廢舊輪胎裂解炭黑在橡膠地板中的應用

魏玉山，陳曉燕，馬立成，徐 勇，蔡啟勝，王貝貝，冷 帥，薛 霖

（雙星集團有限責任公司，山東 青島 266400）

近年來，人們生活水平不斷提高，汽車保有量不斷增大，由此產生的廢舊輪胎也越來越多。廢舊輪胎大量堆積不僅是資源浪費，還會導致嚴重的環境污染，因此廢舊輪胎的處理成為十分緊迫的產業和環境問題[1-2]。熱裂解工藝可高效處理各種輪胎，將廢舊輪胎轉化為裂解油、裂解炭黑、裂解氣和鋼絲等可再利用資源，資源利用率為100%，這對實現生態文明建設和循環經濟具有十分重要的意義[3-4]。

廢舊輪胎裂解炭黑（簡稱CBp）是廢舊輪胎熱裂解的重要產物之一，可通過炭黑深加工工藝進行除雜提質。將CBp應用于各種橡膠制品中是實現廢舊輪胎資源循環利用的關鍵，具有顯著的經濟和社會效益，已成為行業研究熱點[5-7]。

本工作使用CBp部分代替橡膠地板配方中的炭黑N330，比較不同CBp/炭黑N330用量比膠料的硫化特性、物理性能、耐老化性能以及成品性能，以期降低生產成本。

1 實驗

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），SMR20，馬來西亞產品；胎面再生膠，山東忠誠橡膠有限公司產品；炭黑N330，江西黑貓炭黑股份有限公司產品；CBp（廢舊輪胎在微負壓高溫條件下熱裂解生成的炭渣，經磁選除雜、超細研磨、表面活化改性、造粒、干燥處理制得），青島伊克斯達科技有限公司產品；環保芳烴油（TDAE），寧波漢圣化工有限公司產品；輕質碳酸鈣，河北寧宇化工有限公司產品；氧化鋅，石家莊志億鋅業有限公司產品；硬脂酸1845，杭州油脂化工有限公司產品；促進劑DM和CBS，科邁化工股份有限公司產品；硫黃，青島城陽雙埠硫磺加工廠產品。

1.2 試驗配方

NR 100，再生膠 100，CBp/炭黑N330 50（用量比分別為0/50，10/40，15/35和20/30），碳酸鈣 50，氧化鋅 6，硬脂酸 2.6，TDAE 12，促進劑DM 1.2，促進劑CBS 1.2，硫黃 3，其他9.9。

1.3 主要設備和儀器

BB-1600IM型密煉機，日本株式會社神戶制鋼所產品；BL-6175-AL型高低溫開煉機，東莞寶輪精密檢測儀器有限公司產品；XLB-D 500×500×2型平板硫化機，湖州東方機械有限公司產品；MV2000型門尼粘度儀和MDR2000型無轉子硫化儀，美國阿爾法科技有限公司產品；WAH17A型邵爾A型硬度計，英國Wallace儀器有限公司產品；5965型電子萬能材料試驗機，美國Instron公司產品；DigitestⅡ型高低溫回彈試驗機，德國博銳儀器有限公司產品。

1.4 試樣制備

膠料采用2段混煉工藝，均在密煉機中進行。一段混煉工藝為：生膠和小料→混煉45 s→炭黑和碳酸鈣→混煉65 s或130 ℃→提壓砣、壓壓砣→混煉60 s或150 ℃→提壓砣、壓壓砣→混煉60 s或160℃→提壓砣、排膠，膠料在開煉機[輥溫為（70±5）℃，輥距為0.6～0.8 mm]上包輥，打三角包薄通3次，調整輥距下片，停放4 h。二段混煉工藝為：一段混煉膠→混煉20 s→促進劑和硫黃→混煉20 s→提壓砣、壓壓砣→混煉40 s或115 ℃→提壓砣、排膠，膠料在開煉機[輥溫為（70±5） ℃，輥距為0.6～0.8 mm]上包輥，打三角包薄通3次，按2.2 mm厚度下片。

混煉膠停放8 h后在平板硫化機上硫化，硫化條件為151 ℃/10 MPa×300 s。

1.5 性能測試

膠料性能均按照相應國家標準進行測試。

2 結果與討論

2.1 CBp與炭黑N330的理化性能對比

CBp和炭黑N330的理化性能見表1。

由表1可以看出：與炭黑N330相比，CBp的吸碘值偏大，統計吸附層厚度表面積偏小，說明CBp的原生粒徑較大；CBp的DBP吸油值小于炭黑N330，這可能是因為在生成過程中，CBp聚集體的結構空隙被部分灰分和碳質沉積物堵塞，使其結構類似密實的球體；CBp的灰分質量分數遠大于炭黑N330，這是因為炭黑N330是由煤焦油經過不完全燃燒制得，雜質含量較低，而CBp是廢舊輪胎熱裂解的產物，輪胎中的氧化鋅、白炭黑、碳酸鈣等都作為雜質而留存下來[8-9]，因此灰分的主要成分有氧化鋅、白炭黑、氧化鈣，以及少量氧化鐵、氧化鈷和氧化鋁等；CBp的加熱減量、45 μm篩余物、單個粒子破碎強度與炭黑N330相差不大；CBp的pH值接近炭黑N330，呈堿性[10]。

表1 CBp和炭黑N330的理化性能

2.2 NR標準配方試驗

由于CBp結構度低，灰分含量遠大于炭黑N330，按照GB/T 3780.18—2017《炭黑 第18部分：在天然橡膠（NR）中的鑒定方法》使用CBp部分或全部替代炭黑N330，對比研究CBp/炭黑N330用量比對NR標準配方膠料物理性能的影響，結果如表2所示。

表2 CBp/炭黑N330用量比對NR標準配方膠料物理性能的影響

由表2可以看出：與添加50份炭黑N330的膠料相比，添加50份CBp膠料的密度和撕裂強度一致；拉斷伸長率較大，這與CBp中含有一定量的白炭黑和氧化鋁等有關；隨著CBp用量增大，膠料的硬度、300%定伸應力、拉伸強度有所減小；當CBp用量為20份時，膠料的定伸應力和拉伸強度大幅減小，當其用量達到25份時已經完全不能滿足性能需求，說明CBp在NR中雖有較好的補強性能，但因粒徑偏大，表面活性位點被灰分及碳質沉積物覆蓋，導致其表面活性較低，補強效果與炭黑N330相比仍有差距[11]。

2.3 橡膠地板配方試驗

綜上分析，在橡膠地板用膠料試驗中，CBp/炭 黑N330用 量 比 分 別 為0/50，10/40，15/35和20/30。

2.3.1 門尼粘度和硫化特性

江城縣水果園地普遍存在基礎設施落后的問題，道路系統及農田水利設施年久失修，損毀嚴重，主道路不通暢。每逢雨季，連生產所需的農資都不能運進，收獲采下的水果果品很難運出，缺乏基本的設施條件。

膠料的門尼粘度和硫化特性見表3。

表3 膠料的門尼粘度和硫化特性

由表3可以看出：隨著CBp用量的增大，膠料的門尼焦燒時間略延長，說明CBp有利于膠料的加工安全性；FL，Fmax，Fmax-FL，t10和t90變化不大。

2.3.2 物理性能

硫化膠的物理性能見表4。

由表4可以看出：與添加50份炭黑N330硫化膠相比，CBp/炭黑N330用量比為10/40和15/35時，硫化膠的硬度、拉伸強度、拉斷伸長率、回彈值以及耐老化性能差異不大；當CBp/炭黑N330用量比為20/30時，硫化膠的拉伸強度明顯減小、拉斷伸長率增大，老化后性能降低。分析認為，CBp表面活性位點被裂解過程中產生的碳質沉積物覆蓋，導致其表面活性低，CBp與炭黑N330的結構度差異較大，故CBp的補強作用低于炭黑N330，這與CBp在NR標準配方試驗中的結果一致。綜合考慮，以CBp/炭黑N330用量比為15/35進行橡膠地板成品性能測試。

表4 硫化膠的物理性能

2.3.3 成品性能

橡膠地板的使用性能見表5。

表5 橡膠地板的使用性能

由表5可以看出：與生產橡膠地板相比，試驗橡膠地板的拉伸強度變化幅度較小，硬度和拉斷伸長率變化率差異不大；生產橡膠地板和試驗橡膠地板在室外自然條件下使用180 d后，均未出現變形、裂紋、掉塊等狀況，表面均為輕微磨損；生產橡膠地板表面輕微粘手，這是膠料開始老化所致，而試驗橡膠地板無表面粘手現象，使用正常。試驗橡膠地板達到普通橡膠地板的使用要求。

3 成本分析

CBp價格較炭黑N330低，按當前炭黑N330和CBp市價計算，本試驗CBp替代30%炭黑N330，每千克混煉膠成本可降低0.138元。按每塊橡膠地板質量為12 kg，每天可生產800塊橡膠地板，每月生產時間為26 d計算，年節約成本為：0.138×12×800×26×12＝413 337.6元，可產生較好的經濟效益。

4 結論

（1）CBp灰分含量較大，結構度較低，其他理化性能與炭黑N330基本相當。

（2）在橡膠地板膠料中，用CBp替代30%炭黑N330，膠料的硫化特性、硫化膠的物理性能和耐老化性能、橡膠地板的使用性能均符合普通橡膠地板的技術要求，且膠料生產成本降低，具有較好的經濟效益。