高強度環保再生膠在輪胎中的應用探討

錢寒東

[大冢材料科技（上海）有限公司 ，上海 200233]

高強度環保再生膠在輪胎中的應用探討

錢寒東

[大冢材料科技（上海）有限公司 ，上海 200233]

為解決廢舊橡膠的處理困難，以及傳統高溫脫硫的再生膠生產工藝對環境污染的危害，介紹了一種采用高剪切螺桿擠出的無污染環保生產工藝制得的再生橡膠，并通過實驗數據分析，探討了該材料在兩種輪胎胎面膠中應用的可行性。

再生膠；高溫脫硫；環保再生膠；胎面膠；全鋼胎；半鋼胎

0 前 言

中國是一個橡膠應用大國，橡膠的年消耗量居世界第一位；與此同時，中國又是一個橡膠資源嚴重匱乏的國家，年消耗量的60%需要進口，且短時間內很難有根本的解決方案。另一方面，隨著社會的發展，汽車不斷普及，廢舊輪胎大量產生。這是一種再生資源，是新材料領域中的“寶”，甚至可以說是一座掘不盡的金礦。尤其在當前中國橡膠資源緊缺的情況下，廢舊橡膠制品的再生利用更具有積極的意義。自2004年黨的十六屆四中全會提出“大力發展循環經濟，建設節約型社會”以來，中國輪胎循環利用產業獲得了突飛猛進的發展[1]。

然而傳統的高溫動態脫硫生產再生膠工藝不僅能耗大，對環境的污染更為嚴重。這種工藝在生產過程中必須添加化工原料，大多數（其中有幾十種）是對人體是有嚴重毒害的，同時在生產過程中會產生噪聲、粉塵、硫化氫、二氧化硫、煤焦油、苯、甲苯、二甲苯等，危害性顯而易見，所以這種生產工藝已被國家明令禁止[2]。

再生膠可代替部分生膠用于生產各種橡膠制品，或100%使用再生膠生產低檔橡膠制品，這在我國已有幾十年的歷史。由于再生膠的加工工藝性能優良，價格低廉，它的價格只有生膠的三分之一左右，因此得到了廣泛應用。再生膠的優點：

（1）有良好的塑性，易于生膠和配合劑混合，節省工時，降低動力消耗；

（2）收縮性小，能使制品有平滑的表面和準確的尺寸；

（3）流動性好，易于制作模壓制品；

（4）耐老化性好，能改善橡膠制品的耐自然老化性能；

（5）硫化速度快，耐焦燒性好。

據統計，我國再生膠產量已由”十五”期間的600萬t發展到了“十一五”的1225萬t，成為生產大國[3]。然而，作為橡膠用量最大的行業，輪胎行業在對再生膠的應用上一直諱莫如深，很少有知名輪胎生產廠家發表有關再生膠在輪胎中應用的文章。出于輪胎行業安全性要求較高、民用性較廣的因素，對再生膠的應用十分小心謹慎。

用較為先進的雙螺桿擠出法制作了環保再生膠，并通過實驗比較、成本核算，探討該再生橡膠在輪胎胎面膠中應用的可行性。

1 環保再生膠的制作

不同于傳統的再生膠脫硫罐生產技術，雙螺桿擠出技術采用的是雙螺桿或者多階螺桿強力剪切復合脫硫工藝：將廢橡膠粉碎成細小顆粒，再與少量復原劑配合，通過密閉的高剪切螺桿擠出，使原先穩定的碳硫鍵斷裂，并部分置換出游離態的硫，使膠料從網狀結構變成具有可塑性的線性結構，重新賦予膠料流動性[4]。

圖1 環保再生膠的制作工藝流程

可以看出，這種工藝不需要加水、增塑劑等材料，投入多少產出多少，整個過程既沒有廢水產生，也沒有廢氣、廢渣，真正做到了環保生產。只要工藝控制得當，配合合理，可以制得具有如下優點的再生膠：

1）連續化生產，成本較傳統再生膠的低廉；

2）強度更高，且可控性更強；

3）沒有增塑劑，氣味較低；

4）沒有污染，生產過程中不產生廢氣、廢液、廢渣。

那么，這種材料的實際應用情況如何呢？把這種環保再生膠和普通再生膠作一比較，并將其應用在以兩種不同生膠為主的輪胎胎面膠中進行試驗和數據分析。

2 試 驗

2.1 材料

STR20天然膠，泰國進口；環保再生膠，大冢材料科技有限公司；助劑OPRНAZ，大冢化學株式會社；復原劑EDW-3，揚州多肯新材料有限公司；N234炭黑，卡博特公司；白炭黑，無錫確成硅化學有限公司。其他原材料均為橡膠輪胎工業常用材料。

2.2 基本配方

1）再生膠檢驗配方（單位：份）：再生橡膠，300.0；促進劑M，3.0;氧化鋅 7.5；硫磺 4.5。

2）全鋼胎胎面膠配方（單位：份）：天然膠，100.0；炭黑N234，40.0；白炭黑，15.00；Si69，3.00；氧化鋅, 4.00；硬脂酸，2.00；TMQ，1.50；微晶蠟，1.00；6PPD，2.00;硫磺，1.00；TBBS，1.50；CTP，0.15；助劑OPRНAZ，0.25。

3）半鋼胎胎面膠配方（單位：份）：天然膠，20.00；丁苯膠，80.00；白炭黑，55.00；炭黑N234，5.00；Si69，8.00；硬脂酸，0.50；微晶蠟，1.00；6PPD，2.00；硫磺，1.00；TBBS，1.50；CTP，0.15；助劑OPRНAZ，0.25。

2.3 工藝流程

1）塑煉：將天然橡膠和再生膠一起塑煉，薄通五次。

2）混煉：按基本配方稱量材料，在密煉機中煉膠，排膠溫度140～150 ℃，然后在開煉機上加入硫化體系。

3）按照各項測試標準，將膠料做成標準試片，之后測量各項物理性能。

2.4 性能測試

按ASTM D 412 《硫化橡膠和熱塑性橡膠拉伸性能的測定》、ASTM D 2240-2005(2010) 《硫化橡膠邵爾A硬度試驗方法》、 ASTM D 5289-2007a 《橡膠用無轉子硫化儀測定硫化性能》、ASTM D 7121-2005 《硫化橡膠回彈性的測定》、ASTM D 1646-2004《橡膠黏度應力松弛及硫化特性的試驗方法》、GB/T 13460—92《再生橡膠》、Afрs GS 2014：01 Pak 《多環芳烴（PAНS）含量測試》等各項標準進行性能測試。

2.5 主要設備

用到的主要儀器設備有1.5L密煉機，Ф200開放式煉膠機，40T微機控制平板硫化機，ZWICK邵氏A型橡膠硬度計，ZWICK萬能材料試驗機，MONTECН MV3000門尼黏度計，MONTECН D-MDR3000無轉子橡膠硫化流變儀，GOTECН恒溫烘箱，GOTECН AKRON磨耗儀，GOTECН橡膠回彈儀，島津分析天平，儀尊DMA測試儀等。

3 結果與討論

3.1 環保天然橡膠的性能測試

按照天然橡膠的測試標準GB/T 13460—92，采用2.2中的1）配方，將環保再生膠與傳統再生膠在開煉機上加工，做成小樣，并進行性能測試（表1）。

表1 環保再生膠與傳統再生膠性能對比

從表1可以看出，一方面，在多環芳烴含量上，環保再生膠要遠低于傳統再生膠，在實際應用過程中可以表現為制成的產品不會出現明顯變色、溢出、遷移等，因此它的環保意義不僅在于它的生產過程中，也存在這種材料本身的屬性上；另一方面，環保再生膠的拉伸強度和撕裂強度要高于傳統再生膠，膠料的門尼黏度偏高。這是因為傳統再生膠在制作過程中大量使用水、溶劑等添加物，而環保再生膠除了一些復原劑以及助劑外，不再添加其他材料。正是這個原因，環保再生膠的硬度更接近于普通輪胎胎面膠的硬度，而傳統再生膠硬度就比較低。

3.2 環保再生膠對全鋼胎和半鋼胎的硫化性能的影響

將不同含量的再生膠添加在以天然橡膠為主的全鋼胎配方[2.2中的配方2)]和以合成橡膠為主、硬度較低的半鋼胎配方中[2.2中的配方3)]。首先來看它對硫化性能的影響。

從圖2～4可以看出，隨著再生膠在胎面中添加量的增加，焦燒時間會明顯縮短，交聯程度會明顯降低；而在硫化速度方面，以天然橡膠為主的全鋼胎胎面膠的硫化速度變化不大，但以合成膠為主的半鋼胎胎面膠的硫化速度變化較大，大大加快了硫化速度。

圖2 添加再生膠對胎面膠焦燒性能的影響

圖3 添加再生膠對胎面膠硫化特性的影響

圖4 添加再生膠對胎面膠交聯程度的影響

在生產環保再生膠的過程中，復原劑與膠粉作用可以部分置換出一定量的硫化體系，同時復原劑也有一定的促進交聯作用，所以在摻用的過程中會加快膠料硫化和焦燒的速度。

3.3 環保再生膠對全鋼胎和半鋼胎物理性能的影響

通過表1我們可以看出，環保再生膠本身的強度在12 MPa左右，要比普通輪胎胎面膠的強度低很多。所以添加再生膠會不可避免地降低輪胎的物理性能。那么究竟會是怎樣一個情況呢？請見圖5～9。

可以看到，添加再生膠后，胎面膠的強度和回彈性能有一定程度的下降，添加30份該再生膠，性能下降率在20%左右。但是再生膠的添加基本不影響胎面膠的硬度、撕裂和拉斷伸長率等性能。由于在化學斷鏈過程中無法達到100%的復原效果，因此再生膠中不可避免存在著無法交聯的橡膠顆粒，從而降低了膠料的強度和彈性。但20%的下降范圍只要配合得當還是可以很好地滿足輪胎的使用要求的。更何況，硬度、撕裂等性能并沒有受到很大的影響。

圖5 添加再生膠對胎面膠拉伸強度的影響

圖6 添加再生膠對胎面膠硬度的影響

圖7 添加再生膠對胎面膠撕裂強度的影響

圖8 添加再生膠對胎面膠回彈性能的影響

圖9 添加再生膠對胎面膠拉斷伸長率的影響

3.4 環保再生膠對全鋼胎和半鋼胎動態性能的影響

對添加了這種環保再生膠的胎面膠進行了DMA動態試驗，以便在實驗室中測試它在輪胎中的應用效果。

從圖10～11可以發現，添加再生膠并不影響胎面膠的動態玻璃化轉變溫度，但對動態損耗因子tan δ有明顯的影響，其會隨著再生膠添加量的增加而提高，特別是在以天然橡膠為主的全鋼胎胎面膠的配方中表現地較為明顯。也就是說，隨著再生膠添加量的增加，輪胎胎面膠的滾動阻力增加，滾動生熱增加。但是，膠料的抓地力會提升，抗濕滑性能和高速行駛性能均會改善。

圖10 添加再生膠對胎面膠動態玻璃化轉變溫度的影響

圖11 添加再生膠對胎面膠動態損耗因子tan δ的影響

3.5 環保再生膠在全鋼胎中應用的生產成本和性能比較

從企業效益出發，在滿足輪胎安全使用的前提下，在輪胎生產過程中應用再生膠的最大驅動力來自于材料成本的降低。假定輪胎胎面膠的材料成本為15元/kg（僅供參考），添加環保再生膠后，成本與拉伸強度性能的對比如圖12所示。

由圖12可以看到，材料的性能和材料的價格是成正比的。隨著再生膠添加量的增加，膠料的性能會明顯減小，材料成本也會降低。這時，一方面要考慮整個材料的配合，另一方面也要取決產品的性能需求。相關資料表明，在輪胎膠料中使用5份再生膠，能在保證各項性能不變的情況下，適當改善膠料的屈撓性和老化性，以及成品輪胎的高速性、耐久性，并為企業節約大量成本[5]。

圖12 添加再生膠對胎面膠成本與拉伸強度的影響

4 結 語

本實驗證明，在輪胎胎面膠中并用環保再生膠會有如下影響：

（1）加快硫化速度，縮短焦燒時間，交聯密度有一定程度下降。

（2）在物理性能方面，拉伸強度與回彈性會有所下降，硬度、撕裂與拉斷伸長率基本沒有變化。

（3）動態性能方面，雖不影響胎面的玻璃化轉變溫度，但會提高動態損耗因子tan δ，使生熱增加，抓地力提高。

（4）經濟性方面，添加再生膠可明顯降低材料成本。

因此，在輪胎胎面膠中適量添加環保再生膠是可以滿足輪胎基本使用要求的。在使企業獲得一定經濟效益的同時，也可以推動環保再生膠的發展，有利于減少進口依賴、節能減排，為資源循環利用作出貢獻。

參考文獻：

[1] 錢伯章.廢舊輪胎回收利用的現狀與進展[J].現代科技，2008, 34(2)：8-11.

[2] 李興福，徐鶴. 中國廢舊輪胎利用途徑的環境影響評價[J].環境污染和防治, 2010, 32(11)：99-101.

[3] 曹慶鑫.我國再生橡膠工業現狀及發展前景[J].橡膠科技, 2010(16)：1-4.

[4] 馬瑞剛.廢舊橡膠再生技術進展和橡膠的環保再生[J].橡膠科技, 2007(15)：21-24.

[5] 李冬，田小順.再生膠在轎車子午線輪胎側膠中的應用[J].輪胎工業, 2009, 29(2)：105-108.

[責任編輯：朱 胤]

中策橡膠集團實現了德國人最先提出的工業4.0

不久前，新聞聯播播出的一條新聞，為杭州加上了一頂新的“桂冠”——智能制造之城。新聞聯播點贊的這家企業是位于杭州的中策橡膠集團。通過與阿里云合作開展的中策橡膠智能工廠項目，這家國內最大的輪胎制造企業，已經使混煉膠平均合格率有了3至5個百分點的提升。有人驚呼，沒想到德國人最先提出工業4.0，竟然被浙江人率先實現了!今年4月，浙江省信息化工作領導小組發布《浙江省“企業上云”行動計劃(2017)》。指出要通過引導，讓10萬家企業有能力利用最新技術來提升效率，向“云”要發展新動能，加速向智造大省邁進。這一計劃集中體現了當前工業、農業、商業等領域對云計算、大數據、人工智能等新技術的需求。《浙商》記者在采訪中獲悉，阿里云在計劃推出后表示，已經為此聯合生態合作伙伴組建專門服務團隊，利用自身在云計算、大數據、人工智能領域的深厚積累，通過ET工業大腦、ET城市大腦、ET醫療大腦等一系列產品與服務方案，使工農商各領域企業順利實現數字化轉型，挖掘中國制造“1%的威力”。事實上，以中策橡膠、吉利為代表的浙江企業已經在生產制造中感受到了云計算、大數據帶來的技術紅利。

作為杭州市首批“兩化融合”(信息化和工業化)企業，中策橡膠在研發、質檢、生產等產業鏈環節積累了信息數據，但如何有效處理海量數據成為難題。阿里云ET工業大腦自2016年底入駐中策橡膠的生產車間，對中策橡膠生產端的各類數據進行深度學習。以輪胎生產中的主要原材料橡膠為例，中策橡膠每天從全球采購千噸量級的橡膠塊，將橡膠塊合成混煉膠最終進入生產線。不同膠源產地、加工廠、批次等數千個復雜因子都會影響橡膠塊質量，這些因子的相親相斥也直接影響了是否能合成優質的混煉膠。和以往更依托經驗的質檢方式不同，ET工業大腦通過人工智能算法，能在短時間內處理分析每一塊橡膠的出身，匹配最優的合成方案，極大地穩定了混煉膠性能，大大降低在加工環節的成本投入。目前，阿里云已幫助中策橡膠提升混煉膠平均合格率3%～5%。“合格率的提升每年能夠節省千萬級的成本。目前中策已和阿里云策劃更深度的合作，希望通過對輪胎屬性、門店數據等信息的運算分析，對影響產品性能、購買需求的因子進行分析排序，從而對供給端實現進一步優化。”中策橡膠副總經理張利民說。

（轉載自中國橡機網）

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