廢舊輪胎熱裂解炭黑在全鋼子午線輪胎中的應(yīng)用研究

張 晨，張進(jìn)生，王 洋，薛 霖，劉立杰，陳曉燕

（1.青島雙星輪胎工業(yè)有限公司，山東 青島 266400；2.雙星集團(tuán)有限責(zé)任公司，山東 青島 266400）

隨著我國汽車工業(yè)的快速發(fā)展，輪胎工業(yè)也進(jìn)入了一個快速增長期，我國已成為世界輪胎生產(chǎn)和消費(fèi)大國。在輪胎大量生產(chǎn)的同時也產(chǎn)生了大量的廢舊輪胎，它們作為固體廢棄物堆積在一起，嚴(yán)重污染環(huán)境，因此廢舊輪胎的回收再利用是一個亟待解決的問題[1-4]。

目前，對廢舊輪胎回收循環(huán)利用最有效、最環(huán)保的方法就是采用熱裂解技術(shù)處理廢舊輪胎[5]，即在無氧和氮?dú)鈿夥障聦U舊輪胎高溫裂解成裂解油、裂解氣和裂解炭黑等。裂解炭黑作為廢舊輪胎裂解的循環(huán)利用產(chǎn)物之一，如果能得到良好的使用，不僅能提高廢舊輪胎裂解產(chǎn)業(yè)的利潤，還能大幅度降低橡膠制品的成本[6-10]。

近年來國家出臺多個政策指導(dǎo)和規(guī)范廢舊輪胎的回收再利用，我公司積極在全鋼子午線輪胎胎面和胎側(cè)等配方中使用熱裂解炭黑并開展應(yīng)用研究工作，探討其代替?zhèn)鹘y(tǒng)商業(yè)炭黑用于輪胎生產(chǎn)降低材料成本的可行性，以促進(jìn)廢舊輪胎的回收再利用。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），SMR20，馬來西亞產(chǎn)品；順丁橡膠（BR），牌號9000，中國石油錦州石化公司產(chǎn)品；炭黑N234和N330、白炭黑，山東聯(lián)科科技股份有限公司產(chǎn)品；熱裂解炭黑，雙星集團(tuán)有限責(zé)任公司產(chǎn)品。

1.2 配方

胎面膠基本配方：NR 80，BR 20，炭 黑N234 43，白炭黑 15，其他 19.1。

胎側(cè)膠基本配方：NR 45，BR 55，炭 黑N330 50，環(huán)保油 8，其他 15.8。

試驗(yàn)配方使用熱裂解炭黑部分替代炭黑N234或N330。胎面膠和胎側(cè)膠試驗(yàn)配方分別如表1和2所示。

表1 胎面膠配方 份

表2 胎側(cè)膠配方 份

1.3 主要設(shè)備和儀器

1.5L BB-1600IM 型密煉機(jī)，日本株式會社神戶制鋼所產(chǎn)品；GK400N型密煉機(jī)，德國克虜伯公司產(chǎn)品；GK270N型密煉機(jī)，益陽橡膠塑料機(jī)械集團(tuán)有限公司產(chǎn)品；BL-6175-AL型高低溫開煉機(jī)，寶輪精密檢測儀器有限公司產(chǎn)品；XLB-D500×500×2型平板硫化機(jī)，浙江湖州東方機(jī)械有限公司產(chǎn)品；PREMIER MV型門尼粘度儀和PREMIER MDR型無轉(zhuǎn)子硫化儀，美國阿爾法科技有限公司產(chǎn)品；WAH17A型邵氏A型硬度計，美國Wallace儀器有限公司產(chǎn)品；Digi testⅡ型高低溫回彈試驗(yàn)機(jī)，德國博銳儀器有限公司產(chǎn)品；GT-70120D型DIN磨耗試驗(yàn)機(jī)，高鐵檢測儀器（東莞）有限公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

小配合采用兩段混煉工藝。一段混煉在密煉機(jī)中進(jìn)行，初始溫度為60 ℃，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為90 r·min-1，混煉工藝為：生膠→炭黑等填料→部分小料→恒溫混膠→排膠。二段混煉在密煉機(jī)中進(jìn)行，混煉工藝為：一段母煉膠→剩余小料→恒溫混膠→排膠，在開煉機(jī)上薄通，下片。

大配合采用兩段混煉工藝，一段混煉使用GK400N型密煉機(jī)，二段混煉使用GK270N型密煉機(jī)。混煉工藝同正常生產(chǎn)工藝。

終煉膠停放8 h后，在平板硫化機(jī)上進(jìn)行硫化，硫化條件為151 ℃×30 min。

1.5 性能測試

膠料各項(xiàng)性能均按相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱裂解炭黑理化分析

熱裂解炭黑的理化分析結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出，熱裂解炭黑的理化分析結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)。從微觀結(jié)構(gòu)上分析，其粒徑大小接近炭黑N234，但其結(jié)構(gòu)度較低，同炭黑N326較接近。

表3 熱裂解炭黑的理化分析結(jié)果

2.2 小配合試驗(yàn)

2.2.1 胎面膠

胎面膠的硫化特性和物理性能分別如表4和5所示。

從表4可以看出：與基本配方膠料相比，1#試驗(yàn)配方膠料的門尼焦燒時間有所延長；隨著炭黑N234用量的增大，試驗(yàn)配方膠料門尼焦燒時間逐漸縮短并短于基本配方膠料；試驗(yàn)配方膠料的t90有縮短現(xiàn)象，但整體變化不大；添加熱裂解炭黑后膠料的硫化速率增大，即硫化速度加快，分析原因主要是由于熱裂解炭黑中含有硫元素等活性成分。

表4 小配合試驗(yàn)胎面膠的硫化特性

從表5可以看出，從基本配方到1#，2#，3#試驗(yàn)配方，膠料的邵爾A型硬度、定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度和耐磨性能都呈現(xiàn)先下降后升高趨勢，撕裂強(qiáng)度變化不大，拉斷伸長率和回彈值在熱裂解炭黑等量替代炭黑N234時最高（1#試驗(yàn)配方）。

表5 小配合試驗(yàn)胎面膠的物理性能

當(dāng)用10份熱裂解炭黑等量替代炭黑N234時，膠料的邵爾A型硬度、拉伸強(qiáng)度和耐磨性能等損失較大；當(dāng)用10份熱裂解炭黑代替4份炭黑N234時，膠料可基本保持基本配方膠料的物理性能，分析其主要原因是熱裂解炭黑的粒徑等微觀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其補(bǔ)強(qiáng)性能不足，需要增加用量來彌補(bǔ)其補(bǔ)強(qiáng)性能。

2.2.2 胎側(cè)膠

胎側(cè)膠的硫化特性和物理性能分別如表6和7所示。

從表6可以看出，與基本配方膠料相比，試驗(yàn)配方膠料的門尼焦燒時間變化不大，硫化速率增大，說明硫化速度有所加快，整體變化不大。

表6 小配合試驗(yàn)胎側(cè)膠的硫化特性

從表7可以看出，與基本配方膠料相比，試驗(yàn)配方A膠料的邵爾A型硬度、定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度均降低，但隨著炭黑N330用量的增大，試驗(yàn)配方B和C膠料性能又開始回升；試驗(yàn)配方膠料拉斷伸長率都有所降低但變化不大；30萬次屈撓均無裂口，與基本配方膠料相當(dāng)。

表7 小配合試驗(yàn)胎側(cè)膠的物理性能

當(dāng)熱裂解炭黑等量替代炭黑N330時，膠料的邵爾A型硬度、拉伸強(qiáng)度和定伸應(yīng)力等性能損失較大；當(dāng)10份熱裂解炭黑代替4份炭黑N330時，膠料的拉伸強(qiáng)度下降最小，其他性能也可滿足要求，說明熱裂解炭黑的補(bǔ)強(qiáng)性能不及炭黑N330，需要增加用量來填補(bǔ)不足。

2.3 大配合試驗(yàn)

2.3.1 胎面膠

胎面膠大配合試驗(yàn)使用3#試驗(yàn)配方與基本配方做對比試驗(yàn)。大配合試驗(yàn)胎面膠的硫化特性和物理性能分別如表8和9所示。

從表8可以看出，與基本配方膠料相比，3#試驗(yàn)配方膠料的門尼焦燒時間和ts2均縮短，硫化速度略快，與小配合試驗(yàn)數(shù)據(jù)有很好的相關(guān)性。

表8 大配合試驗(yàn)胎面膠的硫化特性

由表9可見，相比于基本配方膠料，3#試驗(yàn)配方膠料的密度、老化前后的邵爾A型硬度和定伸應(yīng)力基本均增大，老化前后的拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、回彈值和耐磨性能略有下降，說明熱裂解炭黑比常規(guī)炭黑補(bǔ)強(qiáng)性能略差，與小配合試驗(yàn)數(shù)據(jù)一致。

表9 大配合試驗(yàn)胎面膠的物理性能

2.3.2 胎側(cè)膠

胎側(cè)膠大配合試驗(yàn)使用試驗(yàn)配方C與基本配方做對比試驗(yàn)。大配合試驗(yàn)胎側(cè)膠的硫化特性和物理性能分別如表10和11所示。

從表10可以看出，與基本配方膠料相比，試驗(yàn)配方C膠料的門尼焦燒時間和ts2均縮短，硫化速度比基本配方膠料略快。

表10 大配合試驗(yàn)胎側(cè)膠的硫化特性

從表11可以看出，與基本配方膠料相比，試驗(yàn)配方C膠料的密度、老化前后的邵爾A型硬度和定伸應(yīng)力均增大，老化前后的拉伸強(qiáng)度和回彈值略微下降，老化前30萬次屈撓均無裂口，老化后的耐屈撓性能均下降。

表11 大配合試驗(yàn)胎側(cè)膠的物理性能

2.4 工藝性能

試驗(yàn)輪胎在生產(chǎn)過程中工藝性能正常，各工序無不良問題出現(xiàn)。

2.5 成品性能

為驗(yàn)證熱裂解炭黑在輪胎中的實(shí)際使用性能，選擇8.25R16 16PR輪胎進(jìn)行成品試制，并進(jìn)行成品輪胎室內(nèi)性能和裝車道路測試，結(jié)果分別如表12和13所示。

從表12可以看出：耐久性測試中試驗(yàn)輪胎和正常輪胎跑至144 h均未出現(xiàn)裂口；高速性能測試中試驗(yàn)輪胎累計行駛時間略長，說明熱裂解炭黑在輪胎中實(shí)際使用性能尚可，可滿足室內(nèi)檢測標(biāo)準(zhǔn)。

表12 成品輪胎室內(nèi)性能測試結(jié)果

為評價輪胎實(shí)際室外使用情況，路試評價車輛主要運(yùn)輸水果（標(biāo)準(zhǔn)載荷），每月運(yùn)輸里程為1萬km，其中80%為高速路況，20%為普通鋪裝路面，裝車6個月后進(jìn)行測試。從表13可以看出，與正常輪胎相比，試驗(yàn)輪胎耐磨性能下降約7.5%，胎側(cè)均無龜裂和裂口的出現(xiàn)。按單位磨耗量行駛里程計算，試驗(yàn)輪胎可使用2年9個月。

表13 成品輪胎裝車路試結(jié)果

2.6 成本分析

與基本配方相比，使用熱裂解炭黑的胎面膠3#試驗(yàn)配方每千克膠料可降低成本0.15元；使用熱裂解炭黑的胎側(cè)膠試驗(yàn)配方C每千克膠料可降低成本0.20元。以年產(chǎn)150萬條8.25R16輪胎計算，1年可降低生產(chǎn)成本191.6萬元。

3 結(jié)語

在全鋼載重子午線輪胎胎面膠和胎側(cè)膠配方中使用熱裂解炭黑代替部分正常使用炭黑，膠料的加工安全性、硫化特性、物理性能和工藝性能均可滿足正常生產(chǎn)要求，成品輪胎的耐久性能、高速性能和耐磨性能滿足使用要求而且具有價格優(yōu)勢，有較高的可行性；同時為處理黑色垃圾做出了貢獻(xiàn)，促進(jìn)了廢舊輪胎的回收利用。