環(huán)保顆粒再生橡膠生產(chǎn)與應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景

唐 帆，聶衛(wèi)云，路麗珠

（1.安徽世界村新材料有限公司，安徽 馬鞍山 243000；2.安徽世界村智能裝備有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

橡膠資源屬于繼石油、鐵礦石和有色金屬等工業(yè)原料之后的第四大戰(zhàn)略資源。隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，我國(guó)已成為橡膠資源的消費(fèi)大國(guó)之一。目前，我國(guó)橡膠年均消費(fèi)量占世界橡膠總消費(fèi)量的30%。每年我國(guó)橡膠制品所需的70%以上的天然橡膠、40%以上的合成橡膠需要進(jìn)口，橡膠資源的短缺問(wèn)題對(duì)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響日益顯現(xiàn)[1-2]。

我國(guó)廢舊輪胎以年均8%～10%的速度增加，目前廢舊輪胎產(chǎn)生量已居全球第一。廢舊輪胎作為一種需占用大量環(huán)境空間的廢棄物，難以壓縮、收集和分解消除，且含有鉛、鎘等有害物質(zhì)，長(zhǎng)期堆放不僅造成嚴(yán)重的環(huán)境污染與資源浪費(fèi)問(wèn)題，還會(huì)引發(fā)火災(zāi)，帶來(lái)安全風(fēng)險(xiǎn)[3-4]。

我國(guó)天然橡膠和石油資源嚴(yán)重缺乏，因此利用廢舊橡膠生產(chǎn)再生橡膠部分替代生膠以緩解橡膠資源短缺問(wèn)題已成為一種重要手段。再生橡膠已成為繼天然橡膠、合成橡膠之后的第三大橡膠原料[5-6]。大力推進(jìn)廢舊輪胎的綠色高效循環(huán)再利用，對(duì)消除廢舊橡膠帶來(lái)的“黑色污染”及緩解我國(guó)橡膠資源的短缺問(wèn)題，進(jìn)一步發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、建立節(jié)約型社會(huì)意義重大。

1 再生橡膠行業(yè)現(xiàn)狀

目前廢舊輪胎再利用包括翻新、切碎用于發(fā)電燃料、化學(xué)裂解回收炭黑和燃料油、制成膠粒和再生橡膠等多種途徑。再生橡膠是我國(guó)廢舊橡膠主要回收循環(huán)利用方式。我國(guó)再生橡膠行業(yè)存在以下問(wèn)題：許多企業(yè)規(guī)模小、裝備落后、綜合實(shí)力不強(qiáng)，轉(zhuǎn)型升級(jí)能力弱；行業(yè)管理相對(duì)薄弱，尚未建立起運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)范的回收體系，技術(shù)水平相對(duì)較高的企業(yè)很難獲取足夠的生產(chǎn)所需廢舊輪胎資源；產(chǎn)品技術(shù)、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不完善，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，影響了市場(chǎng)開(kāi)拓和行業(yè)有序發(fā)展；普遍缺乏技術(shù)研發(fā)手段和研發(fā)力量，科技創(chuàng)新能力不足，轉(zhuǎn)型發(fā)展困難大[7-10]。

近年來(lái)，許多企業(yè)和高校在螺桿擠出法自動(dòng)化、智能化生產(chǎn)再生橡膠研究進(jìn)程中做出了一定貢獻(xiàn)，對(duì)傳統(tǒng)塑化機(jī)、脫硫罐也進(jìn)行了大幅改進(jìn)，但都未從根源上真正解決再生橡膠的環(huán)保問(wèn)題，即都需要添加化學(xué)助劑才能實(shí)現(xiàn)廢舊橡膠的脫硫再生[11-15]，傳統(tǒng)技術(shù)的主要問(wèn)題表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面。

（1）高污染、高排放量。傳統(tǒng)高溫高壓動(dòng)態(tài)脫硫法生產(chǎn)再生橡膠，間歇生產(chǎn)、安全性差、能耗高且易產(chǎn)生嚴(yán)重二次污染等，河北唐山、山東東營(yíng)、山西平遙等再生橡膠主要生產(chǎn)地大氣污染問(wèn)題非常嚴(yán)重，環(huán)保局已組建工作組集中整治。

（2）生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定性差。常壓連續(xù)塑化法生產(chǎn)再生橡膠存在裝置運(yùn)行不穩(wěn)定、易粘料堵料、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。

（3）產(chǎn)品力學(xué)性能低且不環(huán)保。傳統(tǒng)脫硫技術(shù)對(duì)物料主要起加熱作用，物料粒子受熱不均勻，影響再生橡膠的力學(xué)性能，由于添加相應(yīng)化學(xué)助劑，導(dǎo)致產(chǎn)品橡膠烴含量低、多環(huán)芳烴含量超標(biāo)。

（4）產(chǎn)品化學(xué)性能不穩(wěn)定。傳統(tǒng)技術(shù)攻關(guān)僅改進(jìn)設(shè)備，未真正改變化學(xué)脫硫方式，添加的化學(xué)助劑會(huì)在產(chǎn)品中繼續(xù)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，影響產(chǎn)品性能。

因此，在日益嚴(yán)峻的環(huán)保壓力和我國(guó)橡膠資源短缺的形勢(shì)下，迫切需要發(fā)展環(huán)保顆粒再生橡膠新技術(shù)，消除再生橡膠生產(chǎn)過(guò)程中帶來(lái)的二次污染問(wèn)題，這對(duì)于再生橡膠行業(yè)的綠色、健康、可持續(xù)發(fā)展具有重大的社會(huì)意義，同時(shí)符合國(guó)家節(jié)能減排、循環(huán)經(jīng)濟(jì)的重大戰(zhàn)略需求[16-18]。

2 環(huán)保顆粒再生橡膠生產(chǎn)技術(shù)

環(huán)保顆粒再生橡膠生產(chǎn)技術(shù)采用全自動(dòng)化聯(lián)動(dòng)破碎線，以膠粒代替膠粉，以機(jī)械法代替化學(xué)法，攻克了環(huán)保技術(shù)瓶頸，是一條成熟的智能化、模塊化、連續(xù)化、清潔化的再生橡膠生產(chǎn)工藝路線[19-20]。

2.1 再生機(jī)理

廢舊橡膠綠色節(jié)能高值化機(jī)械再生機(jī)理包括鍵能差理論和彈性因數(shù)差理論[21-23]。

首先根據(jù)鍵能差，通過(guò)施加能量，選擇性地打斷交聯(lián)鍵，由于C—C鍵、C—S鍵和S—S鍵的鍵能不同，通過(guò)合理設(shè)計(jì)機(jī)械元件不同區(qū)段的溫度，廢舊橡膠在熱作用下反應(yīng)從而選擇性地?cái)噫湣?/p>

其次，利用C—C鍵、C—S鍵和S—S鍵之間的彈性因數(shù)差別，即通過(guò)對(duì)機(jī)械元件的不同組合與機(jī)械轉(zhuǎn)速調(diào)控，控制對(duì)廢舊橡膠施加剪切力的強(qiáng)弱，起到最佳的再生效果。然而，剪切作用下S—S鍵更易斷鏈，其內(nèi)部S—S鍵的數(shù)量遠(yuǎn)少于C—C鍵，很難保證僅通過(guò)施加高剪切力選擇性地?cái)嗔呀宦?lián)鍵。在高溫條件下，高剪切作用破壞交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，易導(dǎo)致橡膠主鏈發(fā)生歧化反應(yīng)，主鏈降解嚴(yán)重。高溫和高剪切的再生條件雖能高效破壞廢舊橡膠的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但由于大量主鏈降解，導(dǎo)致力學(xué)性能大幅降低。

因此，如何選取最佳再生條件對(duì)應(yīng)的最佳工藝參數(shù)，有效平衡溫度和剪切力對(duì)廢舊橡膠三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高效破壞且盡可能地保護(hù)主鏈不被破壞至關(guān)重要。

2.2 生產(chǎn)技術(shù)優(yōu)勢(shì)

2.2.1 原材料拓展

選用2～10 mm廢橡膠顆粒替代傳統(tǒng)425～850 μm（20～40目）膠粉作為原材料，打破了僅用膠粉才能生產(chǎn)出再生橡膠的傳統(tǒng)觀念，該技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)為：省去傳統(tǒng)磨粉工序，節(jié)能約30%；廢橡膠顆粒與機(jī)械元件擠壓產(chǎn)生強(qiáng)剪切力，而膠粉與機(jī)械元件作用難以產(chǎn)生剪切力，廢橡膠顆粒更易于機(jī)械斷硫再生[24]。

2.2.2 不添加化學(xué)助劑

環(huán)保顆粒再生橡膠生產(chǎn)技術(shù)在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中不添加任何化學(xué)助劑，僅借助機(jī)械元件對(duì)廢橡膠顆粒的強(qiáng)剪切作用，以及機(jī)械元件與廢橡膠顆粒的摩擦產(chǎn)生熱量，即熱/機(jī)械剪切作用斷硫再生。通過(guò)有效控制相關(guān)工藝參數(shù)來(lái)平衡溫度和機(jī)械剪切作用對(duì)廢橡膠顆粒中含硫鍵的選擇性破壞，盡可能保持主鏈結(jié)構(gòu)不被破壞或少被破壞，選擇性地破壞其三維交聯(lián)結(jié)構(gòu)，使廢舊橡膠再生。與傳統(tǒng)再生橡膠再生技術(shù)相比，環(huán)保顆粒再生橡膠生產(chǎn)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)為：不添加任何化學(xué)助劑輔助脫硫再生，借助機(jī)械剪切作用和摩擦所產(chǎn)生的熱量共同實(shí)現(xiàn)再生。

2.2.3 能耗低

采用綠色節(jié)能高值化機(jī)械再生利用技術(shù)取代傳統(tǒng)的高溫高壓反應(yīng)罐及多臺(tái)開(kāi)放式高速精煉機(jī)生產(chǎn)工藝，噸能耗≤2.340×109J，比傳統(tǒng)工藝能耗降低20%左右，遠(yuǎn)低于現(xiàn)噸能耗3.096×109J和《中國(guó)橡膠行業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃指導(dǎo)綱要》噸能耗2.808×109J，節(jié)能效果明顯。

2.2.4 安全

綠色節(jié)能高值化機(jī)械再生利用技術(shù)采用綠色節(jié)能高值化機(jī)械瞬間還原技術(shù)，生產(chǎn)過(guò)程保持在常壓中溫條件下進(jìn)行，與傳統(tǒng)脫硫罐生產(chǎn)再生橡膠工藝相比，不存在傳統(tǒng)高溫高壓反應(yīng)罐的高壓危險(xiǎn)、高速開(kāi)放式精煉機(jī)的人員操作危險(xiǎn)、有害氣體對(duì)操作工人身體的危害等安全隱患。

2.2.5 密閉環(huán)保

綠色節(jié)能高值化機(jī)械再生利用技術(shù)生產(chǎn)全過(guò)程均在密閉條件下完成，無(wú)膠料散落，整條生產(chǎn)線內(nèi)部不會(huì)產(chǎn)生堵料現(xiàn)象，保證了工作環(huán)境的清潔化，同時(shí)生產(chǎn)過(guò)程無(wú)廢水排出，少量廢氣經(jīng)有效集中收集處理后排放，排放量較傳統(tǒng)工藝降低95%以上，達(dá)到并優(yōu)于GB 3095—2012《環(huán)境空氣排放標(biāo)準(zhǔn)》和GB 16297—1996《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

2.2.6 自動(dòng)化控制

采用先進(jìn)模塊化設(shè)計(jì)理念和新型智能化集中控制技術(shù)，從廢橡膠顆粒到最終再生橡膠產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)全生產(chǎn)過(guò)程溫度、轉(zhuǎn)速、加料等工藝流程的自動(dòng)化、智能化控制，萬(wàn)噸級(jí)產(chǎn)能每班用工為2—3人，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)勞動(dòng)密集型的用工人數(shù)（《中國(guó)橡膠行業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃指導(dǎo)綱要》中用工約每班10人）。相同產(chǎn)能下，綠色節(jié)能高值化機(jī)械再生利用技術(shù)占地面積僅為傳統(tǒng)工藝的1/3，符合國(guó)家智能制造2025發(fā)展規(guī)劃。

2.3 產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)

2.3.1 性能

廢橡膠顆粒原料來(lái)源穩(wěn)定，統(tǒng)一選用直徑≥900 mm的全鋼子午線輪胎作為原料，采用先進(jìn)的全自動(dòng)破碎聯(lián)動(dòng)生產(chǎn)線，得到環(huán)保、均勻的廢橡膠顆粒。綠色節(jié)能高值化機(jī)械再生利用技術(shù)通過(guò)有效控制溫度、轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)，得到的再生橡膠產(chǎn)品性能穩(wěn)定且優(yōu)異，經(jīng)第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)，相關(guān)性能指標(biāo)為：密度 1.18 Mg·m-3，邵爾A型硬度 55～58度，門尼粘度[ML（1＋4）100 ℃]60～70，拉伸強(qiáng)度 11～12 MPa，拉斷伸長(zhǎng)率 350%～380%，符合GB/T 13460—2016《再生橡膠 通用規(guī)范》的指標(biāo)要求；多環(huán)芳烴含量為122.7 mg·kg-1，重金屬等有害物質(zhì)含量極低，符合T/CRIA 21001—2018《E系再生橡膠》與歐盟REACH法規(guī)要求。

2.3.2 存放與加工

與傳統(tǒng)塊狀再生橡膠相比，顆粒再生橡膠在存放和加工中的優(yōu)勢(shì)為：避免了傳統(tǒng)塊狀再生橡膠堆放時(shí)不易散熱、門尼粘度易增大、產(chǎn)品力學(xué)性能降低等缺點(diǎn)；無(wú)需傳統(tǒng)塊狀再生橡膠再破碎的過(guò)程，易混煉、能耗低、使用方便，可進(jìn)一步降低下游企業(yè)的生產(chǎn)成本[25-26]。

2.3.3 應(yīng)用領(lǐng)域

我國(guó)再生橡膠主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)榱囂ズ推囕喬ィ急燃s為70%；橡膠制品領(lǐng)域占比約為10%，膠管膠帶領(lǐng)域占比約為15%，膠鞋領(lǐng)域占比約為5%。我國(guó)廢舊橡膠資源循環(huán)再利用領(lǐng)域正變得越來(lái)越廣。

雖然再生橡膠的各項(xiàng)性能與生膠有一定差距，但通過(guò)部分替代生膠，可以在一定程度上降低生膠用量；在部分低檔橡膠制品中，再生橡膠也可單獨(dú)使用。此外，生膠中摻入部分再生橡膠，可有效改善膠料的工藝性能[27-28]。

與傳統(tǒng)再生橡膠相比，環(huán)保顆粒再生橡膠的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)如下。

（1）環(huán)保顆粒再生橡膠加工方便、性能穩(wěn)定且環(huán)境友好，可用于環(huán)保要求較高的高檔汽車輪胎。

（2）環(huán)保顆粒再生橡膠可替代部分天然橡膠，降低成本，同時(shí)不會(huì)給人體健康帶來(lái)危害，目前已成為歐美發(fā)達(dá)國(guó)家流行的新型環(huán)保材料，可用于運(yùn)動(dòng)鞋、橡膠地板、橡膠類兒童玩具等與人接觸較多的領(lǐng)域。

（3）環(huán)保顆粒再生橡膠不僅生產(chǎn)成本低且解決了橡膠資源的循環(huán)利用問(wèn)題，不會(huì)對(duì)環(huán)境帶來(lái)二次污染，可用于貨車輪胎、力車胎、膠管膠帶及各類橡膠雜件。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著再生橡膠工業(yè)的崛起，廢舊輪胎資源循環(huán)再利用產(chǎn)生的效益明顯，歐美國(guó)家也在探索突破再生橡膠工業(yè)的環(huán)保瓶頸[29]。

目前我國(guó)橡膠行業(yè)正在推動(dòng)打造節(jié)能、減排、循環(huán)經(jīng)濟(jì)、綠色再生橡膠的示范生產(chǎn)線，建議環(huán)保顆粒再生橡膠盡快實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化并應(yīng)用推廣，向上下游延伸，形成一個(gè)完整的資源化、無(wú)害化、綠色化、高值化廢舊橡膠循環(huán)再利用生態(tài)圈，實(shí)現(xiàn)廢舊橡膠綜合利用的創(chuàng)新[30-31]，充分利用“互聯(lián)網(wǎng)＋”資源平臺(tái)發(fā)展契機(jī)，加速推行我國(guó)再生資源回收與循環(huán)利用體系的完善，引領(lǐng)推動(dòng)再生資源產(chǎn)業(yè)國(guó)際間技術(shù)交流與合作，推進(jìn)國(guó)家“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略。