牛勇超

摘要：想要獲得具有優(yōu)良性能的超細(xì)改性裂解炭黑，就應(yīng)在廢輪胎裂解炭黑的原料基礎(chǔ)上，采取多種工藝技術(shù)，例如表面改性、粉碎分級(jí)等，以提高優(yōu)良性能炭黑的產(chǎn)出率。從大量的天然橡膠應(yīng)用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中能夠看出，充分利用超細(xì)改性裂解炭黑并將其填充至天然橡膠中后所獲得的應(yīng)用性能極佳，具有較為廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：廢輪胎;裂解炭黑;加工;應(yīng)用

高溫裂解作為廢舊輪胎的常見處理方式，不僅在原本利用廢舊輪胎的方式基礎(chǔ)上提高了其利用率，其利用質(zhì)量也在不斷提升，同時(shí)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)中不會(huì)產(chǎn)生對(duì)于環(huán)境的二次污染。無氧高溫裂解的方式是制取炭黑的主要手段，在900攝氏度的條件下，輪胎此時(shí)的橡膠轉(zhuǎn)化率為55%左右，此種情況下產(chǎn)生的炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.06至0.08之間，其密度達(dá)到工業(yè)炭黑級(jí)別，質(zhì)量較高。隨后在此基礎(chǔ)上，專家學(xué)者們經(jīng)過對(duì)技術(shù)不斷的改進(jìn)與實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在加入1%脫硫解塑劑的情況下，使溫度達(dá)到350攝氏度至450攝氏度之間能夠獲得裂解的最佳效果，最終形成的炭黑也能夠通過應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定[1];作為當(dāng)前較為先進(jìn)的炭黑制取方式，真空蒸餾分解法的應(yīng)用效果較好，所獲得的炭黑也具有質(zhì)量佳、穩(wěn)定性好的特性。但從我國(guó)當(dāng)下的炭黑制取情況看，由于工藝及設(shè)備與發(fā)達(dá)國(guó)家之間仍具有一定差距，所獲得的炭黑顆粒具有較粗特征，不僅雜質(zhì)過多，其表面活性也與應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)存在著較大差異，十分不利于橡膠產(chǎn)品的二次利用。不僅產(chǎn)生了廢舊橡膠制品大量堆積以至于污染環(huán)境的問題，也造成了較大的資源浪費(fèi)。

1 、裂解炭黑構(gòu)成與超細(xì)化加工流程

1.1裂解炭黑化學(xué)組成

結(jié)合應(yīng)用X射線熒光光譜儀針對(duì)炭黑性質(zhì)采取定量分析方式，能夠最終測(cè)定其中的雜質(zhì)組成情況，如表1所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，其中的雜質(zhì)組成仍然能夠提取較多的有效物質(zhì)，例如氧化鎂或是氧化鋅等，這些無機(jī)化合物均能夠在后期利用環(huán)節(jié)中作為硫化促進(jìn)劑的主要成分，以用于增強(qiáng)硫化機(jī)對(duì)膠料的交聯(lián)程度[2];其中的氧化鋅或是鋅鹽同樣能夠在特定環(huán)境狀態(tài)下與硫化膠多硫交聯(lián)鍵之間發(fā)生反應(yīng)，在使其中原子數(shù)大幅度減少的同時(shí)，硫化膠也會(huì)由于這一因素的影響改變其應(yīng)力松弛程度，在松弛速度明顯降低的情況下，其對(duì)應(yīng)展現(xiàn)的熱穩(wěn)定性能反而會(huì)同時(shí)提升。

1.2裂解炭黑超細(xì)化流程

超細(xì)化簡(jiǎn)單來說就是一般填料轉(zhuǎn)化為具有功能性的填料種類，這也是針對(duì)粉體材料進(jìn)行深度加工的主要方式。在對(duì)其進(jìn)行超細(xì)粉碎的過程中，當(dāng)前應(yīng)用的主要有濕法與干法兩種方式，其對(duì)應(yīng)的適用種類與材料特點(diǎn)都有著些許差異。在對(duì)原料硬度、粒度以及純度等進(jìn)行核驗(yàn)后，最終確定圍繞這一材料進(jìn)行的裂解炭黑超細(xì)粉制作過程采取干法方式。其流程為：首先用規(guī)定規(guī)格的筒體對(duì)材料執(zhí)行超細(xì)化操作，接著將已經(jīng)處于細(xì)化狀態(tài)的炭黑放入到超細(xì)氣流分級(jí)機(jī)中，根據(jù)預(yù)定要求分級(jí)轉(zhuǎn)速[3];在有磨介存在的情況下，其中的炭黑在其中受到了擠壓、打擊等多種外力作用，對(duì)炭黑顆粒進(jìn)行了極為仔細(xì)的研磨，從而使得炭黑原有的彈性模量在這種情況下被降低，繼而增大缺陷與裂紋等現(xiàn)象的發(fā)生概率，直至其達(dá)到細(xì)化目的;已經(jīng)經(jīng)過粉碎后的炭黑在氣流的輔助下進(jìn)入到分級(jí)機(jī)中，由于其中存在較大的離心力，一些具有粒度較大特性的顆粒在后續(xù)的制取流程中被拋向容器壁，最終將其排除在外。而具有粒度較小特性的顆粒則由于離心力的存在使得其通過葉片縫隙進(jìn)入到設(shè)備內(nèi)部，通過這一環(huán)節(jié)最終獲得了依照顆粒粒度大小為分離基礎(chǔ)的不同炭黑顆粒。

1.3裂解炭黑粒徑

經(jīng)過分級(jí)后的炭黑想要最終達(dá)到應(yīng)用級(jí)別仍然需要利用固定規(guī)格的透過法力度測(cè)定儀用以判斷其粒度與表面積。通過后續(xù)的大量實(shí)驗(yàn)，最終得出結(jié)論：在相同環(huán)境條件下，炭黑顆粒大小受進(jìn)料速度影響，相較于以旋風(fēng)捕集的方式，以袋收塵的方式獲得的炭黑顆粒粒徑要更小。在炭黑粒徑較小的情況下，由于表面結(jié)合能增大，使得其化學(xué)活性也將大大提升。

1.4炭黑表面化學(xué)性質(zhì)

氫和氧是影響炭黑表面化學(xué)性質(zhì)的主要因素，其中的氫主要來源于碳化反應(yīng)，一般情況下在炭黑粒子內(nèi)部留存較多;而其中的氧則是由于炭黑與空氣中的氧相接觸后在表面后形成官能團(tuán)，這也是其在粒子局部表面存在較多的主要原因[4]。一般情況下，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)定發(fā)現(xiàn)，含氧量隨著灰分的增加而升高。炭黑粒子在經(jīng)過一系列的粉碎處理后，其含氧量也會(huì)大大提升，繼而影響炭黑表面的化學(xué)性質(zhì)。

2 、炭黑性質(zhì)與機(jī)理

2.1表面改性

一般情況下裂解炭黑與橡膠之間的界面性質(zhì)有著諸多差異，其相容性表現(xiàn)極差，因而在應(yīng)用時(shí)難以達(dá)到均勻分散的預(yù)期效果，在過多填充的情況下反而會(huì)對(duì)其整體的力學(xué)性能產(chǎn)生不良影響。正是由于這一應(yīng)用缺陷，使得裂解炭黑想要達(dá)到應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)還需要對(duì)其表面進(jìn)行改性，以最大程度的改善其表面特性，進(jìn)一步提高其與橡膠之間的相容性與分散性，保證其性能符合炭黑應(yīng)用要求。

2.2改性后的摩擦性質(zhì)

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中能夠提取出有關(guān)炭黑的摩擦性質(zhì)變化信息，裂解炭黑的休止角與粒徑減小之間呈現(xiàn)反比例關(guān)系，出現(xiàn)這種情況的主要原因是在粒子粘附性增強(qiáng)的條件下，粒子的摩擦力反而會(huì)增大，休止角自然也會(huì)同時(shí)增大，直至達(dá)到平緩狀態(tài)[5]。炭黑的摩擦力減小與硬脂酸的加入也有著密切聯(lián)系，在其分散性提升的同時(shí)，與橡膠產(chǎn)品相融后將會(huì)使最終產(chǎn)品具有更為良好的力學(xué)性能，質(zhì)量穩(wěn)定性也會(huì)同時(shí)提升。

2.3表面改性機(jī)理

硬脂酸作為獲得炭黑表面改性最終效果的關(guān)鍵因素，其本質(zhì)上屬于陰離子表面活性劑的一種，長(zhǎng)鏈烷基與羧基的分子特性使得在對(duì)裂解炭黑進(jìn)行表面改性時(shí)，有物理與化學(xué)兩種形式。其長(zhǎng)鏈烷基的特性使得其在與橡膠基料相結(jié)合后有著極佳的相容性，橡膠與炭黑也是在這一情況下被緊密相連從而達(dá)到預(yù)期的炭黑表面改性目的。

3、 填充天然橡膠物理機(jī)械性能

想要判斷所得到的炭黑顆粒是否具有良好的應(yīng)用性能，就必須做與天然橡膠相結(jié)合的填充試驗(yàn)，從而在物理機(jī)械性能表現(xiàn)環(huán)節(jié)對(duì)改性的最終效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，包括其拉伸強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率以及扯斷永久變形等。經(jīng)過比較后發(fā)現(xiàn)，超細(xì)改性炭黑、超細(xì)炭黑與改性炭黑，三者之間性能最佳為超細(xì)改性炭黑，最差為改性炭黑。超細(xì)改性炭黑不僅具有最佳的拉伸強(qiáng)度，其扯斷伸長(zhǎng)率與扯斷永久變形等性質(zhì)相較于改性炭黑來說有明顯提升，符合半補(bǔ)強(qiáng)炭黑的實(shí)際應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。只需對(duì)其配方的部分材料比例稍加改變即可將部分的補(bǔ)強(qiáng)炭黑替換，從而達(dá)到降低成本的最終目的。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，提高廢輪胎裂解炭黑加工效果主要通過粉碎分級(jí)、硬脂酸改性以提高其化學(xué)活性，并降低其摩擦力。在獲得裂解炭黑后，需要做對(duì)應(yīng)的天然橡膠加填充實(shí)驗(yàn)，以判斷其各項(xiàng)性能是否符合應(yīng)用要求，為縮減生產(chǎn)成本、提高其適用范圍奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]張一帆.廢橡膠裂解炭性能研究及廢橡膠發(fā)電策略研究[D].北京化工大學(xué)，2017.

[2]孔美，劉志鵬，李培軍等.炭黑N660/裂解炭黑并用在輪胎氣密層膠中的應(yīng)用研究[J].橡膠工業(yè)，2020，67（4）：282-286.

[3]馮振剛，孫安石，張東陽(yáng)等.廢橡膠裂解炭黑改性瀝青混合料的黏彈特性研究[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2018，39（1）：7-11.