废旧轮胎裂解炭黑在橡胶中应用研究

陈新中、蔡强(山东耐斯特炭黑有限公司，山东东营　257506)

一. 前言

废旧轮胎裂解炭黑是以回收的干净的废旧轮胎为基础材料、投入到裂解炉中，在3000C条件下进行裂解，当裂解温度达到4500C时，基本裂解完成，裂解过程中产生的烟气通过冷凝分离，可以得到重油、轻油、裂解气和少量水蒸汽。裂解残渣部分通过磁选器将钢丝分离出来，剩余部分通过粉碎、加入改性剂，再进行造粒、干燥变成裂解炭黑。轮胎裂解炭黑中含有氧化锌、硬酯酸、碳酸钙等物质，还有一些加工助剂、如硫磺、促进剂、防老剂等等，因此其灰份较高，但因其是一种废物利用项目，对环境保护有益，因此值得研究和推广。

二、 实验部分

１. 实验所需材料：

天然橡胶：泰国1#烟片胶

氧化锌：天津科密欧化学试剂有限公司生产

硬酯酸：国药集团化学试剂有限公司

硫磺粉：山东单县尚舜化工有限公司

促进剂DZ：山东单县尚舜化工有限公司

N330炭黑：山东耐斯特炭黑有限公司产品

N339炭黑：山东耐斯特炭黑有限公司产品

NC8515炭黑：山东耐斯特炭黑有限公司产品

废旧轮胎裂解炭黑：青岛双星集团尹斯坦科技公司产品

２. 实验所需仪器

拉力机：上海嘉杰试验仪器有限公司生产

DIN磨耗机：台湾高铁实验仪器公司生产

氮吸附比表面积分析仪：美国麦克公司产品

吸油计：德国布拉本特公司产品

压缩吸油机：中橡炭黑工业设计研究院生产

万分之一天平：梅特勒.托利多分析仪器有限公司

红外水份测定仪：梅特勒. 托利多分析仪器有限公司

着色强度仪：美国HunterAlab公司产品

硫化机：上海化机厂

炼胶机：上海化机厂

烘箱：上海化机厂

振荡机：上海化机厂

３. 实验配方及实验条件

实验以橡胶标准配方作为依据，通过对比N330、N339、裂解炭黑及其混合配方混炼胶的胶料拉伸强度、扯断伸长率、100%定伸应力、300%定伸应力和DIN磨耗数据，分析裂解炭黑对橡胶性能的影响，同时通过对配方中炭黑及裂解炭黑份量的变化研究其性能变化趋势。表一为设计的无机炭黑及炭黑配方试验方案

表1.轮胎裂解炭黑试验方案

二. 实验结果讨论

1. 轮胎裂解炭黑的分析数据

为了了解轮胎裂解炭黑的粒径及结构，我们按照炭黑的分析方法对表征炭黑性能的几个指标进行了分析，分析结果如表2.

表2. 无机炭黑化性分析结果表

小结：通过以上数据的分析，轮胎裂解炭黑的吸碘值类似N339，吸油值类似于N326，氮吸附比表面积类似于N351，但着色强度又类似于软质炭黑N660，可能原因是此炭黑中各种粒径结构的炭黑、碳酸钙等大粒径低结构成份影响，产品中325目筛余物为铁磁性物质，应该是有部分细小钢丝未被除尽，灰份主要是碳酸钙、硬酯酸、氧化锌或陶土等成份，灰份指标将严重影响橡胶的老化性能。

2．轮胎裂解炭黑部分取代传统炭黑性能研究  

为了研究轮胎裂解炭黑的性能，我们分别采用50%N339+50%轮胎裂解炭黑进行混合(以下简称混合炭黑一)，和50%NC8515+50%轮胎裂解炭黑进行混合(以下简称混合炭黑二)，根据炭黑的加合性能计算混合炭黑的化性数据，同时将混合炭黑按标准橡胶配方混炼，分析混炼胶性能，再与N330炭黑的混炼胶性能进行对比，对比结果如表2、表3。

表2.根据炭黑的加合性计算的混合炭黑化性数据表

从上表可以看出：混合炭黑的化学性质如吸碘值、吸油值、氮吸附比表面积与N330类似。

表3. 混合炭黑对橡胶性能影响比较表

由上表可以看出：加入混合炭黑一和混合炭黑二后，填充炭黑的胶料100%定伸应力相对于N330、N339和NC8515均有明显的下降，下降幅度约为30%，300%定伸应力相对于N330和N339下降了5-5.6Mpa，下降幅度约为30%，相对于NC8515炭黑下降了7Mpa，下降了约40%;拉伸强度对比加入混合炭黑后的胶料也有下降，下降幅度约为15%。特别表现在耐磨性上，从DIN磨耗指数上分析，加入混合炭黑的磨耗指数相对于N330和N339下降了约20%，相对于NC8515下降了约30%，且混合炭黑一和混合炭黑二相当，表明混合炭黑中轮胎裂解炭黑虽有一定的补强性，但其补强性明显低于330，虽并用了部分高结构和表面积较高的产品，但仍不能完全达到补强效果，除非并用表面积更高的高结构炭黑。

3  .增加炭黑使用量对橡胶性能影响的研究

为了改善填充炭黑的胶料物理性能，实验采用增加N339炭黑的使用量，减少轮胎裂解炭黑的使用量，即改用配方Q6的用量，即其它材料不变，将N339炭黑的用量增加至66.7%，轮胎裂解炭黑的用量减少至33.3%即66.7%的N339+33.3%的轮胎裂解炭黑进行混合(以下简称混合炭黑三)。同时用配方Q7进行另一个对比实验，即其它原材料不变，仅增加混合炭黑一的用量，将混合炭黑一用量增加至180g研究对填充炭黑的胶料性能影响，其结果如表4.

表4.配方改变后对胶料性能的影响结果

由上表可以看出：在配方中将150gN330改为90gN339和90g轮胎裂解炭黑，分析胶料的性能，发现相对于N330填充的胶料，其300%定伸仍低约15%左右，拉伸强度下降20%，胶料硬度低，但胶料密度上升，伸长率下降，这表明炭黑填加到胶料中达到一定程度，拉伸强度将出现下降，同时因加入轮胎裂解炭黑后，此炭黑补强性能差，但其填充性能良好，增加了胶料密度。耐磨指数未得到明显改善。

在配方中将150g的N330改成100gN339和50g轮胎裂解炭黑，再分析其胶料的性能，发现相对于N330填充的胶料，仍出现300%定伸偏低，拉伸强度偏低，耐磨性不好，但相对于加入180g的混合炭黑三填充的胶料，其300%定伸差异不大，拉伸强度有所上升，伸长率上升，耐磨性变好，表明轮胎裂解炭黑的补强性能较差，只能用做填充剂部分替代N330炭黑。

三．实验结论

1.  轮胎裂解炭黑应用于胶料标准配方中，用较高结构及比表面积的炭黑与轮胎裂解炭黑掺配使用，替代N330时，仍不能与N330性能相差，主要表现在300%定伸定力、拉伸强度，DIN磨耗指数均有不同的下降，表明轮胎裂解炭黑的补强性能较差，无法全部替代最普通的N330炭黑。

2.  当在配方中增加N339和轮胎裂解炭黑的量时，相对于N330炭黑填充的胶料，其300%定伸、拉伸强度和DIN磨耗仍达不到N330的性能，但胶料的密度上升。

3. 当配方中增加N339用量，减少轮胎裂解炭黑用量时，300%定伸、拉伸强度、DIN磨耗有所增加，  但仍不能达到N330的水平，表明裂解炭黑的补强性不佳。

4.  轮胎裂解炭黑的灰份含量较高，其主要成份为二氧化硅、碳酸钙、硬酯酸或化锌等，这些物质受高温或二次混合后不能与橡胶形成有效的交链，影响了补强性的发挥。

5. 针对轮胎裂解炭黑，应该进行有效的改性，将炭黑的粒径进一步降低，同时将其进行活化，有可能会提高其产品性能。