廢輪胎裂解炭黑的深加工及應用研究

牛勇超

摘要：想要獲得具有優良性能的超細改性裂解炭黑，就應在廢輪胎裂解炭黑的原料基礎上，采取多種工藝技術，例如表面改性、粉碎分級等，以提高優良性能炭黑的產出率。從大量的天然橡膠應用實驗數據中能夠看出，充分利用超細改性裂解炭黑并將其填充至天然橡膠中后所獲得的應用性能極佳，具有較為廣闊的應用前景。

關鍵詞：廢輪胎;裂解炭黑;加工;應用

高溫裂解作為廢舊輪胎的常見處理方式，不僅在原本利用廢舊輪胎的方式基礎上提高了其利用率，其利用質量也在不斷提升，同時生產的各個環節中不會產生對于環境的二次污染。無氧高溫裂解的方式是制取炭黑的主要手段，在900攝氏度的條件下，輪胎此時的橡膠轉化率為55%左右，此種情況下產生的炭黑質量分數在0.06至0.08之間，其密度達到工業炭黑級別，質量較高。隨后在此基礎上，專家學者們經過對技術不斷的改進與實驗研究，發現在加入1%脫硫解塑劑的情況下，使溫度達到350攝氏度至450攝氏度之間能夠獲得裂解的最佳效果，最終形成的炭黑也能夠通過應用標準測定[1];作為當前較為先進的炭黑制取方式，真空蒸餾分解法的應用效果較好，所獲得的炭黑也具有質量佳、穩定性好的特性。但從我國當下的炭黑制取情況看，由于工藝及設備與發達國家之間仍具有一定差距，所獲得的炭黑顆粒具有較粗特征，不僅雜質過多，其表面活性也與應用標準存在著較大差異，十分不利于橡膠產品的二次利用。不僅產生了廢舊橡膠制品大量堆積以至于污染環境的問題，也造成了較大的資源浪費。

1 、裂解炭黑構成與超細化加工流程

1.1裂解炭黑化學組成

結合應用X射線熒光光譜儀針對炭黑性質采取定量分析方式，能夠最終測定其中的雜質組成情況，如表1所示。從表中數據可以看出，其中的雜質組成仍然能夠提取較多的有效物質，例如氧化鎂或是氧化鋅等，這些無機化合物均能夠在后期利用環節中作為硫化促進劑的主要成分，以用于增強硫化機對膠料的交聯程度[2];其中的氧化鋅或是鋅鹽同樣能夠在特定環境狀態下與硫化膠多硫交聯鍵之間發生反應，在使其中原子數大幅度減少的同時，硫化膠也會由于這一因素的影響改變其應力松弛程度，在松弛速度明顯降低的情況下，其對應展現的熱穩定性能反而會同時提升。

1.2裂解炭黑超細化流程

超細化簡單來說就是一般填料轉化為具有功能性的填料種類，這也是針對粉體材料進行深度加工的主要方式。在對其進行超細粉碎的過程中，當前應用的主要有濕法與干法兩種方式，其對應的適用種類與材料特點都有著些許差異。在對原料硬度、粒度以及純度等進行核驗后，最終確定圍繞這一材料進行的裂解炭黑超細粉制作過程采取干法方式。其流程為：首先用規定規格的筒體對材料執行超細化操作，接著將已經處于細化狀態的炭黑放入到超細氣流分級機中，根據預定要求分級轉速[3];在有磨介存在的情況下，其中的炭黑在其中受到了擠壓、打擊等多種外力作用，對炭黑顆粒進行了極為仔細的研磨，從而使得炭黑原有的彈性模量在這種情況下被降低，繼而增大缺陷與裂紋等現象的發生概率，直至其達到細化目的;已經經過粉碎后的炭黑在氣流的輔助下進入到分級機中，由于其中存在較大的離心力，一些具有粒度較大特性的顆粒在后續的制取流程中被拋向容器壁，最終將其排除在外。而具有粒度較小特性的顆粒則由于離心力的存在使得其通過葉片縫隙進入到設備內部，通過這一環節最終獲得了依照顆粒粒度大小為分離基礎的不同炭黑顆粒。

1.3裂解炭黑粒徑

經過分級后的炭黑想要最終達到應用級別仍然需要利用固定規格的透過法力度測定儀用以判斷其粒度與表面積。通過后續的大量實驗，最終得出結論：在相同環境條件下，炭黑顆粒大小受進料速度影響，相較于以旋風捕集的方式，以袋收塵的方式獲得的炭黑顆粒粒徑要更小。在炭黑粒徑較小的情況下，由于表面結合能增大，使得其化學活性也將大大提升。

1.4炭黑表面化學性質

氫和氧是影響炭黑表面化學性質的主要因素，其中的氫主要來源于碳化反應，一般情況下在炭黑粒子內部留存較多;而其中的氧則是由于炭黑與空氣中的氧相接觸后在表面后形成官能團，這也是其在粒子局部表面存在較多的主要原因[4]。一般情況下，經過實驗測定發現，含氧量隨著灰分的增加而升高。炭黑粒子在經過一系列的粉碎處理后，其含氧量也會大大提升，繼而影響炭黑表面的化學性質。

2 、炭黑性質與機理

2.1表面改性

一般情況下裂解炭黑與橡膠之間的界面性質有著諸多差異，其相容性表現極差，因而在應用時難以達到均勻分散的預期效果，在過多填充的情況下反而會對其整體的力學性能產生不良影響。正是由于這一應用缺陷，使得裂解炭黑想要達到應用標準還需要對其表面進行改性，以最大程度的改善其表面特性，進一步提高其與橡膠之間的相容性與分散性，保證其性能符合炭黑應用要求。

2.2改性后的摩擦性質

從實驗數據中能夠提取出有關炭黑的摩擦性質變化信息，裂解炭黑的休止角與粒徑減小之間呈現反比例關系，出現這種情況的主要原因是在粒子粘附性增強的條件下，粒子的摩擦力反而會增大，休止角自然也會同時增大，直至達到平緩狀態[5]。炭黑的摩擦力減小與硬脂酸的加入也有著密切聯系，在其分散性提升的同時，與橡膠產品相融后將會使最終產品具有更為良好的力學性能，質量穩定性也會同時提升。

2.3表面改性機理

硬脂酸作為獲得炭黑表面改性最終效果的關鍵因素，其本質上屬于陰離子表面活性劑的一種，長鏈烷基與羧基的分子特性使得在對裂解炭黑進行表面改性時，有物理與化學兩種形式。其長鏈烷基的特性使得其在與橡膠基料相結合后有著極佳的相容性，橡膠與炭黑也是在這一情況下被緊密相連從而達到預期的炭黑表面改性目的。

3、 填充天然橡膠物理機械性能

想要判斷所得到的炭黑顆粒是否具有良好的應用性能，就必須做與天然橡膠相結合的填充試驗，從而在物理機械性能表現環節對改性的最終效果進行綜合評價，包括其拉伸強度、伸長率以及扯斷永久變形等。經過比較后發現，超細改性炭黑、超細炭黑與改性炭黑，三者之間性能最佳為超細改性炭黑，最差為改性炭黑。超細改性炭黑不僅具有最佳的拉伸強度，其扯斷伸長率與扯斷永久變形等性質相較于改性炭黑來說有明顯提升，符合半補強炭黑的實際應用標準。只需對其配方的部分材料比例稍加改變即可將部分的補強炭黑替換，從而達到降低成本的最終目的。

結語

綜上所述，提高廢輪胎裂解炭黑加工效果主要通過粉碎分級、硬脂酸改性以提高其化學活性，并降低其摩擦力。在獲得裂解炭黑后，需要做對應的天然橡膠加填充實驗，以判斷其各項性能是否符合應用要求，為縮減生產成本、提高其適用范圍奠定基礎。

參考文獻

[1]張一帆.廢橡膠裂解炭性能研究及廢橡膠發電策略研究[D].北京化工大學，2017.

[2]孔美，劉志鵬，李培軍等.炭黑N660/裂解炭黑并用在輪胎氣密層膠中的應用研究[J].橡膠工業，2020，67（4）：282-286.

[3]馮振剛，孫安石，張東陽等.廢橡膠裂解炭黑改性瀝青混合料的黏彈特性研究[J].鄭州大學學報（工學版），2018，39（1）：7-11.