廢舊輪胎裂解炭黑的綜合利用

劉玉強

（昆明學院，云南昆明650214）

炭黑是極其重要的一種橡膠工業原料，在橡膠工業中應用是僅次于生膠使用量的第二位橡膠補強材料。據統計，世界炭黑消費量的89.5%應用于橡膠工業（其中輪胎用占比達67.5%）。輪胎工業的發展源于汽車工業的快速增長，作為汽車行駛的運行部件輪胎在使用至規定里程后將作報廢處理。我國是世界汽車生產與消費大國，在2019年廢舊輪胎的產生量約3.3 億條，如此數量巨大的廢舊輪胎，不僅帶來環境影響和安全隱患，同時也是一種資源的浪費。廢舊輪胎裂解作為廢舊輪胎回收利用的一種處理方式[1]，是解決廢舊輪胎的污染與資源問題的有效途徑之一。在廢舊輪胎裂解過程中，裂解炭黑作為固相產物產生總輪胎膠料含量的35%左右，如何將其作為一種再資源化材料進行綜合利用，對推動廢舊輪胎的資源循環利用意義重大。

1 廢舊輪胎裂解炭黑的基本性能

廢舊輪胎裂解炭黑是將廢舊輪胎高溫裂解過程除去燃料油后的剩余固相物，其具有顆粒聚集度高、表面活性低、結構性低的特點，與傳統的橡膠炭黑性能存在一些差異。了解廢舊輪胎裂解炭黑的特性，可更好指導炭黑綜合利用[2]。廢舊輪胎裂解炭黑一般是在無氧或缺氧的條件下，通過諸如熱介質、微波等加熱方式，使廢舊輪胎中的有機物產生熱裂解逸出揮發性產物后剩余的固相物，經過再加工后制備的炭黑產品。廢舊輪胎裂解炭黑有其獨特性，主要應用性能基本類似于橡膠用炭黑。根據化工行業標準：廢舊輪胎裂解炭黑（HG/T 5459—2008），其主要技術指標見表1[3]。

表1 廢舊輪胎裂解炭黑產品技術指標典型值

廢舊輪胎裂解炭黑由于其原料為廢橡膠高溫裂解時的產物，致使其熱解反應的復雜性與不完全性，在炭黑粒子表面會殘留焦化油、橡膠烴、氧化鋅和白炭黑等，其中與炭黑最大的差異性是灰分含量較高，一般在15%～20%，主要為白炭黑和氧化鋅無機物，可以說，廢舊輪胎裂解炭黑是一種混雜炭黑復合材料。

2 廢舊輪胎裂解炭黑的綜合利用

2.1 在輪胎和橡膠制品工業中的利用

廢舊輪胎裂解炭黑是輪胎橡膠裂解后的回收還原炭黑，盡管其對橡膠的補強性能不如原生炭黑，但可以通過與橡膠配方材料的合理搭配返回應用于輪胎一些組成部件膠料中，生產物美價廉的輪胎產品[4]。在輪胎中使用，一般以部分取代的方式應用（摻混原生的炭黑）為佳。輪胎主要由胎面、胎側、胎體簾布膠、三角膠和內胎部件組成，裂解炭黑可廣泛應用到除要求耐磨性好的輪胎胎面之外的部件膠中使用。對于一些低速應用的如力車輪胎、工程輪胎等，則還可全胎中部分替代炭黑來應用。

除輪胎之外的其他各種橡膠制品，如輸送帶、傳動帶、膠管、工業橡膠制品、鞋類及密封條等制品，都可適量部分加入裂解炭黑使用。由于各種橡膠制品的性能要求與使用條件不同，在產品應用裂解炭黑上，要從生膠選擇硫化體系確定以及各種配合劑的搭配優選添加使用，保證產品的膠料加工性能以及各項物理機械性能符合標準要求。實現橡膠制品成本與性能的綜合平衡，保證產品質量。

2.2 作為色素炭黑的利用

廢舊輪胎裂解炭黑作為色素炭黑的利用主要是作為著色劑應用于塑料、涂料于油墨中[5]。廢舊輪胎裂解炭黑在作為著色劑應用時的色相一般呈藍色相，其有增強高色度視覺的優勢，并表現為良好的使用分散性。盡管在著色力、飽和度和黑度等方面不如傳統色素炭黑，但可以通過表面處理或改性調配彌補其不足，并以其成本的優勢，作為黑色著色劑使用。

炭黑在塑料中作為著色劑主要是用于生產黑色塑料或用于調色。塑料黑色母粒是炭黑著色最常用形式的高濃度著色劑。塑料利用色母粒著色效果優越，其著色塑料色澤均勻、分散性好、色差小、應用簡單方便。同樣在涂料工業中，炭黑可以作為生產黑色涂料或作調色使用。其作為著色劑制黑色涂料用量一般添加量占成膜物質質量的3%～5%，并以粉狀形態來使用。油墨是印刷行業的印刷材料，黑色油墨是印刷用量最大的油墨品種，它由炭黑、連接料和助劑經過充分攪拌，反復研磨，分散均勻而制成的黑色膠粘狀流體。

另外在造紙和建材行業方面還可作為黑色料用著色劑，如種果樹和包裝用的果袋紙中（雙色面）的黑色一面著色紙。

2.3 公路瀝青改性用添加劑

在公路瀝青路面方面，隨著汽車運行的高速化和重載化發展，對公路改性瀝青提出了更高要求。如果在瀝青中添加炭黑進行改性，對瀝青的粘彈性、耐磨性及強度都會有所改善，從而提高公路路面的使用性能[6]。與普通瀝青路面相比，添加炭黑后的改性瀝青可抑制路面升溫時的硬度下降軟化，提高抗紫外線老化性能，耐龜裂性、耐疲勞性以及耐磨性都有提高。又如在聚合物改性瀝青添加炭黑可以提高改性瀝青的停放穩定性，防止瀝青的混溶停放分層，同時又可提高改性瀝青的彈性回復性。改性瀝青添加裂解炭黑應用可克服傳統炭黑改性成本偏高應用受限之不足，裂解炭黑是一種改性瀝青應用的性價比優良添加劑，值得在公路改性瀝青中大量應用。裂解炭黑由于其獨特的性能以及成本優勢，對于瀝青改性應用顯示良好的推廣應用前景，尤其在我國的高原地區應用可以改善瀝青的綜合性能（如抗老化）而提高路面使用壽命，尤其在紫外線照射強度高的青藏高原公路路面使用。

2.4 改性處理生產活性炭

活性炭目前主要是以煤、重質油和植物纖維來先生產出炭素材料，然后再通過活性而成，由于其高度的孔隙結構、大比表面積和高吸附性，被廣泛應用于醫藥、化工、廢水廢氣處理等方面，作為裂解炭黑只要經過改性和活化處理，便可制成活性炭產品。

目前裂解炭黑可采用化學、物理化學和氣體活化等方法活化。根據裂解炭黑本體材料的特點，用一定的改性活化方法處理裂解炭黑使其表面孔隙大小分布及比表面積達到活性炭的要求。廢舊輪胎裂解炭黑通過用硫酸和氫氧化鈉改性處理后制備的活性炭[7]，然后再進行碳化反應制成活性炭，其用于處理工業廢水具有較好的處理效果，可以替代高價格的工業活性炭，實現了裂解炭黑的高值化利用。

2.5 回收利用其中的氧化鋅

氧化鋅是一種重要的工業原料，裂解炭黑其中灰分物質的主要成分以氧化鋅為主（橡膠配方中添加的活性劑），如果將其中的氧化鋅回收利用則可以提高回收炭黑的經濟性[8]。有一種方法是利用有機酸處理裂解炭黑，使裂解炭黑的灰分含量降低而提高炭黑的品質，同時對有機酸處理液再加工得到高附加值氧化鋅產品。這種利用方法比傳統的強無機酸（堿）液處理炭黑提純的優勢明顯，既不破壞炭黑的本體結構，又解決酸（堿）液難以回收問題。冶金行業中含鋅礦產資源日益減少以及品質的降低，尋找新礦源已成為冶金行業關注的熱點，如果廢舊輪胎裂解炭黑中的鋅回收利用，不僅為冶金行業找到了一種新的礦源，同時由于在提氧化鋅之后的純化，使炭黑品質得到全面提高，在經濟上的回收利用價值顯示較大的優勢。

2.6 混配作導電炭黑利用

導電炭黑是炭黑三大種類之一（橡膠、素色及導電炭黑），由于其獨特的導電性能和良好的性價比，廣泛應用于各種導電和防靜電制品，如導電橡膠、塑料涂料、電池、電容器以及煤礦防靜電產品[9]。目前，導電炭黑主要來源有三大類，爐法導電、乙炔炭黑和重油造氣副產碳黑。導電炭黑一般具有粒徑小、結構高、粒子表面粗糙和表面活性大的特點，其導電性主要源于炭黑多核芳烴結構特征。乙炔碳黑是最常用導電炭黑，對比裂解炭黑與之差異主要體現在吸油值與灰分差異上，但是裂解炭黑具有賦金屬導電特性，為導電性的改變可能會起到一些積極作用。導電炭黑制備導電材料，與其應用中使用的基體主材、添加劑等有關，因此，裂解炭黑若通過改性并與適當的基材配合，作為導電炭黑應用是有可能的，需要專門進行研究與開發利用。

3 結語

廢舊輪胎裂解炭黑是輪胎橡膠高溫裂解之后的一種有別于傳統炭黑的新型炭黑材料。由于其結構與性能的特性，決定了其在炭黑應用領域具有一定的適用性和經濟性。在實際應用中可根據產品的實際要求，采用相應的處理方法作為炭黑替代品利用。廢舊輪胎裂解作為我國廢舊輪胎資源循環利用的一個主要方向，對其裂解炭黑通過物理和化學處理使之推廣應用到各個領域，對節約資源與保護環境都具有現實意義。尤其在輪胎與橡膠制品這一炭黑重要應用領域中的研究與開發，值得化工環保與橡膠行業的科技人員重視，使這一寶貴的炭資源實現再利用，推動我國廢輪胎熱裂解循環利用技術的發展。