放不僅影響環境，而且影響人體健康[10]。每生產1 kg炭黑，二氧化碳的排放量約為5.7 kg[11]。在全球變暖的過程中，人們已經認識到排放到環境中的每噸炭黑產生的含碳懸浮物相當于330～2 240 kg二氧化碳。同樣，國際癌癥研究機構將PAHs定義為致癌物質，因此人們產生了通過裂解從廢舊輪胎中回收炭黑的想法，并希望將CBp用于橡膠制品及其他碳質材料的生產。盡管CBp與炭黑的差異很大，但以CBp部分替代炭黑在橡膠配方中應用仍有很大的潛力[12-15]。

本工作主要研究CBp替代傳統炭黑N550在叉車輪胎胎面膠中的應用。

1 實驗

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），SMR20，馬來西亞產品；CBp，青島伊克斯達科技有限公司產品；炭黑N550，歐勵隆工程炭公司產品；炭黑N330，江西黑貓炭黑股份有限公司產品；硫黃，青島城陽雙埠硫黃廠產品；促進劑TBBS，科邁化工股份有限公司產品。

1.2 試驗配方

試驗配方如表1所示。

表1 試驗配方 份

1.3 主要設備和儀器

BB-L1600IM型密煉機，日本神戶制鋼株式會社產品；FL-6175-AL型開煉機，東莞寶輪有限公司產品；平板硫化機，浙江湖州東方機械有限公司產品；MV2000E型門尼粘度儀、MDR2000型硫化儀和炭黑分散儀，美國阿爾法科技有限公司產品；電子萬能材料試驗機，美國英斯特朗公司產品；自動比重計，瑞士賽多利斯公司產品；邵氏A型硬度計，英國華萊士公司產品；阿克隆磨耗試驗機，中國臺灣高鐵檢測儀器有限公司產品；掃描電子顯微鏡（SEM），美國FEI公司產品。

1.4 試樣制備

膠料采用兩段混煉工藝在密煉機中進行混煉。一段混煉工藝為：生膠和小料→混煉25 s→炭黑→混煉60 s→排膠（160 ℃）；二段混煉工藝為：一段混煉膠→混煉20 s→硫黃和促進劑→混煉40 s→排膠（110 ℃）。膠料在開煉機上下片。

膠料在平板硫化機上硫化，硫化條件為151℃×15 min。

1.5 性能測試

各項性能均按照相應的國家標準進行測試。

2 結果與討論

2.1 理化分析

CBp的理化分析結果如表2所示。

表2 CBp的理化分析結果

從表2可以看出，CBp的各項理化性能均符合指標要求。

2.2 硫化特性

膠料的硫化特性如表3所示。

表3 膠料的硫化特性

從表3可以看出：隨著CBp用量的增大，膠料的門尼粘度逐漸減小，2#—4#配方膠料的門尼焦燒時間先延長后縮短，5#配方膠料的門尼焦燒時間明顯縮短；與3#配方膠料相比，5#配方膠料的門尼焦燒時間縮短，Fmax增大；3#配方膠料的硫化特性（t90除外）與1#配方膠料接近。

2.3 物理性能

硫化膠的物理性能如表4所示。

表4 硫化膠的物理性能

從表4可以看出：與1#配方膠料相比，2#—4#配方膠料的密度增大，說明CBp的密度偏大，定伸應力和拉伸強度減小；隨著CBp用量的增大，膠料的炭黑分散度逐漸減小，拉斷伸長率和撕裂強度增大；與1#配方膠料相比，2#—5#配方膠料的阿克隆磨耗量增大。國家標準要求叉車輪胎胎面膠的阿克隆磨耗量不大于0.4 cm3，除4#配方膠料外，其他配方膠料的阿克隆磨耗量均滿足國家標準要求。改性CBp膠料的耐磨性能相比未改性CBp膠料有一定提高，說明對CBp進行改性還是可行的。

總體來看，老化后各配方膠料的性能變化率差異不大，說明CBp對膠料的耐老化性能影響不大。

2.4 炭黑分散性

1#和3#配方膠料的SEM照片如圖1和2所示。

圖1 1#配方膠料的SEM照片

圖2 3#配方膠料的SEM照片

從圖1可以看出，炭黑N550在膠料中分散均勻，基本無團聚現象。從圖2（a）可以看出，3#配方膠料表面有很多凸起和白點；從圖2（b）可以看出，這些凸起和白點都是未分散的炭黑顆粒，可見CBp在膠料中的團聚現象嚴重，這也是導致CBp補強性能不足的原因。

2.5 成本分析

CBp按照炭黑N550市面價格的60%計算，以CBp替代炭黑N550后，混煉膠質量成本可節約0.2元·kg-1，1條叉車輪胎胎面膠質量按30 kg計算，單條輪胎可節省成本6元，年產10萬條的叉車輪胎廠，可節約成本60萬元，經濟效益明顯。

3 結論

在叉車輪胎胎面膠中用CBp等量替代炭黑N550，膠料的門尼粘度減小，使用20份CBp的膠料門尼焦燒時間相當，硫化膠的定伸應力和拉伸強度減小，拉斷伸長率和撕裂強度增大，炭黑分散性下降；改性CBp硫化膠的耐磨性能優于CBp硫化膠。使用CBp等量替代炭黑N550可顯著降低生產成本。