劉玉強(qiáng)

（昆明學(xué)院，云南昆明650214）

炭黑是極其重要的一種橡膠工業(yè)原料，在橡膠工業(yè)中應(yīng)用是僅次于生膠使用量的第二位橡膠補(bǔ)強(qiáng)材料。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界炭黑消費(fèi)量的89.5%應(yīng)用于橡膠工業(yè)（其中輪胎用占比達(dá)67.5%）。輪胎工業(yè)的發(fā)展源于汽車工業(yè)的快速增長(zhǎng)，作為汽車行駛的運(yùn)行部件輪胎在使用至規(guī)定里程后將作報(bào)廢處理。我國(guó)是世界汽車生產(chǎn)與消費(fèi)大國(guó)，在2019年廢舊輪胎的產(chǎn)生量約3.3 億條，如此數(shù)量巨大的廢舊輪胎，不僅帶來(lái)環(huán)境影響和安全隱患，同時(shí)也是一種資源的浪費(fèi)。廢舊輪胎裂解作為廢舊輪胎回收利用的一種處理方式[1]，是解決廢舊輪胎的污染與資源問(wèn)題的有效途徑之一。在廢舊輪胎裂解過(guò)程中，裂解炭黑作為固相產(chǎn)物產(chǎn)生總輪胎膠料含量的35%左右，如何將其作為一種再資源化材料進(jìn)行綜合利用，對(duì)推動(dòng)廢舊輪胎的資源循環(huán)利用意義重大。

1 廢舊輪胎裂解炭黑的基本性能

廢舊輪胎裂解炭黑是將廢舊輪胎高溫裂解過(guò)程除去燃料油后的剩余固相物，其具有顆粒聚集度高、表面活性低、結(jié)構(gòu)性低的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)的橡膠炭黑性能存在一些差異。了解廢舊輪胎裂解炭黑的特性，可更好指導(dǎo)炭黑綜合利用[2]。廢舊輪胎裂解炭黑一般是在無(wú)氧或缺氧的條件下，通過(guò)諸如熱介質(zhì)、微波等加熱方式，使廢舊輪胎中的有機(jī)物產(chǎn)生熱裂解逸出揮發(fā)性產(chǎn)物后剩余的固相物，經(jīng)過(guò)再加工后制備的炭黑產(chǎn)品。廢舊輪胎裂解炭黑有其獨(dú)特性，主要應(yīng)用性能基本類似于橡膠用炭黑。根據(jù)化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：廢舊輪胎裂解炭黑（HG/T 5459—2008），其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1[3]。

表1 廢舊輪胎裂解炭黑產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)典型值

廢舊輪胎裂解炭黑由于其原料為廢橡膠高溫裂解時(shí)的產(chǎn)物，致使其熱解反應(yīng)的復(fù)雜性與不完全性，在炭黑粒子表面會(huì)殘留焦化油、橡膠烴、氧化鋅和白炭黑等，其中與炭黑最大的差異性是灰分含量較高，一般在15%～20%，主要為白炭黑和氧化鋅無(wú)機(jī)物，可以說(shuō)，廢舊輪胎裂解炭黑是一種混雜炭黑復(fù)合材料。

2 廢舊輪胎裂解炭黑的綜合利用

2.1 在輪胎和橡膠制品工業(yè)中的利用

廢舊輪胎裂解炭黑是輪胎橡膠裂解后的回收還原炭黑，盡管其對(duì)橡膠的補(bǔ)強(qiáng)性能不如原生炭黑，但可以通過(guò)與橡膠配方材料的合理搭配返回應(yīng)用于輪胎一些組成部件膠料中，生產(chǎn)物美價(jià)廉的輪胎產(chǎn)品[4]。在輪胎中使用，一般以部分取代的方式應(yīng)用（摻混原生的炭黑）為佳。輪胎主要由胎面、胎側(cè)、胎體簾布膠、三角膠和內(nèi)胎部件組成，裂解炭黑可廣泛應(yīng)用到除要求耐磨性好的輪胎胎面之外的部件膠中使用。對(duì)于一些低速應(yīng)用的如力車輪胎、工程輪胎等，則還可全胎中部分替代炭黑來(lái)應(yīng)用。

除輪胎之外的其他各種橡膠制品，如輸送帶、傳動(dòng)帶、膠管、工業(yè)橡膠制品、鞋類及密封條等制品，都可適量部分加入裂解炭黑使用。由于各種橡膠制品的性能要求與使用條件不同，在產(chǎn)品應(yīng)用裂解炭黑上，要從生膠選擇硫化體系確定以及各種配合劑的搭配優(yōu)選添加使用，保證產(chǎn)品的膠料加工性能以及各項(xiàng)物理機(jī)械性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。實(shí)現(xiàn)橡膠制品成本與性能的綜合平衡，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

2.2 作為色素炭黑的利用

廢舊輪胎裂解炭黑作為色素炭黑的利用主要是作為著色劑應(yīng)用于塑料、涂料于油墨中[5]。廢舊輪胎裂解炭黑在作為著色劑應(yīng)用時(shí)的色相一般呈藍(lán)色相，其有增強(qiáng)高色度視覺(jué)的優(yōu)勢(shì)，并表現(xiàn)為良好的使用分散性。盡管在著色力、飽和度和黑度等方面不如傳統(tǒng)色素炭黑，但可以通過(guò)表面處理或改性調(diào)配彌補(bǔ)其不足，并以其成本的優(yōu)勢(shì)，作為黑色著色劑使用。

炭黑在塑料中作為著色劑主要是用于生產(chǎn)黑色塑料或用于調(diào)色。塑料黑色母粒是炭黑著色最常用形式的高濃度著色劑。塑料利用色母粒著色效果優(yōu)越，其著色塑料色澤均勻、分散性好、色差小、應(yīng)用簡(jiǎn)單方便。同樣在涂料工業(yè)中，炭黑可以作為生產(chǎn)黑色涂料或作調(diào)色使用。其作為著色劑制黑色涂料用量一般添加量占成膜物質(zhì)質(zhì)量的3%～5%，并以粉狀形態(tài)來(lái)使用。油墨是印刷行業(yè)的印刷材料，黑色油墨是印刷用量最大的油墨品種，它由炭黑、連接料和助劑經(jīng)過(guò)充分?jǐn)嚢?，反?fù)研磨，分散均勻而制成的黑色膠粘狀流體。

另外在造紙和建材行業(yè)方面還可作為黑色料用著色劑，如種果樹(shù)和包裝用的果袋紙中（雙色面）的黑色一面著色紙。

2.3 公路瀝青改性用添加劑

在公路瀝青路面方面，隨著汽車運(yùn)行的高速化和重載化發(fā)展，對(duì)公路改性瀝青提出了更高要求。如果在瀝青中添加炭黑進(jìn)行改性，對(duì)瀝青的粘彈性、耐磨性及強(qiáng)度都會(huì)有所改善，從而提高公路路面的使用性能[6]。與普通瀝青路面相比，添加炭黑后的改性瀝青可抑制路面升溫時(shí)的硬度下降軟化，提高抗紫外線老化性能，耐龜裂性、耐疲勞性以及耐磨性都有提高。又如在聚合物改性瀝青添加炭黑可以提高改性瀝青的停放穩(wěn)定性，防止瀝青的混溶停放分層，同時(shí)又可提高改性瀝青的彈性回復(fù)性。改性瀝青添加裂解炭黑應(yīng)用可克服傳統(tǒng)炭黑改性成本偏高應(yīng)用受限之不足，裂解炭黑是一種改性瀝青應(yīng)用的性價(jià)比優(yōu)良添加劑，值得在公路改性瀝青中大量應(yīng)用。裂解炭黑由于其獨(dú)特的性能以及成本優(yōu)勢(shì)，對(duì)于瀝青改性應(yīng)用顯示良好的推廣應(yīng)用前景，尤其在我國(guó)的高原地區(qū)應(yīng)用可以改善瀝青的綜合性能（如抗老化）而提高路面使用壽命，尤其在紫外線照射強(qiáng)度高的青藏高原公路路面使用。

2.4 改性處理生產(chǎn)活性炭

活性炭目前主要是以煤、重質(zhì)油和植物纖維來(lái)先生產(chǎn)出炭素材料，然后再通過(guò)活性而成，由于其高度的孔隙結(jié)構(gòu)、大比表面積和高吸附性，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、化工、廢水廢氣處理等方面，作為裂解炭黑只要經(jīng)過(guò)改性和活化處理，便可制成活性炭產(chǎn)品。

目前裂解炭黑可采用化學(xué)、物理化學(xué)和氣體活化等方法活化。根據(jù)裂解炭黑本體材料的特點(diǎn)，用一定的改性活化方法處理裂解炭黑使其表面孔隙大小分布及比表面積達(dá)到活性炭的要求。廢舊輪胎裂解炭黑通過(guò)用硫酸和氫氧化鈉改性處理后制備的活性炭[7]，然后再進(jìn)行碳化反應(yīng)制成活性炭，其用于處理工業(yè)廢水具有較好的處理效果，可以替代高價(jià)格的工業(yè)活性炭，實(shí)現(xiàn)了裂解炭黑的高值化利用。

2.5 回收利用其中的氧化鋅

氧化鋅是一種重要的工業(yè)原料，裂解炭黑其中灰分物質(zhì)的主要成分以氧化鋅為主（橡膠配方中添加的活性劑），如果將其中的氧化鋅回收利用則可以提高回收炭黑的經(jīng)濟(jì)性[8]。有一種方法是利用有機(jī)酸處理裂解炭黑，使裂解炭黑的灰分含量降低而提高炭黑的品質(zhì)，同時(shí)對(duì)有機(jī)酸處理液再加工得到高附加值氧化鋅產(chǎn)品。這種利用方法比傳統(tǒng)的強(qiáng)無(wú)機(jī)酸（堿）液處理炭黑提純的優(yōu)勢(shì)明顯，既不破壞炭黑的本體結(jié)構(gòu)，又解決酸（堿）液難以回收問(wèn)題。冶金行業(yè)中含鋅礦產(chǎn)資源日益減少以及品質(zhì)的降低，尋找新礦源已成為冶金行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)，如果廢舊輪胎裂解炭黑中的鋅回收利用，不僅為冶金行業(yè)找到了一種新的礦源，同時(shí)由于在提氧化鋅之后的純化，使炭黑品質(zhì)得到全面提高，在經(jīng)濟(jì)上的回收利用價(jià)值顯示較大的優(yōu)勢(shì)。

2.6 混配作導(dǎo)電炭黑利用

導(dǎo)電炭黑是炭黑三大種類之一（橡膠、素色及導(dǎo)電炭黑），由于其獨(dú)特的導(dǎo)電性能和良好的性價(jià)比，廣泛應(yīng)用于各種導(dǎo)電和防靜電制品，如導(dǎo)電橡膠、塑料涂料、電池、電容器以及煤礦防靜電產(chǎn)品[9]。目前，導(dǎo)電炭黑主要來(lái)源有三大類，爐法導(dǎo)電、乙炔炭黑和重油造氣副產(chǎn)碳黑。導(dǎo)電炭黑一般具有粒徑小、結(jié)構(gòu)高、粒子表面粗糙和表面活性大的特點(diǎn)，其導(dǎo)電性主要源于炭黑多核芳烴結(jié)構(gòu)特征。乙炔碳黑是最常用導(dǎo)電炭黑，對(duì)比裂解炭黑與之差異主要體現(xiàn)在吸油值與灰分差異上，但是裂解炭黑具有賦金屬導(dǎo)電特性，為導(dǎo)電性的改變可能會(huì)起到一些積極作用。導(dǎo)電炭黑制備導(dǎo)電材料，與其應(yīng)用中使用的基體主材、添加劑等有關(guān)，因此，裂解炭黑若通過(guò)改性并與適當(dāng)?shù)幕呐浜?，作為?dǎo)電炭黑應(yīng)用是有可能的，需要專門(mén)進(jìn)行研究與開(kāi)發(fā)利用。

3 結(jié)語(yǔ)

廢舊輪胎裂解炭黑是輪胎橡膠高溫裂解之后的一種有別于傳統(tǒng)炭黑的新型炭黑材料。由于其結(jié)構(gòu)與性能的特性，決定了其在炭黑應(yīng)用領(lǐng)域具有一定的適用性和經(jīng)濟(jì)性。在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際要求，采用相應(yīng)的處理方法作為炭黑替代品利用。廢舊輪胎裂解作為我國(guó)廢舊輪胎資源循環(huán)利用的一個(gè)主要方向，對(duì)其裂解炭黑通過(guò)物理和化學(xué)處理使之推廣應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)節(jié)約資源與保護(hù)環(huán)境都具有現(xiàn)實(shí)意義。尤其在輪胎與橡膠制品這一炭黑重要應(yīng)用領(lǐng)域中的研究與開(kāi)發(fā)，值得化工環(huán)保與橡膠行業(yè)的科技人員重視，使這一寶貴的炭資源實(shí)現(xiàn)再利用，推動(dòng)我國(guó)廢輪胎熱裂解循環(huán)利用技術(shù)的發(fā)展。