廢舊輪胎裂解炭黑在斜交胎內(nèi)胎的應(yīng)用研究

馬立成，陳曉燕，王貝貝，滕晶晶，冷帥，黃義鋼

(雙星集團(tuán)有限責(zé)任公司, 山東 青島 266400)

近年來(lái)統(tǒng)計(jì)顯示，我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)量已經(jīng)連續(xù)十年蟬聯(lián)全球第一，2019年汽車(chē)產(chǎn)量約為2 572萬(wàn)輛。隨著汽車(chē)保有量的大幅增加，我國(guó)每年的廢輪胎產(chǎn)生量也快速增長(zhǎng)，根據(jù)中國(guó)橡膠工業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，從2014年的1 145萬(wàn)t發(fā)展到2019年的1 380萬(wàn)t左右，年均復(fù)合增長(zhǎng)率約為5%，到2020年，我國(guó)廢舊輪胎產(chǎn)量達(dá)到約1 500萬(wàn)t，廢舊輪胎造成的黑色污染已成為全球性環(huán)保難題[1]。另一方面，當(dāng)前我國(guó)橡膠使用量世界第一，2019年消耗約1 668萬(wàn)t。廢舊輪胎作為一種再生資源，其綜合利用對(duì)緩解我國(guó)橡膠資源、石化資源匱乏具有重要的戰(zhàn)略意義[2～3]。熱裂解技術(shù)被公認(rèn)為是最有效的廢舊輪胎處理方式，不僅可以達(dá)到對(duì)廢輪胎的充分利用, 而且不會(huì)再一次危害環(huán)境[4～5]。

通過(guò)熱解可將廢輪胎熱解為油氣、裂解炭黑等。現(xiàn)裂解炭黑的現(xiàn)狀是在工業(yè)化生產(chǎn)中，大都沒(méi)有配置炭黑深加工生產(chǎn)線，少數(shù)企業(yè)只是對(duì)廢輪胎裂解炭黑做了簡(jiǎn)單處理，裂解炭黑還達(dá)不到使用于輪胎制造的標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，提高廢輪胎裂解炭黑的品質(zhì)，從工藝技術(shù)上完成裂解炭黑的深加工非常重要，具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義[6～8]。

本文研究了不同型號(hào)的伊克斯達(dá)裂解炭黑對(duì)斜交胎用內(nèi)胎性能的影響，驗(yàn)證了裂解炭黑替代傳統(tǒng)工業(yè)炭黑用于內(nèi)胎生產(chǎn)并降低生產(chǎn)成本的可行性，并可為輪胎生產(chǎn)提供一定的試驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

裂解炭黑FN660/FN331，青島伊克斯達(dá)科技有限公司產(chǎn)品；丁基膠1675N、丁基再生膠、N660等均為橡膠工業(yè)常用的原材料。

1.2 斜交胎內(nèi)胎相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和裂解炭黑主要技術(shù)指標(biāo)

輪胎屬于安全部件，使用中有一定的危險(xiǎn)性，內(nèi)胎作為輪胎的一部分，所以國(guó)標(biāo)對(duì)內(nèi)胎提出了最低要求，只有滿足此要求，才能保證內(nèi)胎的正常使用要求。丁基膠為原料的內(nèi)胎具體要求如表1所示。

表1 內(nèi)胎國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)

參照GB/T 3780《炭黑》及GB/T 528《硫化橡膠和熱塑性橡膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)定，具體如表2所示。

表2 FN660/FN331與N660技術(shù)指標(biāo)

1.3 主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備及儀器

BB-L1600IM型密煉機(jī)，日本神戶(hù)制鋼株式會(huì)社；FL-6175-AL開(kāi)煉機(jī)，東莞寶輪有限公司；XM270型和XM370型密煉機(jī)，大連第二橡塑機(jī)械有限公司；平板硫化機(jī)，浙江湖州東方機(jī)械有限公司；MDR2000型硫化儀、MV2000E型門(mén)尼黏度儀，美國(guó)阿爾法科技有限公司；電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，美國(guó)英斯特朗公司；自動(dòng)比重計(jì)，瑞士賽多利斯公司；邵爾A型硬度計(jì)，英國(guó)華萊士公司；壓差法氣體滲透儀，濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司；屈撓試驗(yàn)機(jī)，臺(tái)灣高鐵檢測(cè)儀器有限公司。

1.4 膠料配方

實(shí)驗(yàn)配方如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)配方表 份

1.5 混煉工藝

小配合試驗(yàn)?zāi)z料采用兩段混煉工藝制備：一段：丁基膠和丁基再生膠和小藥→混煉25 s→炭黑→混煉60 s→混煉60 s或140 ℃排料。二段：一段膠→混煉20 s→小藥 → 混煉40 s→混煉 40 s或 140 ℃排料。

大配合試驗(yàn)?zāi)z料分三段混煉：一段混煉在XM370型密煉機(jī)中進(jìn)行。混煉工藝為：生膠、小料和炭黑→壓砣40 s→壓砣30 s→壓壓砣混煉至140 ℃排膠；二段混煉在XM370型密煉機(jī)中進(jìn)行，混煉工藝為：一段混煉膠→壓砣40 s→壓砣混煉至130 ℃排膠；三段混煉在XM270型密煉機(jī)中進(jìn)行，混煉工藝為：二段混煉膠、硫磺和促進(jìn)劑→壓砣30 s→壓砣40 s→壓砣混煉至110 ℃排膠。

試樣在平板硫化機(jī)上硫化。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 硫化特性

表4為未硫化膠硫化特性，采用現(xiàn)行斜交胎內(nèi)胎1#生產(chǎn)配方，分別用裂解炭黑FN660和FN331等量替換N660進(jìn)行小配合試驗(yàn)，替代量分別為30%～50%， 通過(guò) 1#～3#實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看，用 FN660 替代N660，門(mén)尼焦燒和門(mén)尼黏度相應(yīng)增加，隨著替代比例逐漸增加而增大；硫化特性數(shù)據(jù)差異不大。通過(guò)1#、4#和5#看，用FN331 替代N660,門(mén)尼焦燒和門(mén)尼黏度變化不大，隨著替代比例逐漸增加而門(mén)尼焦燒時(shí)間增大；硫化特性數(shù)據(jù)差異不大。

表4 未硫化膠硫化特性

2.2 硫化膠物理機(jī)械性能

表5為硫化膠的物理機(jī)械性能，通過(guò)1#～3#數(shù)據(jù)分析：隨著裂解炭黑替代量的增加，膠料密度略有增加；拉伸強(qiáng)度和硬度逐漸減小，扯斷伸長(zhǎng)率逐漸增加；撕裂強(qiáng)度略微減小，屈撓一致；膠料氣密性明顯改善，30%裂解炭黑用量好于50%用量，但是均好于工業(yè)炭黑。

表5 硫化膠的物理機(jī)械性能

通過(guò)對(duì)1#，4#，5#進(jìn)行數(shù)據(jù)分析：隨著裂解炭黑替代量的增加，膠料密度略有增加；拉伸強(qiáng)度和扯斷伸長(zhǎng)率逐漸增加，硬度逐漸減小；撕裂強(qiáng)度略微減小，屈撓一致；膠料氣密性明顯改善，30%裂解炭黑用量好于50%用量，但是均好于工業(yè)炭黑；FN331拉伸強(qiáng)度好于FN660，老化前后，數(shù)據(jù)對(duì)比前后變化與 工業(yè)炭黑一致。

2.3 大配合試驗(yàn)

大配合試驗(yàn)?zāi)z料試驗(yàn)結(jié)果如表6、表7所示。

表6 大料未硫化膠硫化特性

表7 大料硫化膠的物理機(jī)械性能

從表6、表7可以看出，大配合試驗(yàn)結(jié)果與小配合試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

2.4 成品性能

綜合考量采用FN331替代50%工業(yè)炭黑試驗(yàn)配方膠料試制6.50-16內(nèi)胎，抽取其中兩條內(nèi)胎進(jìn)行成品氣密性實(shí)驗(yàn)和物性試驗(yàn)，2條成品水槽實(shí)驗(yàn)氣密性測(cè)試均合格。由表8可以看出，物理機(jī)械性能均滿足國(guó)標(biāo)要求。

表8 內(nèi)胎成品性能

2.5 經(jīng)濟(jì)效益分析

按現(xiàn)行原材料價(jià)格計(jì)算，F(xiàn)N331約為N660市場(chǎng)售價(jià)50%，依實(shí)驗(yàn)4#配方與原配方相比，膠料可降成本0.3元/kg，按每條內(nèi)胎2 kg，年產(chǎn)1 000萬(wàn)條產(chǎn)量計(jì)算，每年可節(jié)省成本600萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

3 結(jié)論

（1）物理機(jī)械性能方面：內(nèi)胎膠料隨著裂解炭黑的逐漸增加，物性基本保持不變，當(dāng)摻用量占比50%商業(yè)炭黑時(shí)，撕裂強(qiáng)度有一定下降。

（2）氣密性方面：裂解炭黑對(duì)膠料氣密性有利，替代30%的膠料氣密性最好，隨著用量增加氣密性逐漸減小，但均好于商業(yè)炭黑的氣密性。

（3）耐老化性方面，裂解炭黑與商業(yè)炭黑沒(méi)有明顯的差異。

（4）通過(guò)在配方中使用裂解炭黑，既符合“碳中和和環(huán)保”理念，又可節(jié)約材料成本，提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。