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  • 廢舊輪胎裂解炭黑在橡膠中應用研究

    山東耐斯特炭黑有限公司

    廢舊輪胎裂解炭黑以廢舊輪胎為基礎材料,在300℃的裂解爐中進行裂解,當裂解溫度達到450℃時,裂解基本完成。過程中產生的煙氣通過冷凝分離,可以得到重油、輕油、裂解氣和少量水蒸氣。通過磁選器將殘渣的鋼絲分離出來,剩余部分通過粉碎、加改性劑,再進行造粒、干燥變成裂解炭黑。輪胎裂解炭黑中含有氧化鋅、硬脂酸、碳酸鈣等物質,還有硫黃、促進劑、防老劑等物質加工助劑,灰分較高,但因其為廢物利用項目,對環境保護有益,值得研究和推廣。

    本研究通過對比加入N330、N339、裂解炭黑及混合配方的混煉膠的拉伸強度、拉斷伸長率、100%定伸應力、300%定伸應力和DIN磨耗,分析裂解炭黑用量對橡膠性能的影響。

    一、試驗

    試驗1.原材料試驗

    天然橡膠,泰國1#煙片膠;氧化鋅,天津科密歐化學試劑有限公司;硬脂酸,國藥集團化學試劑有限公司;硫黃粉,山東尚舜化工有限公司;促進劑DZ,山東尚舜化工有限公司;N330炭黑,山東耐斯特炭黑有限公司;N339炭黑,山東耐斯特炭黑有限公司;NC8515炭黑,山東耐斯特炭黑有限公司;廢舊輪胎裂解炭黑,青島雙星集團伊克斯達科技有限公司。

    2.試驗儀器

    拉力機,美特斯工業系統有限公司;DIN磨耗機,高鐵試驗檢測儀器有限公司;氮吸附比表面積分析儀,美國麥克公司;吸油計,德國布拉本特公司;壓縮吸油機,中橡集團炭黑工業設計研究院;萬分之一天平,梅特勒.托利多分析儀器有限公司;紅外水份測定儀,日本島津AND公司;著色強度儀,美國HunterAlab公司;硫化機,青島鑫城一鳴橡膠機械有限公司;煉膠機,無錫市第一橡塑機械有限公司;烘箱,上海索譜儀器有限公司;振蕩機,金壇市文華儀器有限公司。

    3.試驗配方試驗

    試驗配方見表1。

    表1 ?輪胎裂解炭黑試驗方案 克

    注:硫化條件為145℃×30min。

    二、試驗結果討論

    1.?輪胎裂解炭黑的分析數據

    為了了解輪胎裂解炭黑的粒徑及結構,對炭黑性能進行了分析,結果見表2。

    表2 ?無機炭黑分析結果

    ? ? 通過以上數據的分析,輪胎裂解炭黑的吸碘值類似N339(國家標準中值為90),吸油值類似于N326(國家標準中值為72),氮吸附比表面積(國家標準中值為71)類似于N351,但著色強度又類似于軟質炭黑N660(大多在50左右),可能是因為此炭黑中含各種粒徑結構的炭黑、碳酸鈣、硬脂酸及輪胎加工助劑等大粒徑低結構成分,產品中325目篩余物為鐵磁性物質,應該是有部分細小鋼絲未被除盡,灰分主要是碳酸鈣、硬脂酸、氧化鋅或陶土等成分,灰分指標將嚴重影響橡膠的老化性能。

    2.輪胎裂解炭黑部分取代傳統炭黑性能研究

    為了研究輪胎裂解炭黑的性能,根據炭黑的加合性能計算混合炭黑的理化數據,同時將混合炭黑按標準橡膠配方混煉,分析混煉膠性能,再與N330炭黑的混煉膠性能進行對比,對比結果見表2、表3。

    表3 ?根據炭黑的加合性計算的混合炭黑物化性質

    從表3可以看出,混合炭黑的部分物化性質如吸碘值、吸油值、氮吸附比表面積與N330類似。

    表4 ?混合炭黑對橡膠性能影響對比情況

    由表4可知,Q4、Q5膠料的100%定伸應力相對于N330、N339和NC8515均有明顯下降,下降幅度約為30%;300%定伸應力應力相對于N330和N339下降了5~5.6Mpa,下降幅度約為30%,相對于NC8515炭黑下降了7Mpa,下降了約40%;拉伸強度對比加入混合炭黑后的膠料,下降幅度約為15%。;加入混合炭黑的DIN磨耗指數相對于N330和N339下降了約20%,相對于NC8515下降了約30%,且配方Q5中混合炭黑和配方Q6中混合炭黑相當,表明混合炭黑中輪胎裂解炭黑雖有一定的補強性,但其補強性明顯低于N330炭黑,輪胎裂解炭黑雖并用了部分高結構和較高比表面積的其他炭黑產品(如N339和或NC8515),但仍不能完全達到補強效果,除非并用比表面積更高和結構度更高的炭黑(如N234或N134)。

    3. 增加炭黑用量對橡膠性能影響的研究

    配方Q7通過增加N339 用量、減少輪胎裂解炭黑用量,改善填充炭黑的膠料物理性能,結果見表5。

    Q7配方為90克N339和60克輪胎裂解炭黑。通過分析膠料的性能,發現相對于N330填充的膠料,其300% 定伸應力仍降低約13%,拉伸強度相差15%,膠料硬度低,但膠料密度上升,這表明炭黑填加到膠料中達到一定程度,拉伸強度先出現上升到一定值后將出現下降,同時因加入輪胎裂解炭黑后,此炭黑補強性能差,但填充性能良好,增加了膠料密度,耐磨指數未得到明顯改善。

    Q7 膠料與Q6 膠料相比,300% 定伸應力差異不大,拉伸強度有所上升,伸長率上升,耐磨性變好,表明輪胎裂解炭黑的補強性能較差,只能用作填充劑部分替代330炭黑。

    三、結論

    1. 輪胎裂解炭黑應用于膠料標準配方中,用高結構、高比表面積的炭黑與輪胎裂解炭黑摻配不能完全替代N330 炭黑,混煉膠的300% 定伸應力、拉伸強度、DIN 磨耗指數均出現下降,補強性能較差。

    2. 在配方中增加N339 和輪胎裂解炭黑用量(見Q6),混煉膠的拉伸強度、300%定伸應力和DIN磨耗仍達不到N330 的性能,但膠料密度變大。

    3. 配方中增加N339用量、減少輪胎裂解炭黑用量(見Q7)時,膠料的拉伸強度、300%定伸應力和DIN磨耗較Q4配方有所增大,但仍未達到加入N330的水平,表明裂解炭黑的補強性不佳。

    4. 輪胎裂解炭黑的灰分含量較高,灰分主要成分為二氧化硅、碳酸鈣、硬脂酸、氧化鋅等,這些物質因在第1 次使用過程中已與輪胎的其他成分發生作用,回收時已失去全部或部分活性,在膠料混煉過程中不能再發生反應,無法與橡膠分子鏈形成有效交聯,影響了補強性的發揮。

    5. 輪胎裂解炭黑應在生產過程中進行有效改性,降低其炭黑粒徑,并進行表面活化以提高其產品性能。

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