裂解炭黑在叉车轮胎胎面胶中的应用

马立成，韩理理，魏玉山，冷 帅，孟德赢，肖清晨，唐效武，薛 霖

（1.青岛伊克斯达科技有限公司，山东 青岛 266400；2.青岛双星轮胎工业有限公司，山东 青岛 266400）

近年来，我国每年产生的废旧轮胎数量正以8%～10%的速度急剧增大，2020年我国废旧轮胎产生量将达到2 000万t[1]。废旧轮胎具有较强的抗生物、耐热和抗机械性能，难以自然降解，长时间存放于自然界会造成严重污染，被称为“黑色污染”，将带来严重的环境和社会问题[2-4]。

在废旧轮胎热裂解过程中，固相馏分和液相馏分最多，固相馏分占轮胎质量的30%～40%[5]，即为裂解炭黑（CBp），其来源是轮胎生产过程中的炭黑和添加了锌、钙、硅等无机元素的混合物以及在轮胎裂解过程中生成的碳质沉积物（二次反应的结果）。这种组成成分使CBp不同于炭黑，限制了CBp在商业市场中的应用。原料和裂解加工条件等工艺程序的差异可能会导致出现不同等级的CBp[6]。根据E.L.K.Mui等[7]的研究，CBp最直接的用途之一是生产活性炭。另一方面，尽管CBp的燃烧速度慢，但也可以用作固体燃料。此外，还进行了一些脱矿处理以去除无机物和碳质沉积物，从而得到具有类似炭黑性质的CBp[8-9]。

传统炭黑是通过烃类化合物的部分氧化而形成，因此生产过程中产生了大量的二氧化碳和多环芳烃（PAHs），它们的排放不仅影响环境，而且影响人体健康[10]。每生产1 kg炭黑，二氧化碳的排放量约为5.7 kg[11]。在全球变暖的过程中，人们已经认识到排放到环境中的每吨炭黑产生的含碳悬浮物相当于330～2 240 kg二氧化碳。同样，国际癌症研究机构将PAHs定义为致癌物质，因此人们产生了通过裂解从废旧轮胎中回收炭黑的想法，并希望将CBp用于橡胶制品及其他碳质材料的生产。尽管CBp与炭黑的差异很大，但以CBp部分替代炭黑在橡胶配方中应用仍有很大的潜力[12-15]。

本工作主要研究CBp替代传统炭黑N550在叉车轮胎胎面胶中的应用。

1 实验

1.1 主要原材料

天然橡胶（NR），SMR20，马来西亚产品；CBp，青岛伊克斯达科技有限公司产品；炭黑N550，欧励隆工程炭公司产品；炭黑N330，江西黑猫炭黑股份有限公司产品；硫黄，青岛城阳双埠硫黄厂产品；促进剂TBBS，科迈化工股份有限公司产品。

1.2 试验配方

试验配方如表1所示。

表1 试验配方 份

1.3 主要设备和仪器

BB-L1600IM型密炼机，日本神户制钢株式会社产品；FL-6175-AL型开炼机，东莞宝轮有限公司产品；平板硫化机，浙江湖州东方机械有限公司产品；MV2000E型门尼粘度仪、MDR2000型硫化仪和炭黑分散仪，美国阿尔法科技有限公司产品；电子万能材料试验机，美国英斯特朗公司产品；自动比重计，瑞士赛多利斯公司产品；邵氏A型硬度计，英国华莱士公司产品；阿克隆磨耗试验机，中国台湾高铁检测仪器有限公司产品；扫描电子显微镜（SEM），美国FEI公司产品。

1.4 试样制备

胶料采用两段混炼工艺在密炼机中进行混炼。一段混炼工艺为：生胶和小料→混炼25 s→炭黑→混炼60 s→排胶（160 ℃）；二段混炼工艺为：一段混炼胶→混炼20 s→硫黄和促进剂→混炼40 s→排胶（110 ℃）。胶料在开炼机上下片。

胶料在平板硫化机上硫化，硫化条件为151℃×15 min。

1.5 性能测试

各项性能均按照相应的国家标准进行测试。

2 结果与讨论

2.1 理化分析

CBp的理化分析结果如表2所示。

表2 CBp的理化分析结果

从表2可以看出，CBp的各项理化性能均符合指标要求。

2.2 硫化特性

胶料的硫化特性如表3所示。

表3 胶料的硫化特性

从表3可以看出：随着CBp用量的增大，胶料的门尼粘度逐渐减小，2#—4#配方胶料的门尼焦烧时间先延长后缩短，5#配方胶料的门尼焦烧时间明显缩短；与3#配方胶料相比，5#配方胶料的门尼焦烧时间缩短，Fmax增大；3#配方胶料的硫化特性（t90除外）与1#配方胶料接近。

2.3 物理性能

硫化胶的物理性能如表4所示。

表4 硫化胶的物理性能

从表4可以看出：与1#配方胶料相比，2#—4#配方胶料的密度增大，说明CBp的密度偏大，定伸应力和拉伸强度减小；随着CBp用量的增大，胶料的炭黑分散度逐渐减小，拉断伸长率和撕裂强度增大；与1#配方胶料相比，2#—5#配方胶料的阿克隆磨耗量增大。国家标准要求叉车轮胎胎面胶的阿克隆磨耗量不大于0.4 cm3，除4#配方胶料外，其他配方胶料的阿克隆磨耗量均满足国家标准要求。改性CBp胶料的耐磨性能相比未改性CBp胶料有一定提高，说明对CBp进行改性还是可行的。

总体来看，老化后各配方胶料的性能变化率差异不大，说明CBp对胶料的耐老化性能影响不大。

2.4 炭黑分散性

1#和3#配方胶料的SEM照片如图1和2所示。

图1 1#配方胶料的SEM照片

图2 3#配方胶料的SEM照片

从图1可以看出，炭黑N550在胶料中分散均匀，基本无团聚现象。从图2（a）可以看出，3#配方胶料表面有很多凸起和白点；从图2（b）可以看出，这些凸起和白点都是未分散的炭黑颗粒，可见CBp在胶料中的团聚现象严重，这也是导致CBp补强性能不足的原因。

2.5 成本分析

CBp按照炭黑N550市面价格的60%计算，以CBp替代炭黑N550后，混炼胶质量成本可节约0.2元·kg-1，1条叉车轮胎胎面胶质量按30 kg计算，单条轮胎可节省成本6元，年产10万条的叉车轮胎厂，可节约成本60万元，经济效益明显。

3 结论

在叉车轮胎胎面胶中用CBp等量替代炭黑N550，胶料的门尼粘度减小，使用20份CBp的胶料门尼焦烧时间相当，硫化胶的定伸应力和拉伸强度减小，拉断伸长率和撕裂强度增大，炭黑分散性下降；改性CBp硫化胶的耐磨性能优于CBp硫化胶。使用CBp等量替代炭黑N550可显著降低生产成本。