隨著汽車行業(yè)的高速發(fā)展，輪胎工業(yè)產(chǎn)能也有很大提升，廢舊輪胎數(shù)量急劇增加，造成很大的社會(huì)問題和環(huán)境問題。近些年，使用裂解技術(shù)處理廢舊輪胎成為熱門產(chǎn)業(yè)。廢舊輪胎經(jīng)過裂解可以產(chǎn)生裂解氣、裂解油以及裂解炭黑等產(chǎn)品。裂解炭黑因其具有粒徑大、比表面積小、結(jié)構(gòu)低、易分散、流動(dòng)性好等特點(diǎn)，在輪胎行業(yè)引起很大關(guān)注。本研究用裂解炭黑代替N660炭黑用于半鋼胎氣密層配方，與現(xiàn)有配方性能對比，考察其對膠料性能的影響。
一、試驗(yàn)
1. 原材料
天然橡膠（NR），STR 20；溴化丁基膠（BIIR），?？松?222；炭黑N660，韓城黑貓?zhí)亢谟邢薰荆涣呀馓亢?，連云港裕生源環(huán)保科技有限公司。
2. 主要設(shè)備及儀器
密煉機(jī)，日本株式會(huì)社神戶制鋼所BB-2型；開煉機(jī)，湛江機(jī)械廠；平板硫化機(jī)，湖州宏僑橡膠機(jī)械有限公司；電子萬能拉力機(jī)，INSTRON，美國；門尼黏度儀，阿爾法科技公司；流變儀，阿爾法科技公司；硬度計(jì)，高鐵檢測儀器有限公司；老化箱，重慶恒達(dá)儀器廠制造；屈撓，高鐵檢測儀器有限公司；壓差法氣體滲透儀；DIN磨耗量測試儀，高鐵檢測儀器有限公司；橡膠加工分析儀，阿爾法科技公司；動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀，德國高寶。
3. 混煉工藝
該膠料采用兩段混煉工藝，一段是母煉工藝，在密煉機(jī)上進(jìn)行，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速50～60r/s，首先加入生膠塑煉40s，再將小藥、油和炭黑攪拌均勻，取1/3小藥混合物加入密煉機(jī)混煉20s，后將剩余的小藥混合物全部加入，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速及上頂栓，使溫度在3min達(dá)到135℃，開卸料門排膠。二段是終煉，在開煉機(jī)上進(jìn)行。將一段的母膠稱重，將混煉膠加入開煉機(jī)，再加入提前配置好的終煉小藥，吃粉過程中都要割膠，倒膠，待粉料全部吃進(jìn)后，調(diào)整開煉機(jī)的輥距，通過打三角包、打卷、折疊等方式對膠料進(jìn)行翻煉，待膠料顏色均一，表面光滑即可下片，下片后放置備用。
混煉膠硫化是在平板硫化機(jī)上進(jìn)行的，硫化條件為168℃×10min。
4. 性能測試
（1）力學(xué)性能等均按相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試。
（2）透氣性能按照GB/T 7755-2003進(jìn)行測試。
二、結(jié)果與討論
1.化學(xué)檢測數(shù)據(jù)
表1 化學(xué)性能對比
從表1可以看出，裂解炭黑的性能指標(biāo)與炭黑N660存在差異：裂解炭黑的DBP吸收值和吸碘值較炭黑N660略高，可能是因?yàn)榱呀馓亢谑怯蓮U舊輪胎高溫裂解得到，而制造輪胎的配方中含有N234、N330、N326、N660等小粒徑的炭黑，使裂解炭黑的結(jié)構(gòu)度比炭黑N660略高。裂解炭黑的灰分比N660炭黑高35～40倍，可能是因?yàn)榱呀馓亢谥泻休喬チ呀膺^程中不能轉(zhuǎn)化的成分，而N660炭黑是煤焦油不完全燃燒制得的，灰分較低。拉伸強(qiáng)度和300%定伸應(yīng)力較N660低，說明裂解炭黑的補(bǔ)強(qiáng)性能較N660差。
2.裂解炭黑對氣密層膠料性能的影響
（1）配方
表2 配方 phr
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|
A |
B |
C |
D |
E |
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STR20 |
20 |
20 |
20 |
20 |
20 |
|
溴化丁基膠 |
80 |
80 |
80 |
80 |
80 |
|
N660 |
60 |
50 |
45 |
40 |
30 |
|
裂解炭黑 |
0 |
10 |
15 |
20 |
30 |
|
其余小藥均相同 |
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表2是使用裂解炭黑在氣密層配方中替代不同份數(shù)的N660炭黑，其中A是半鋼氣密層原配方，B、C、D、E是在氣密層配方中分別用10份、15份、20份、30份裂解炭黑等量替代10份、15份、20份、30份N660炭黑，其余藥品份數(shù)不變。
（2）不同份數(shù)裂解炭黑對膠料老化前物理性能的影響
表3 老化前物性對比
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|
A |
B |
C |
D |
E |
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門尼黏度【ML（1+4）100℃】 |
50 |
51 |
56 |
54 |
53 |
|
|
t5 |
/min |
21 |
32 |
40 |
20 |
20 |
|
t35 |
/min |
25 |
38 |
45 |
25 |
25 |
|
邵爾A型硬度/度 |
49 |
49 |
48 |
48 |
47 |
|
|
密度/g·cm-3 |
1.16 |
1.16 |
1.15 |
1.15 |
1.15 |
|
|
撕裂強(qiáng)度/kN·m-1 |
29 |
27 |
28 |
26 |
25 |
|
|
拉伸強(qiáng)度/MPa |
6.3 |
6.3 |
5.9 |
5.6 |
5.4 |
|
|
拉斷伸長率/% |
719 |
763 |
716 |
736 |
745 |
|
|
100%定伸應(yīng)力/MPa |
1.2 |
1.1 |
1.2 |
1.2 |
1.0 |
|
|
200%定伸應(yīng)力/MPa |
8.6 |
6.4 |
4 |
9.8 |
9.8 |
|
|
300%定伸應(yīng)力/MPa |
2.6 |
2.4 |
2.5 |
2.5 |
2.3 |
|
|
永久變形/% |
31 |
33 |
30 |
33 |
30 |
|
|
龜裂等級 |
300000(0.0.0) |
300000(0.0.0) |
300000(0.0.0) |
300000(0.0.0) |
300000(0.0.0) |
|
從表3可以看出，將裂解炭黑用于氣密層膠料中代替10份N660炭黑，膠料老化前硬度、密度、拉伸強(qiáng)度均相當(dāng)，其中300%定伸應(yīng)力低0.2個(gè)值，可以滿足氣密層膠料的物性要求。
隨著裂解炭黑用量的增加，老化前膠料硬度、密度、拉伸強(qiáng)度、300%定伸應(yīng)力均降低，當(dāng)用30份裂解炭黑代替30份N660炭黑時(shí)，膠料老化前硬度低2個(gè)值，密度低0.01，拉伸強(qiáng)度降低14%，300%定伸應(yīng)力下降11.5%，可能是因?yàn)榱呀馓亢谘a(bǔ)強(qiáng)性能較N660炭黑差。但隨著裂解炭黑加入量的增加，老化前30萬次屈撓均通過試驗(yàn)，說明裂解炭黑的加入對屈撓性沒有影響。
總之，使用10份裂解炭黑代替N660炭黑，老化前物性基本一致，可滿足氣密層物性要求，隨著添加份數(shù)的增多，物理性能呈下降趨勢，因此不能等量代替。這些可能都是因?yàn)榱呀馓亢诹接绊懙模亢诹綄δz料的拉伸強(qiáng)度等性能起主要作用，粒徑大，硬度、拉伸強(qiáng)度等均有下降，伸長率會(huì)有提升；比表面積小，使橡膠與炭黑間界面積小，兩者相互作用產(chǎn)生的結(jié)合膠少。
從圖1、2、3可以看出，隨著裂解炭黑份數(shù)增加，ML、MH、t90均呈上升趨勢。MH上升，說明裂解炭黑的添加提高了膠料的交聯(lián)密度。代替10份、15份N660炭黑t90略有延長；當(dāng)代替30份時(shí)，t90延長了14%，可能是裂解炭黑中還有某些金屬元素，影響膠料的硫變。
（3）不同份數(shù)裂解炭黑對膠料老化后物理性能的影響
表4 老化后配方性能對比
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A |
B |
C |
D |
E |
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老化條件100℃×24h |
邵爾A型硬度/度 |
56 |
55 |
52 |
52 |
51 |
|
撕裂強(qiáng)度/kN·m-1 |
29 |
27 |
26 |
27 |
25 |
|
|
拉伸強(qiáng)度/MPa |
6.3 |
6.3 |
6 |
5.9 |
5.9 |
|
|
伸長率/% |
652 |
683 |
670 |
629 |
653 |
|
|
100%定伸應(yīng)力/MPa |
1.7 |
1.5 |
1.6 |
1.6 |
1.5 |
|
|
200%定伸/MPa |
12 |
9.8 |
6.2 |
14.2 |
14.2 |
|
|
300%定伸/MPa |
3.2 |
3.0 |
3.1 |
3.1 |
3.0 |
|
|
永久變形/% |
25 |
25 |
25 |
24 |
22 |
|
|
龜裂等級 |
300000(0.0.0) |
300000(0.0.0) |
300000(0.0.0) |
300000(0.0.0) |
300000(0.0.0) |
|
老化后配方性能對比見表4。從表4可以看出， 老化后加入10份裂解炭黑代替N660炭黑，硬度略低，膠料硬度隨裂解炭黑加入量的增加而下降。當(dāng)替代30份N660炭黑時(shí)，硬度下降5個(gè)值，下降了10%。當(dāng)替代10份炭黑時(shí)，拉伸強(qiáng)度基本一致，隨著裂解炭黑用量的增加，拉伸強(qiáng)度逐漸下降，當(dāng)加入30份時(shí)，拉伸強(qiáng)度下降了6%。從300%定伸來看，老化后300%定伸隨裂解炭黑加入量的增加基本無明顯變化。
總之，使用10份裂解炭黑代替N660炭黑，老化后物性基本一致，可滿足氣密層物性要求，但隨著添加份數(shù)的增多，物理性能呈下降趨勢，故不能等量代替。裂解炭黑粗糙度較大，這樣硫化膠的定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度等會(huì)有下降，主要是因?yàn)榱呀馓亢诒砻娴目紫抖却?，橡膠大分子很難接近微孔，這樣對橡膠的補(bǔ)強(qiáng)性會(huì)變差。
3.氣密性測試
表5 氣密性測試結(jié)果
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樣品名稱 |
樣品厚度 /μm |
透氣量 /cm3·m-2·d·pa |
透氣系數(shù)(cm3·cm·cm-2·s·pa) |
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A |
1900 |
3.16E-04 |
6.96 E-14 |
|
B |
1870 |
3.22E-04 |
7.21 E-14 |
|
C |
1950 |
3.30E-04 |
7.35 E-14 |
|
D |
2000 |
3.42E-04 |
7.40 E-14 |
|
E |
1980 |
3.51E-04 |
7.43 E-14 |
氣密性測試結(jié)果見表5。氣密性作為輪胎氣密層膠料至關(guān)重要的一項(xiàng)性能，與輪胎的行駛安全有密切的相關(guān)性。A的透氣系數(shù)是6.96 E-14，B、C、D、E的透氣系數(shù)略有降低，即添加裂解炭黑后氣密性略微變差，但整體數(shù)據(jù)在同一數(shù)量級，故認(rèn)為添加裂解炭黑代替N660炭黑對膠料的氣密性影響不大。
4.成本分析
在半鋼氣密層配方中使用裂解炭黑代替N660炭黑，在保持配方原有物性的情況下，能夠降低膠料成本。如果采用10份裂解炭黑代替10份N660炭黑，單千克膠料成本可下降0.1元。
三、結(jié) 論
1. 在氣密層配方中，使用10份裂解炭黑代替10份N660炭黑，膠料老化前后硬度、拉伸強(qiáng)度、30萬次屈撓基本一致，MH略高，交聯(lián)密度高，氣密性在同一水平，都滿足氣密層配方要求。
2. 使用15份、20份、30份裂解炭黑代替等量的N660炭黑，膠料老化前后硬度、拉伸強(qiáng)度等物性均呈下降趨勢，雖然屈撓和氣密性均是同一水平，但物性下降較大，不能等量代替。
3.使用裂解炭黑代替N660炭黑，在不影響膠料性能的前提下，可降低膠料成本，又實(shí)現(xiàn)了廢舊輪胎的再利用，有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
