废旧轮胎裂解炭黑在橡胶地板中的应用

魏玉山，陈晓燕，马立成，徐 勇，蔡启胜，王贝贝，冷 帅，薛 霖

（双星集团有限责任公司，山东 青岛 266400）

近年来，人们生活水平不断提高，汽车保有量不断增大，由此产生的废旧轮胎也越来越多。废旧轮胎大量堆积不仅是资源浪费，还会导致严重的环境污染，因此废旧轮胎的处理成为十分紧迫的产业和环境问题[1-2]。热裂解工艺可高效处理各种轮胎，将废旧轮胎转化为裂解油、裂解炭黑、裂解气和钢丝等可再利用资源，资源利用率为100%，这对实现生态文明建设和循环经济具有十分重要的意义[3-4]。

废旧轮胎裂解炭黑（简称CBp）是废旧轮胎热裂解的重要产物之一，可通过炭黑深加工工艺进行除杂提质。将CBp应用于各种橡胶制品中是实现废旧轮胎资源循环利用的关键，具有显著的经济和社会效益，已成为行业研究热点[5-7]。

本工作使用CBp部分代替橡胶地板配方中的炭黑N330，比较不同CBp/炭黑N330用量比胶料的硫化特性、物理性能、耐老化性能以及成品性能，以期降低生产成本。

1 实验

1.1 主要原材料

天然橡胶（NR），SMR20，马来西亚产品；胎面再生胶，山东忠诚橡胶有限公司产品；炭黑N330，江西黑猫炭黑股份有限公司产品；CBp（废旧轮胎在微负压高温条件下热裂解生成的炭渣，经磁选除杂、超细研磨、表面活化改性、造粒、干燥处理制得），青岛伊克斯达科技有限公司产品；环保芳烃油（TDAE），宁波汉圣化工有限公司产品；轻质碳酸钙，河北宁宇化工有限公司产品；氧化锌，石家庄志亿锌业有限公司产品；硬脂酸1845，杭州油脂化工有限公司产品；促进剂DM和CBS，科迈化工股份有限公司产品；硫黄，青岛城阳双埠硫磺加工厂产品。

1.2 试验配方

NR 100，再生胶 100，CBp/炭黑N330 50（用量比分别为0/50，10/40，15/35和20/30），碳酸钙 50，氧化锌 6，硬脂酸 2.6，TDAE 12，促进剂DM 1.2，促进剂CBS 1.2，硫黄 3，其他9.9。

1.3 主要设备和仪器

BB-1600IM型密炼机，日本株式会社神户制钢所产品；BL-6175-AL型高低温开炼机，东莞宝轮精密检测仪器有限公司产品；XLB-D 500×500×2型平板硫化机，湖州东方机械有限公司产品；MV2000型门尼粘度仪和MDR2000型无转子硫化仪，美国阿尔法科技有限公司产品；WAH17A型邵尔A型硬度计，英国Wallace仪器有限公司产品；5965型电子万能材料试验机，美国Instron公司产品；DigitestⅡ型高低温回弹试验机，德国博锐仪器有限公司产品。

1.4 试样制备

胶料采用2段混炼工艺，均在密炼机中进行。一段混炼工艺为：生胶和小料→混炼45 s→炭黑和碳酸钙→混炼65 s或130 ℃→提压砣、压压砣→混炼60 s或150 ℃→提压砣、压压砣→混炼60 s或160℃→提压砣、排胶，胶料在开炼机[辊温为（70±5）℃，辊距为0.6～0.8 mm]上包辊，打三角包薄通3次，调整辊距下片，停放4 h。二段混炼工艺为：一段混炼胶→混炼20 s→促进剂和硫黄→混炼20 s→提压砣、压压砣→混炼40 s或115 ℃→提压砣、排胶，胶料在开炼机[辊温为（70±5） ℃，辊距为0.6～0.8 mm]上包辊，打三角包薄通3次，按2.2 mm厚度下片。

混炼胶停放8 h后在平板硫化机上硫化，硫化条件为151 ℃/10 MPa×300 s。

1.5 性能测试

胶料性能均按照相应国家标准进行测试。

2 结果与讨论

2.1 CBp与炭黑N330的理化性能对比

CBp和炭黑N330的理化性能见表1。

由表1可以看出：与炭黑N330相比，CBp的吸碘值偏大，统计吸附层厚度表面积偏小，说明CBp的原生粒径较大；CBp的DBP吸油值小于炭黑N330，这可能是因为在生成过程中，CBp聚集体的结构空隙被部分灰分和碳质沉积物堵塞，使其结构类似密实的球体；CBp的灰分质量分数远大于炭黑N330，这是因为炭黑N330是由煤焦油经过不完全燃烧制得，杂质含量较低，而CBp是废旧轮胎热裂解的产物，轮胎中的氧化锌、白炭黑、碳酸钙等都作为杂质而留存下来[8-9]，因此灰分的主要成分有氧化锌、白炭黑、氧化钙，以及少量氧化铁、氧化钴和氧化铝等；CBp的加热减量、45 μm筛余物、单个粒子破碎强度与炭黑N330相差不大；CBp的pH值接近炭黑N330，呈碱性[10]。

表1 CBp和炭黑N330的理化性能

2.2 NR标准配方试验

由于CBp结构度低，灰分含量远大于炭黑N330，按照GB/T 3780.18—2017《炭黑 第18部分：在天然橡胶（NR）中的鉴定方法》使用CBp部分或全部替代炭黑N330，对比研究CBp/炭黑N330用量比对NR标准配方胶料物理性能的影响，结果如表2所示。

表2 CBp/炭黑N330用量比对NR标准配方胶料物理性能的影响

由表2可以看出：与添加50份炭黑N330的胶料相比，添加50份CBp胶料的密度和撕裂强度一致；拉断伸长率较大，这与CBp中含有一定量的白炭黑和氧化铝等有关；随着CBp用量增大，胶料的硬度、300%定伸应力、拉伸强度有所减小；当CBp用量为20份时，胶料的定伸应力和拉伸强度大幅减小，当其用量达到25份时已经完全不能满足性能需求，说明CBp在NR中虽有较好的补强性能，但因粒径偏大，表面活性位点被灰分及碳质沉积物覆盖，导致其表面活性较低，补强效果与炭黑N330相比仍有差距[11]。

2.3 橡胶地板配方试验

综上分析，在橡胶地板用胶料试验中，CBp/炭 黑N330用 量 比 分 别 为0/50，10/40，15/35和20/30。

2.3.1 门尼粘度和硫化特性

江城县水果园地普遍存在基础设施落后的问题，道路系统及农田水利设施年久失修，损毁严重，主道路不通畅。每逢雨季，连生产所需的农资都不能运进，收获采下的水果果品很难运出，缺乏基本的设施条件。

胶料的门尼粘度和硫化特性见表3。

表3 胶料的门尼粘度和硫化特性

由表3可以看出：随着CBp用量的增大，胶料的门尼焦烧时间略延长，说明CBp有利于胶料的加工安全性；FL，Fmax，Fmax-FL，t10和t90变化不大。

2.3.2 物理性能

硫化胶的物理性能见表4。

由表4可以看出：与添加50份炭黑N330硫化胶相比，CBp/炭黑N330用量比为10/40和15/35时，硫化胶的硬度、拉伸强度、拉断伸长率、回弹值以及耐老化性能差异不大；当CBp/炭黑N330用量比为20/30时，硫化胶的拉伸强度明显减小、拉断伸长率增大，老化后性能降低。分析认为，CBp表面活性位点被裂解过程中产生的碳质沉积物覆盖，导致其表面活性低，CBp与炭黑N330的结构度差异较大，故CBp的补强作用低于炭黑N330，这与CBp在NR标准配方试验中的结果一致。综合考虑，以CBp/炭黑N330用量比为15/35进行橡胶地板成品性能测试。

表4 硫化胶的物理性能

2.3.3 成品性能

橡胶地板的使用性能见表5。

表5 橡胶地板的使用性能

由表5可以看出：与生产橡胶地板相比，试验橡胶地板的拉伸强度变化幅度较小，硬度和拉断伸长率变化率差异不大；生产橡胶地板和试验橡胶地板在室外自然条件下使用180 d后，均未出现变形、裂纹、掉块等状况，表面均为轻微磨损；生产橡胶地板表面轻微粘手，这是胶料开始老化所致，而试验橡胶地板无表面粘手现象，使用正常。试验橡胶地板达到普通橡胶地板的使用要求。

3 成本分析

CBp价格较炭黑N330低，按当前炭黑N330和CBp市价计算，本试验CBp替代30%炭黑N330，每千克混炼胶成本可降低0.138元。按每块橡胶地板质量为12 kg，每天可生产800块橡胶地板，每月生产时间为26 d计算，年节约成本为：0.138×12×800×26×12＝413 337.6元，可产生较好的经济效益。

4 结论

（1）CBp灰分含量较大，结构度较低，其他理化性能与炭黑N330基本相当。

（2）在橡胶地板胶料中，用CBp替代30%炭黑N330，胶料的硫化特性、硫化胶的物理性能和耐老化性能、橡胶地板的使用性能均符合普通橡胶地板的技术要求，且胶料生产成本降低，具有较好的经济效益。