废旧轮胎裂解炭黑的综合利用

刘玉强

（昆明学院，云南昆明650214）

炭黑是极其重要的一种橡胶工业原料，在橡胶工业中应用是仅次于生胶使用量的第二位橡胶补强材料。据统计，世界炭黑消费量的89.5%应用于橡胶工业（其中轮胎用占比达67.5%）。轮胎工业的发展源于汽车工业的快速增长，作为汽车行驶的运行部件轮胎在使用至规定里程后将作报废处理。我国是世界汽车生产与消费大国，在2019年废旧轮胎的产生量约3.3 亿条，如此数量巨大的废旧轮胎，不仅带来环境影响和安全隐患，同时也是一种资源的浪费。废旧轮胎裂解作为废旧轮胎回收利用的一种处理方式[1]，是解决废旧轮胎的污染与资源问题的有效途径之一。在废旧轮胎裂解过程中，裂解炭黑作为固相产物产生总轮胎胶料含量的35%左右，如何将其作为一种再资源化材料进行综合利用，对推动废旧轮胎的资源循环利用意义重大。

1 废旧轮胎裂解炭黑的基本性能

废旧轮胎裂解炭黑是将废旧轮胎高温裂解过程除去燃料油后的剩余固相物，其具有颗粒聚集度高、表面活性低、结构性低的特点，与传统的橡胶炭黑性能存在一些差异。了解废旧轮胎裂解炭黑的特性，可更好指导炭黑综合利用[2]。废旧轮胎裂解炭黑一般是在无氧或缺氧的条件下，通过诸如热介质、微波等加热方式，使废旧轮胎中的有机物产生热裂解逸出挥发性产物后剩余的固相物，经过再加工后制备的炭黑产品。废旧轮胎裂解炭黑有其独特性，主要应用性能基本类似于橡胶用炭黑。根据化工行业标准：废旧轮胎裂解炭黑（HG/T 5459—2008），其主要技术指标见表1[3]。

表1 废旧轮胎裂解炭黑产品技术指标典型值

废旧轮胎裂解炭黑由于其原料为废橡胶高温裂解时的产物，致使其热解反应的复杂性与不完全性，在炭黑粒子表面会残留焦化油、橡胶烃、氧化锌和白炭黑等，其中与炭黑最大的差异性是灰分含量较高，一般在15%～20%，主要为白炭黑和氧化锌无机物，可以说，废旧轮胎裂解炭黑是一种混杂炭黑复合材料。

2 废旧轮胎裂解炭黑的综合利用

2.1 在轮胎和橡胶制品工业中的利用

废旧轮胎裂解炭黑是轮胎橡胶裂解后的回收还原炭黑，尽管其对橡胶的补强性能不如原生炭黑，但可以通过与橡胶配方材料的合理搭配返回应用于轮胎一些组成部件胶料中，生产物美价廉的轮胎产品[4]。在轮胎中使用，一般以部分取代的方式应用（掺混原生的炭黑）为佳。轮胎主要由胎面、胎侧、胎体帘布胶、三角胶和内胎部件组成，裂解炭黑可广泛应用到除要求耐磨性好的轮胎胎面之外的部件胶中使用。对于一些低速应用的如力车轮胎、工程轮胎等，则还可全胎中部分替代炭黑来应用。

除轮胎之外的其他各种橡胶制品，如输送带、传动带、胶管、工业橡胶制品、鞋类及密封条等制品，都可适量部分加入裂解炭黑使用。由于各种橡胶制品的性能要求与使用条件不同，在产品应用裂解炭黑上，要从生胶选择硫化体系确定以及各种配合剂的搭配优选添加使用，保证产品的胶料加工性能以及各项物理机械性能符合标准要求。实现橡胶制品成本与性能的综合平衡，保证产品质量。

2.2 作为色素炭黑的利用

废旧轮胎裂解炭黑作为色素炭黑的利用主要是作为着色剂应用于塑料、涂料于油墨中[5]。废旧轮胎裂解炭黑在作为着色剂应用时的色相一般呈蓝色相，其有增强高色度视觉的优势，并表现为良好的使用分散性。尽管在着色力、饱和度和黑度等方面不如传统色素炭黑，但可以通过表面处理或改性调配弥补其不足，并以其成本的优势，作为黑色着色剂使用。

炭黑在塑料中作为着色剂主要是用于生产黑色塑料或用于调色。塑料黑色母粒是炭黑着色最常用形式的高浓度着色剂。塑料利用色母粒着色效果优越，其着色塑料色泽均匀、分散性好、色差小、应用简单方便。同样在涂料工业中，炭黑可以作为生产黑色涂料或作调色使用。其作为着色剂制黑色涂料用量一般添加量占成膜物质质量的3%～5%，并以粉状形态来使用。油墨是印刷行业的印刷材料，黑色油墨是印刷用量最大的油墨品种，它由炭黑、连接料和助剂经过充分搅拌，反复研磨，分散均匀而制成的黑色胶粘状流体。

另外在造纸和建材行业方面还可作为黑色料用着色剂，如种果树和包装用的果袋纸中（双色面）的黑色一面着色纸。

2.3 公路沥青改性用添加剂

在公路沥青路面方面，随着汽车运行的高速化和重载化发展，对公路改性沥青提出了更高要求。如果在沥青中添加炭黑进行改性，对沥青的粘弹性、耐磨性及强度都会有所改善，从而提高公路路面的使用性能[6]。与普通沥青路面相比，添加炭黑后的改性沥青可抑制路面升温时的硬度下降软化，提高抗紫外线老化性能，耐龟裂性、耐疲劳性以及耐磨性都有提高。又如在聚合物改性沥青添加炭黑可以提高改性沥青的停放稳定性，防止沥青的混溶停放分层，同时又可提高改性沥青的弹性回复性。改性沥青添加裂解炭黑应用可克服传统炭黑改性成本偏高应用受限之不足，裂解炭黑是一种改性沥青应用的性价比优良添加剂，值得在公路改性沥青中大量应用。裂解炭黑由于其独特的性能以及成本优势，对于沥青改性应用显示良好的推广应用前景，尤其在我国的高原地区应用可以改善沥青的综合性能（如抗老化）而提高路面使用寿命，尤其在紫外线照射强度高的青藏高原公路路面使用。

2.4 改性处理生产活性炭

活性炭目前主要是以煤、重质油和植物纤维来先生产出炭素材料，然后再通过活性而成，由于其高度的孔隙结构、大比表面积和高吸附性，被广泛应用于医药、化工、废水废气处理等方面，作为裂解炭黑只要经过改性和活化处理，便可制成活性炭产品。

目前裂解炭黑可采用化学、物理化学和气体活化等方法活化。根据裂解炭黑本体材料的特点，用一定的改性活化方法处理裂解炭黑使其表面孔隙大小分布及比表面积达到活性炭的要求。废旧轮胎裂解炭黑通过用硫酸和氢氧化钠改性处理后制备的活性炭[7]，然后再进行碳化反应制成活性炭，其用于处理工业废水具有较好的处理效果，可以替代高价格的工业活性炭，实现了裂解炭黑的高值化利用。

2.5 回收利用其中的氧化锌

氧化锌是一种重要的工业原料，裂解炭黑其中灰分物质的主要成分以氧化锌为主（橡胶配方中添加的活性剂），如果将其中的氧化锌回收利用则可以提高回收炭黑的经济性[8]。有一种方法是利用有机酸处理裂解炭黑，使裂解炭黑的灰分含量降低而提高炭黑的品质，同时对有机酸处理液再加工得到高附加值氧化锌产品。这种利用方法比传统的强无机酸（碱）液处理炭黑提纯的优势明显，既不破坏炭黑的本体结构，又解决酸（碱）液难以回收问题。冶金行业中含锌矿产资源日益减少以及品质的降低，寻找新矿源已成为冶金行业关注的热点，如果废旧轮胎裂解炭黑中的锌回收利用，不仅为冶金行业找到了一种新的矿源，同时由于在提氧化锌之后的纯化，使炭黑品质得到全面提高，在经济上的回收利用价值显示较大的优势。

2.6 混配作导电炭黑利用

导电炭黑是炭黑三大种类之一（橡胶、素色及导电炭黑），由于其独特的导电性能和良好的性价比，广泛应用于各种导电和防静电制品，如导电橡胶、塑料涂料、电池、电容器以及煤矿防静电产品[9]。目前，导电炭黑主要来源有三大类，炉法导电、乙炔炭黑和重油造气副产碳黑。导电炭黑一般具有粒径小、结构高、粒子表面粗糙和表面活性大的特点，其导电性主要源于炭黑多核芳烃结构特征。乙炔碳黑是最常用导电炭黑，对比裂解炭黑与之差异主要体现在吸油值与灰分差异上，但是裂解炭黑具有赋金属导电特性，为导电性的改变可能会起到一些积极作用。导电炭黑制备导电材料，与其应用中使用的基体主材、添加剂等有关，因此，裂解炭黑若通过改性并与适当的基材配合，作为导电炭黑应用是有可能的，需要专门进行研究与开发利用。

3 结语

废旧轮胎裂解炭黑是轮胎橡胶高温裂解之后的一种有别于传统炭黑的新型炭黑材料。由于其结构与性能的特性，决定了其在炭黑应用领域具有一定的适用性和经济性。在实际应用中可根据产品的实际要求，采用相应的处理方法作为炭黑替代品利用。废旧轮胎裂解作为我国废旧轮胎资源循环利用的一个主要方向，对其裂解炭黑通过物理和化学处理使之推广应用到各个领域，对节约资源与保护环境都具有现实意义。尤其在轮胎与橡胶制品这一炭黑重要应用领域中的研究与开发，值得化工环保与橡胶行业的科技人员重视，使这一宝贵的炭资源实现再利用，推动我国废轮胎热裂解循环利用技术的发展。