废轮胎胶粉的应用研究

卢 娜， 辛振祥

（青岛科技大学 高分子科学与工程学院 橡塑材料与工程教育部重点实验室，山东 青岛 266042）

废轮胎胶粉的应用研究

卢 娜， 辛振祥

（青岛科技大学 高分子科学与工程学院 橡塑材料与工程教育部重点实验室，山东 青岛 266042）

胶粉是废轮胎回收利用的主导方向，其生产过程能耗小、无二次污染，且胶粉利用率高，可生产高附加值产品，因此具有广阔的发展前景。废胶粉在橡胶工业、塑料工业和建材领域有着广泛的应用，而且胶粉的有效利用具有一定的环保意义和经济效益。

废旧橡胶；胶粉；橡胶工业；塑料工业；建材领域

0 前言

我国是世界上最大的橡胶消耗国，废旧橡胶的产量居世界首位。据统计，2014年全国仅废旧轮胎的产量就达3.15亿条，约为1135万t。随着汽车工业的迅速发展，全国废旧轮胎的产量持续增加，预计2015年将达到3.3亿条，约1200万t，如此庞大数量的废旧轮胎给环境带来了巨大的负担。因此，合理利用废旧轮胎资源能在一定程度上缓解我国天然橡胶资源短缺、石油资源匮乏的现状，具有建设环境友好型、资源节约型社会的重要意义。对废旧轮胎进行无害化处置并资源化利用，即通过粉碎方式将废轮胎制成胶粉，然后直接使用或者与其他材料复配使用，被认为是最佳的回收利用方式之一。

废轮胎胶粉是指废轮胎通过机械方式粉碎后变成的粉末状物质。胶粉的应用领域是由粒径大小来决定的［1-2］，按照国外标准，通常情况下，粒径为8～20目的废橡胶颗粒被称为胶粒，常用于运动场跑道、道渣垫层、垫板、草坪、铺路弹性层等铺地材料；30～40目为粗胶粉，主要用于生产再生胶、活化改性胶粉、沥青改性、生产阻燃橡胶板（FRR胶板）等；40～60目为细胶粉，主要用于橡胶、塑料改性等；60～80目为精细胶粉，用于汽车轮胎、橡胶制品、建筑材料等；200目以上称为超细胶粉，可用于涂料以及一些高性能橡胶制品中。概括起来，胶粉主要应用于三大领域：一是回归橡胶工业中，二是应用到塑料工业中，三是应用于其他领域，包括建材领域等。

1 橡胶工业

在橡胶工业中，胶粉可以直接利用（即模压成型），制备低性能的橡胶制品；也可与生胶并用，用于轮胎、胶管、胶带等橡胶制品。

废轮胎胶粉是一种具有三维交联网络结构的热固性材料，但同时也存在一些不饱和双键，因此可采用硫磺-促进剂交联体系直接模压成型。另外，废轮胎胶粉的交联键包含单硫、双硫和多硫键，在高温高压条件下，交联网络中的多硫键降解短化，同时主键改性，此时，添加适当结构的亲双烯反应试剂会发生狄尔斯-阿尔德反应（D-A反应）［3］，可实现对多硫键降解的补偿交联。也就是说，胶粉在高温高压条件下发生橡胶的降解与再交联，实现了胶粉的直接反应成型。胶粉模压成型技术的成型方法简单，制成品成本低、性能好，可用于生产各种性能的橡胶制品，应用领域较为广泛。其中低性能制品包括汽车、摩托车挡泥板；各种地面铺装材料，如橡胶地板、地垫和铁路交叉口缓冲垫；各种工业用途的胶板和橡胶杂品；鞋底材料等。高性能制品则包括运动场的塑胶跑道以及地面透水胶垫等［4］。

胶粉在橡胶工业中的另一重要应用领域是与生胶并用，制备各种橡胶制品，实现节约橡胶资源、降低生产成本的目的。

胶粉在橡胶制品中的掺用量除了与制品本身的性能有关外，胶粉的粒径也至关重要。因为粒径越小，其比表面积越大，与橡胶基体之间的相互作用就越大，界面相容性得到改善，得到的橡胶制品的性能就越好。目前，在橡胶工业领域常用的胶粉粒径为28目、40目、60目和80目。60～80目的精细胶粉可被广泛用于轮胎工业，运输带的覆盖胶、底层胶，胶管的内外层胶以及其他橡胶制品。

胶粉直接与生胶并用时其掺用量较少，如精细胶粉在轮胎中的掺用量仅为5～10份。这主要是因为胶粉与其他填料相同，其表面呈惰性，当与基体橡胶材料并用时，表面性质的差异使得两者之间的相容性较差，两相间的界面结合较差，并且胶粉也难以在橡胶基体中均匀分散。为了解决这一难题，有研究者对胶粉进行了活化改性。活化改性不仅改善了胶粉与基体的相容性，而且增加了胶粉的掺用量，进一步降低了成本。陈云坤等［5］实现了胶粉的共轭三组分互穿聚合物网络（CTC-IPN）原位改性，改性胶粉应用于4个生产配方中，即60度车轮料、301料、机车料、天然橡胶/丁腈橡胶6019料（即婴儿车、脚垫料），掺用量为20～70份。研究结果表明，掺用改性胶粉的硫化胶，其力学性能与原配方硫化胶的力学性能持平或优于原生产配方，而与掺用未改性胶粉的硫化胶相比，表现出更优异的综合性能。

总之，橡胶制品中添加胶粉不仅可以节约生胶、降低成本，而且还可以改善胶料的加工性能，同时还可以提高制品的动态力学性能。

2 塑料工业

胶粉有效利用的另一大途径是用于塑料工业。几乎所有热塑性树脂都可以填充胶粉，其中最常用的是聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、氯化聚乙烯、ABS树脂等。胶粉与热塑性树脂的共混物与热塑性弹性体的性能相近，被称为“橡塑体”。掺用胶粉的热塑性树脂可以模压、层压、压延和挤塑成型加工成制品［6］。生产的制品包括防水卷材、农用节水渗灌管、消音板、挡泥板、地面铺设材料、防滑垫、栅栏柱、枕木垫、鞋底、水管和油管、密封条、包装材料、框架、浴缸、水箱、车轮、洒水桶盖等［7］。例如，胶粉与聚乙烯共混，通过模压成型制备高速公路挡音板，具有良好的消音效果；通过挤塑成型制备微孔管材，用于地下管道或农田微渗灌溉，胶粉的加入，提高了制品的弹性和多孔性能。胶粉与聚丙烯共混，制备牲畜厩垫板，成本低且效果好。胶粉与聚氯乙烯共混制备的鞋底，其弹性、耐磨性和防滑性能提高。氯化聚乙烯或聚氯乙烯中掺入胶粉，采用复合压延工艺制备防水卷材，该材料与屋顶基面以及卷材间搭接处具有良好的粘接性，形成不漏水的整体，防水效果好，且低温不脆裂、高温不变形［6］。另外，胶粉掺入到塑料中后也可进行发泡，制备泡沫塑料制品。Zhang Z X 等人［8］利用超临界二氧化碳对聚丙烯/废胶粉进行发泡，得到了具有微孔结构的复合材料。Xin Z X等［9］在化学发泡剂存在的条件下，通过注射工艺制备了聚丙烯/废橡胶微孔材料，该微孔材料的泡孔形态及力学性能与胶粉及化学发泡剂的用量有关。

胶粉在热塑性树脂中的作用取决于胶粉的填充量，当胶粉填充量少于30%时，胶粉起改性剂的作用；当胶粉用量增加到40%～75%时，胶粉的增韧作用明显增加，制备的产品弹性好、强度高、耐磨性好；当胶粉含量高于75%时，塑料在热炼过程中将胶粉粒子粘接在一起；如果胶粉含量继续增加，以致塑料在橡塑体中不足以完全将胶粉粒子粘接，此时制备的橡塑体可进行发泡，制备发泡材料。

胶粉在塑料工业中的广泛应用不仅有效利用了废胶粉，而且还扩大了塑料的应用范围。另外，其材料来源相当丰富，且成本低、加工工艺简单，因此具有广阔的应用前景。

3 建材领域

胶粉可与氯化聚乙烯、聚氯乙烯以多种配方和工艺制得不同档次的防水卷材。该防水卷材属于热塑性产品，加工过程中所产生的边角料可回收利用，价格便宜，有相当的市场竞争力。采用复合压延工艺可制得表面为不同色彩的防水卷材［6］。另外，塑化胶粉用于防水卷材中，可进一步改善防水卷材的挺性、耐低温性和与屋面的粘接性能，也可替代部分高价的SBS等塑料原料，降低成本。

胶粉与沥青、高效乳化剂在一定温度下搅拌乳化，可制成水乳型防水涂料。该涂料安全可靠、成本低，且高温变形小，低温时也有一定的柔性，常用作地下建筑和屋顶防水涂层，以及管道防腐蚀涂料。喷涂工艺上，可采用机械喷涂，不仅效率高，且涂层均一，涂层与基面间的粘接强度高［6］。

胶粉掺入到水泥浆、砂浆中可制备橡胶混凝土。目前，建筑中用的水泥混凝土属于脆性材料，其韧性差、弹性小，抗冲击、抗振性能差。针对以上问题，学者们做了大量研究，其中不乏利用胶粉对水泥混凝土进行改性的研究，并取得了显著的进展。

水泥中掺入胶粉，称为“橡胶水泥”。胶粉、天然集料和水泥浆复合发挥作用，构成混凝土整体。橡胶混凝土是一种复合混凝土技术，它是由有机高分子材料与无机材料相互复合、取长补短而成的，使混凝土向高性能化、功能化方向发展。其中，胶粉作为一种轻质材料掺入到水泥浆、砂浆中，能够减轻构筑物自重；同时，由于胶粉是一种具有三维交联网络结构的弹性体，其自身带有一定的弹性和韧性，能够提高水泥浆、砂浆的韧性，有效改善其抗冲击性和减振性能、减少噪音。

改性胶粉掺入水泥中能够提高其与水泥浆、砂浆之间的结合力度，使橡胶混凝土的强度增加。这主要是因为改性后的胶粉表面产生一定量的亲水基团，增加了胶粉与水泥浆、砂浆之间的相容性，使其能够在无机浆料中形成连续的分散相；且二者之间形成了较强的化学吸附，增加了橡胶混凝土的强度。

胶粉与沥青混合制备的改性沥青，在公路上主要用于铺筑路面的上面层和封层［10］。铺筑路面的上面层时，可以减少路面软化变形和紫外线老化开裂，提高轮胎与路面的抓着力，全面提高路面的使用性能。用作封层（即应力吸收层）时，可抑制路面基层裂缝向上反射。因为胶粉本身是一种弹性材料，在沥青中掺入胶粉后，混合料的弹性明显增加，表现为回弹形变增大、模量减小，从而改善了沥青混合料的应力扩散和应力吸收性能［11］。

胶粉改性沥青的生产方法可分为干法和湿法。干法是先将胶粉加入到集料中，再将形成的混合集料与沥青进行热搅拌，制成混合料。干法改性不需要专门的设备，费用较低［10］。但在该方法中，胶粉仅仅是作为一种填料加入到沥青中，没有起到改性剂的作用，因此生产的改性沥青一致性差，不能成为实际意义上的改性沥青。湿法也称为传统热熔法，是指先将沥青加热到一定的温度，然后边搅拌边加入胶粉，继续搅拌一段时间后即制成胶粉改性沥青的混合料。改性效果与胶粉的粒径有关，胶粉粒子越细，越容易搅拌均匀，且不易发生离析、沉淀现象；相反，胶粉粒子越大，路面弹性越大，致使路面碾压困难，部分路面由于压实不足存在较大的空隙。

目前，胶粉改性沥青还有一种生产工艺，即高剪切法。高剪切法是指将定量的胶粉边搅拌边投入热沥青中，搅拌一段时间后，用胶体磨或用高速剪切机进一步加工，制得高质量的改性沥青。胶体磨或高速剪切机的作用是将胶粉和沥青粒子剪切研磨得很细，使胶粉在沥青中的分散更加均匀，改善了胶粉改性沥青混合料的改性效果及贮存稳定性。胶粉与沥青混融过程中可加入适量的活化剂，如多烷基苯酚二硫化物等，以改善改性效果；但改性剂过量又会造成橡胶过度裂解，不利于改性。

Ouyang C F等［12］在改性沥青中加入二烷基二硫代磷酸锌（ZDDP）来提高抗老化性能，ZDDP作为抗氧剂能够有效捕捉自由基，阻止过氧化物的生成，从而抑制沥青的老化。

崔亚楠等人［13］采用高剪切设备，用30目的废轮胎胶粉对70#沥青进行改性。通过微观结构及热分析表征发现，胶粉与沥青之间通过物理共混及化学反应形成均匀、稳定的共混体系；胶粉颗粒的表面网状结构可以很好地吸附沥青，沥青黏度增大，感温性降低。

刘子兴等人［14］对比了不同细度胶粉改性沥青的各项指标，并指出20目胶粉改性沥青的高温性能优于40目和60目胶粉改性沥青，三者低温性能以及抗疲劳性能则比较接近。

4 结语

胶粉是废轮胎回收利用中最具环保意义和经济效益的方法之一。合理利用废轮胎胶粉不仅成功地将“黑色污染”变为“黑色黄金”，解决了由此带来的环境污染问题，节约了生胶资源，而且有助于改善制品本身的性能，因此具有广阔的应用前景。

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［2］ 张卫昌， 章于川， 钱家盛. 关于如何拓宽胶粉应用的思考［J］.中国资源综合利用， 2007， 25（12）:14-17.

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［责任编辑：朱 胤］

Application Research of Waste Tire Rubber Powder

Lu Na， Xin Zhenxiang
（Key Laboratory of Rubber-Plastic， Ministry of Education， College of Polymer Science and Engineering，Qingdao University of Science and Technology， Qingdao 266042， China ）

Rubber powder is the leading direction of waste rubber tire recycling. Production of waste rubber powder has obvious advantages such as low energy consumption， no secondary pollution，and high value-added products can be produced. Thus， it has a broad development prospects. In this paper， the application of waste rubber powder in the field of rubber industry， plastic industry and building materials are emphatically introduced. The effective utilization of waste rubber powder has better environmental and economic benefi ts.

Waste Rubber； Rubber Powder； Rubber Industry； Plastic Industry； Building Materials

TQ 330.9

B

1671-8232（2015）11-0009-05

2015-09-06

卢娜（1986—），女，青岛科技大学在读博士，研究方向为废旧橡胶循环利用。