废旧轮胎裂解炭黑在橡胶中应用研究

山东耐斯特炭黑有限公司

废旧轮胎裂解炭黑以废旧轮胎为基础材料,在300℃的裂解炉中进行裂解,当裂解温度达到450℃时,裂解基本完成。过程中产生的烟气通过冷凝分离,可以得到重油、轻油、裂解气和少量水蒸气。通过磁选器将残渣的钢丝分离出来,剩余部分通过粉碎、加改性剂,再进行造粒、干燥变成裂解炭黑。轮胎裂解炭黑中含有氧化锌、硬脂酸、碳酸钙等物质,还有硫黄、促进剂、防老剂等物质加工助剂,灰分较高,但因其为废物利用项目,对环境保护有益,值得研究和推广。

本研究通过对比加入N330、N339、裂解炭黑及混合配方的混炼胶的拉伸强度、拉断伸长率、100%定伸应力、300%定伸应力和DIN磨耗,分析裂解炭黑用量对橡胶性能的影响。

一、试验

试验1.原材料试验

天然橡胶,泰国1#烟片胶;氧化锌,天津科密欧化学试剂有限公司;硬脂酸,国药集团化学试剂有限公司;硫黄粉,山东尚舜化工有限公司;促进剂DZ,山东尚舜化工有限公司;N330炭黑,山东耐斯特炭黑有限公司;N339炭黑,山东耐斯特炭黑有限公司;NC8515炭黑,山东耐斯特炭黑有限公司;废旧轮胎裂解炭黑,青岛双星集团伊克斯达科技有限公司。

2.试验仪器

拉力机,美特斯工业系统有限公司;DIN磨耗机,高铁试验检测仪器有限公司;氮吸附比表面积分析仪,美国麦克公司;吸油计,德国布拉本特公司;压缩吸油机,中橡集团炭黑工业设计研究院;万分之一天平,梅特勒.托利多分析仪器有限公司;红外水份测定仪,日本岛津AND公司;着色强度仪,美国HunterAlab公司;硫化机,青岛鑫城一鸣橡胶机械有限公司;炼胶机,无锡市第一橡塑机械有限公司;烘箱,上海索谱仪器有限公司;振荡机,金坛市文华仪器有限公司。

3.试验配方试验

试验配方见表1。

表1  轮胎裂解炭黑试验方案 克

注:硫化条件为145℃×30min。

二、试验结果讨论

1. 轮胎裂解炭黑的分析数据

为了了解轮胎裂解炭黑的粒径及结构,对炭黑性能进行了分析,结果见表2。

表2  无机炭黑分析结果

    通过以上数据的分析,轮胎裂解炭黑的吸碘值类似N339(国家标准中值为90),吸油值类似于N326(国家标准中值为72),氮吸附比表面积(国家标准中值为71)类似于N351,但着色强度又类似于软质炭黑N660(大多在50左右),可能是因为此炭黑中含各种粒径结构的炭黑、碳酸钙、硬脂酸及轮胎加工助剂等大粒径低结构成分,产品中325目筛余物为铁磁性物质,应该是有部分细小钢丝未被除尽,灰分主要是碳酸钙、硬脂酸、氧化锌或陶土等成分,灰分指标将严重影响橡胶的老化性能。

2.轮胎裂解炭黑部分取代传统炭黑性能研究

为了研究轮胎裂解炭黑的性能,根据炭黑的加合性能计算混合炭黑的理化数据,同时将混合炭黑按标准橡胶配方混炼,分析混炼胶性能,再与N330炭黑的混炼胶性能进行对比,对比结果见表2、表3。

表3  根据炭黑的加合性计算的混合炭黑物化性质

从表3可以看出,混合炭黑的部分物化性质如吸碘值、吸油值、氮吸附比表面积与N330类似。

表4  混合炭黑对橡胶性能影响对比情况

由表4可知,Q4、Q5胶料的100%定伸应力相对于N330、N339和NC8515均有明显下降,下降幅度约为30%;300%定伸应力应力相对于N330和N339下降了5~5.6Mpa,下降幅度约为30%,相对于NC8515炭黑下降了7Mpa,下降了约40%;拉伸强度对比加入混合炭黑后的胶料,下降幅度约为15%。;加入混合炭黑的DIN磨耗指数相对于N330和N339下降了约20%,相对于NC8515下降了约30%,且配方Q5中混合炭黑和配方Q6中混合炭黑相当,表明混合炭黑中轮胎裂解炭黑虽有一定的补强性,但其补强性明显低于N330炭黑,轮胎裂解炭黑虽并用了部分高结构和较高比表面积的其他炭黑产品(如N339和或NC8515),但仍不能完全达到补强效果,除非并用比表面积更高和结构度更高的炭黑(如N234或N134)。

3. 增加炭黑用量对橡胶性能影响的研究

配方Q7通过增加N339 用量、减少轮胎裂解炭黑用量,改善填充炭黑的胶料物理性能,结果见表5。

Q7配方为90克N339和60克轮胎裂解炭黑。通过分析胶料的性能,发现相对于N330填充的胶料,其300% 定伸应力仍降低约13%,拉伸强度相差15%,胶料硬度低,但胶料密度上升,这表明炭黑填加到胶料中达到一定程度,拉伸强度先出现上升到一定值后将出现下降,同时因加入轮胎裂解炭黑后,此炭黑补强性能差,但填充性能良好,增加了胶料密度,耐磨指数未得到明显改善。

Q7 胶料与Q6 胶料相比,300% 定伸应力差异不大,拉伸强度有所上升,伸长率上升,耐磨性变好,表明轮胎裂解炭黑的补强性能较差,只能用作填充剂部分替代330炭黑。

三、结论

1. 轮胎裂解炭黑应用于胶料标准配方中,用高结构、高比表面积的炭黑与轮胎裂解炭黑掺配不能完全替代N330 炭黑,混炼胶的300% 定伸应力、拉伸强度、DIN 磨耗指数均出现下降,补强性能较差。

2. 在配方中增加N339 和轮胎裂解炭黑用量(见Q6),混炼胶的拉伸强度、300%定伸应力和DIN磨耗仍达不到N330 的性能,但胶料密度变大。

3. 配方中增加N339用量、减少轮胎裂解炭黑用量(见Q7)时,胶料的拉伸强度、300%定伸应力和DIN磨耗较Q4配方有所增大,但仍未达到加入N330的水平,表明裂解炭黑的补强性不佳。

4. 轮胎裂解炭黑的灰分含量较高,灰分主要成分为二氧化硅、碳酸钙、硬脂酸、氧化锌等,这些物质因在第1 次使用过程中已与轮胎的其他成分发生作用,回收时已失去全部或部分活性,在胶料混炼过程中不能再发生反应,无法与橡胶分子链形成有效交联,影响了补强性的发挥。

5. 轮胎裂解炭黑应在生产过程中进行有效改性,降低其炭黑粒径,并进行表面活化以提高其产品性能。

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