稻殼源白炭黑生產及其應用

劉玉強

（昆明學院，昆明650214）

白炭黑是橡膠制品綠色輪胎中不可或缺的橡膠補強劑。目前白炭黑主要是以傳統的石英砂為原料制取，硅資源為不可再生資源，從未來看將逐漸短缺。以稻殼中的生物硅元素來加工生產白炭黑，不僅解決稻谷加工過程廢棄物稻殼環保污染問題，而且還為工業發展提供了可再生資源硅，符合循環經濟的綠色發展模式，具有重大的經濟與社會效益。我國是世界第一大稻谷的糧食生產國，每年稻谷產量在1.93 億t 左右。在稻谷加工大米的生產過程一般副產20%左右稻殼。目前稻殼的傳統利用方式是進行燃燒發電，而燃燒剩余稻殼灰渣主要成分為二氧化硅，將其由一定方法加工生產橡膠補強劑白炭黑（二氧化硅），不僅解決稻殼灰渣的環境污染問題，同時也為橡膠工業發展提供了可持續與循環利用的生物基橡膠補強劑，一定程度緩解了硅資源利用問題。

1 稻殼源白炭黑的生產方法

稻谷是全世界廣泛種植的糧食作物，一般稻殼中含有16%～20%的無定形二氧化硅，在稻殼通過燃燒能源利用后剩余物主要成分二氧化硅灰渣，一般含二氧化硅在90%～95.5%，是白炭黑生產的理想原料。

傳統的白炭黑主要是以高純石英砂為原料來生產。而稻殼源白炭黑生產則是采用稻谷加工剩余副產物稻殼為主要原料，先將稻殼經加工鍋爐分級燃燒和（或）氣化利用能量后，再將稻殼灰渣進行篩分、堿溶和酸析沉淀從稻殼灰渣中提取白炭黑，濾餅渣則經過處理制成活性炭，從而實現了稻殼的再資源化利用[1-2]。稻殼生產橡膠用白炭黑典型生產流程圖如圖1。

圖1 稻殼源白炭黑生產工藝流程圖

2 稻殼源白炭黑的基本性能

白炭黑是橡膠工業中重要補強劑，主要是從可溶性硅酸鹽中通過沉淀而得的以無定形粒子形式存在的材料。因其微觀結構和聚集體形態與傳統的橡膠用炭黑類似且顏色白色，并在橡膠材料應用中與炭黑有相近的補強性能，故稱之為白炭黑。白炭黑又稱沉淀水合二氧化硅，化學式SiO2·nH2O，可溶于苛性堿和氫氟酸，不溶于水，耐高溫，不燃，無毒無味，具有良好的電絕緣性。稻殼源白炭黑與橡膠用白炭黑的技術性能指標見表1[3]。

表1 稻殼源白炭黑與橡膠用白炭黑技術指標對照

3 稻殼源白炭黑在橡膠中的應用

3.1 在天然橡膠中的應用

天然橡膠具有優異的加工應用性能，是輪胎工業的主要橡膠原料。稻殼源白炭黑通過添加在天然橡膠中進行應用，并與高分散白炭黑進行對比，結果表明,稻殼源白炭黑在天然橡膠中的分散性較好，硫化膠的拉伸強度較高，綜合應用性能比目前主要使用的高分散白炭黑明顯提高[4]。應用稻殼源白炭黑尤其適合高性能汽車輪胎要求的在50～80 ℃下是有較小的滯后性，而在-20～0 ℃下表現出較高的滯后性要求，即可降低輪胎滾動阻力和能耗，同時又具有較好的低溫抗濕滑性能。

3.2 在丁苯橡膠中的應用

丁苯橡膠是合成橡膠中用量最大的品種，是與天然橡膠一樣的重要輪胎生產橡膠原料。丁苯橡膠的應用必須靠添加炭黑來補強使用。采用稻殼源白炭黑并添加偶聯劑Si69 在丁苯橡膠中應用結果表明[5]，當添加量達到50 份時，硫化膠拉伸強度達到最大值，Si69用量則以添加2 份為宜，可明顯改善丁苯橡膠的綜合力學性能。如其拉伸強度由10 份時的5.1 MPa 升至50 份時的23.6 MPa，同時300%定伸應力也由1.5 MPa提升至6.4 MPa。它是丁苯橡膠應用優良的補強劑，其補強效果顯著提高。

3.3 在汽車輪胎中的應用

白炭黑是汽車用綠色輪胎中不可缺少的原料之一。汽車輪胎，尤其在胎面膠中添加白炭黑，能夠顯著降低輪胎的滾動阻力，降低燃油使用量，同時具有較好的抗濕滑性能，改善輪胎使用安全性。稻殼源白炭黑通過添加在半鋼絲子午線輪胎胎面膠中試驗表明[6]，與傳統的石英砂源高分散性白炭黑HD175MP 相比，稻殼源白炭黑具有較好的補強性能，由稻殼源白炭黑補強的胎面膠生產的輪胎與正常輪胎相當，滿足產品的使用技術要求。輪胎應用稻殼源白炭黑研究試驗結果表明，如果能在汽車輪胎橡膠中添加10～20 份白炭黑，則可以提高輪胎的膠接性能和抗撕裂性能，不僅延長輪胎的使用壽命，而且增強輪胎的抓地力，有利于行車安全。固特異輪胎公司也宣布其采用稻殼灰制備白炭黑用于生產的節油環保輪胎，經測試得出稻殼源制備的白炭黑對輪胎性能的影響與傳統的白炭黑相同。

4 結束語

稻殼源生物基橡膠用白炭黑材料的出現，為橡膠工業的可持發展提供了一種環保型的橡膠補強劑，同時也為稻殼這個糧食稻谷加工副產物的利用找得了一條新應用路徑，對節約寶貴的硅資源和環境保護將發揮積極作用。隨著稻殼源白炭黑產品生產與應用技術的不斷發展，其在橡膠工業中的應用范圍會越來越廣，而用于綠色輪胎中是其最大的應用市場。由稻殼源白炭黑制成的汽車輪胎，不僅解決了稻殼的環境污染問題，而且原料來源豐富，價格相對較低，是一種市場前景廣闊的環境友好橡膠補強劑，值得國內相關環保和橡膠企業關注與重視。