硬质填充剂在炭黑胶料中的性能及其应用

赵志正 编译

(西北橡胶塑料研究院, 陕西 咸阳 712023)

硬质填充剂在炭黑胶料中的性能及其应用

赵志正 编译

(西北橡胶塑料研究院, 陕西 咸阳 712023)

文中论述了有关废弃轮胎的回收和利用方面的技术。对报废轮胎进行粉碎处理，再利用磁选机将钢丝帘线（金属）与橡胶进行分离，经过高温裂解以后制得了含碳残渣УСН-1。它可以作为取代炭黑П803的补强剂，用于胎面胶及橡胶制品的胶料中，所制得的各类橡胶制品具有良好的力学性能。

废弃轮胎；回收利用；含炭残渣УСН-1

众所周知，废弃轮胎的回收利用问题已经成为现代社会的头等大事。它在环境保护以及经济发展方面有着非常重要的意义。2007年在布鲁塞尔召开的全欧轮胎回收利用会议曾经指出，欧共体各个成员国，每年报废轮胎的数量总计达3亿多条。这种状况现在已经遍及全球各个角落。全世界报废轮胎的数量估计达到2500万t。这个事实，一方面是造成环境污染的最大的祸根，另一方面，它可以带来巨大经济效益，是一座可有效利用的原料仓库。

现存的废弃轮胎回收工艺多种多样，每种工艺都有自身的缺点，而且不可能圆满解决下列问题：例如在进行热机械及热化学裂解之前把废弃轮胎作为发电厂、水泥制造炉的燃料使用，裂解后把它加工成具有不同分散性的材料，以用于道路建设或者对硫化胶进行脱硫处理，并用于橡胶制品生产（再生胶、橡胶粉）。根据欧洲轮胎企业协会的估计，目前废弃轮胎的处理量还不到废弃轮胎总数的23%。欧盟理事会于1999年4月2日通过了专门的《禁止焚烧》指令。按照该指令，从2003年起禁止焚烧废弃轮胎并直接将有害气体排放到大气中。这是因为焚烧轮胎会释放出大量的有害物质，从而对人体健康造成极大的危害。该指令建议通过采用所有工艺将废弃轮胎的处理水平提高到65%，严禁将废弃轮胎和其它垃圾堆放在一起。

对废弃轮胎以及橡胶制品进行有效回收利用的方法之一是对其实施高温裂解，这样便可获得具有商业价值的液态产品（溶剂、柴油及供暖炉用燃料）以及气态产品。

对热裂解的固体残渣进行分离及随后对合金铜的再利用，在技术上不会有问题。

含碳的热裂解固体残渣（ТОП）可以作为橡胶补强剂大量使用（含量可达35%），并可作为建筑业及涂料工业的色素，此外，还可以作为吸附剂使用。

文中研究了如何有效地把热裂解固体残渣用作橡胶的含碳补强填充剂（УСН）。

先对经高温裂解后的固态物进行研磨处理，然后用磁选机将铁丝及钢丝帘线碎屑剔除，再将含碳的残渣经过几道专门的工艺处理和分级。

用Х光分析于1050℃下热处理过的产物（УСН-1）后获悉，该产物中含有84%～85%碳，11.5%～12%的二氧化硅；1.9%～2.0%氧化锌；0.65%～0.7%氧化钙；0.35%～0.4%氧化钴，其中铁的最大含量不超过0.01%。应当指出的是，某些批次的废弃轮胎的含碳量为80%～82%。在含碳补强剂УСН-1中结合硫的含量为2.0%。

УСН-1与标准牌号炭黑的物理化学性能之对比数据见表1所示。根据这些数据可以得出如下结论：即依照轮胎及橡胶制品的一系列橡胶技术指标，可以将УСН-1作为补强性能较低的炭黑的替代品使用。

表1 УСН-1及标准牌号炭黑（根据ASTM）的物理化学特性之比较

表2中列示了将УСН-1作为标准甲基丁苯橡胶СКМС-30АРК补强剂（含量40质量份）的对比试验结果。尽管УСН-1中矿物质的含量只有15%～20%，但是跟广泛使用的矿物质填料相比较，前者表现出比较高的补强性能。从表2中的数据来看，УСН-1类似于炭黑П803（ГОСТ-7885-86）。

表2 填充剂的种类对甲基丁苯橡胶СКМС-30АРК（填充剂含量40质量份）力学性能的影响

УСН-1是一种在高温下裂解的产物，从完整的意义上来看，它不能被认为是标准炭黑的类似化学品。

УСН-1中灰分的含量为15%～20%。而炭黑中的灰分含量则不超过0.5%。但经过适当的加工处理和研磨，在各种橡胶制品的生产中，УСН-1可以替代炭黑。这就可以不把有机资源耗费在低活性炭黑的生产中，实现节约的目的。

由于含碳填充剂УСН-1中含有一定量的锌、钙和钴的化合物，所以，有必要评估它在对硫化动力学的影响[与П803炭黑进行对比（见表3）]。

表3 填充剂的种类对标准甲基丁苯橡胶СКМС-30АРК硫化特性的影响（填充剂含量为40质量份）

跟标准炭黑相比，在对硫化特性参数的影响方面并未发现有实质上的差异。УСН-1的成分中含有多种金属，它们不是以氧化物的形式存在，而是活性很小的硫化物。

曾在大型轮胎胎面胶的标准配方，以及胎圈的填充橡胶中对УСН-1进行了试验（见表4、5）。与顺丁橡胶СКД并用（85:15）。

第一次试验是在含有25质量份炭黑П220和45质量份П803的甲基丁苯橡胶СКМС-30АРК和丁二烯橡胶СКД并用（85:15）的橡胶中，炭黑П803全部被УСН-1所取代。结果发现，在静态条件下其综合力学性能指标与未取代者相类似。含有УСН-1的橡胶在反复拉伸条件下具有良好的动态抗耐性（见表4）。

第二次试验，是在含N220（20质量份）及N550（40质量份）炭黑的天然橡胶НK和丁苯橡胶БСК的并用（85:15）的橡胶中，一部分（75%）N550炭黑被УСН-1所取代。结果表明，用УСН-1取代一部分N550炭黑的橡胶符合未取代者的检测标准（见表5）。

表4 在甲基丁苯橡胶与顺丁橡胶并用（85：15）的大型轮胎胎面胶配方中用УСН-1完全取代炭黑П803所带来的影响

综上所述，对废弃轮胎进行高温裂解可得到含碳的固体残渣再经过适当的加工处理，即可制成在补强性能方面可以同П803炭黑相媲美的填充剂。从经济方面考虑，在现有的轮胎及橡胶制品的配方中可用这种填充剂取代某些牌号的炭黑。

表5 在天然橡胶HK与丁苯橡胶БСК并用（85：15）的胎圈橡胶填充中用УСН-1部份取代炭黑所带来的影响

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[责任编辑：张启跃]

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2012-05-02