高強(qiáng)度環(huán)保再生膠在輪胎中的應(yīng)用探討

錢寒東

[大冢材料科技（上海）有限公司 ，上海 200233]

高強(qiáng)度環(huán)保再生膠在輪胎中的應(yīng)用探討

錢寒東

[大冢材料科技（上海）有限公司 ，上海 200233]

為解決廢舊橡膠的處理困難，以及傳統(tǒng)高溫脫硫的再生膠生產(chǎn)工藝對(duì)環(huán)境污染的危害，介紹了一種采用高剪切螺桿擠出的無污染環(huán)保生產(chǎn)工藝制得的再生橡膠，并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，探討了該材料在兩種輪胎胎面膠中應(yīng)用的可行性。

再生膠；高溫脫硫；環(huán)保再生膠；胎面膠；全鋼胎；半鋼胎

0 前 言

中國是一個(gè)橡膠應(yīng)用大國，橡膠的年消耗量居世界第一位；與此同時(shí)，中國又是一個(gè)橡膠資源嚴(yán)重匱乏的國家，年消耗量的60%需要進(jìn)口，且短時(shí)間內(nèi)很難有根本的解決方案。另一方面，隨著社會(huì)的發(fā)展，汽車不斷普及，廢舊輪胎大量產(chǎn)生。這是一種再生資源，是新材料領(lǐng)域中的“寶”，甚至可以說是一座掘不盡的金礦。尤其在當(dāng)前中國橡膠資源緊缺的情況下，廢舊橡膠制品的再生利用更具有積極的意義。自2004年黨的十六屆四中全會(huì)提出“大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，建設(shè)節(jié)約型社會(huì)”以來，中國輪胎循環(huán)利用產(chǎn)業(yè)獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展[1]。

然而傳統(tǒng)的高溫動(dòng)態(tài)脫硫生產(chǎn)再生膠工藝不僅能耗大，對(duì)環(huán)境的污染更為嚴(yán)重。這種工藝在生產(chǎn)過程中必須添加化工原料，大多數(shù)（其中有幾十種）是對(duì)人體是有嚴(yán)重毒害的，同時(shí)在生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生噪聲、粉塵、硫化氫、二氧化硫、煤焦油、苯、甲苯、二甲苯等，危害性顯而易見，所以這種生產(chǎn)工藝已被國家明令禁止[2]。

再生膠可代替部分生膠用于生產(chǎn)各種橡膠制品，或100%使用再生膠生產(chǎn)低檔橡膠制品，這在我國已有幾十年的歷史。由于再生膠的加工工藝性能優(yōu)良，價(jià)格低廉，它的價(jià)格只有生膠的三分之一左右，因此得到了廣泛應(yīng)用。再生膠的優(yōu)點(diǎn)：

（1）有良好的塑性，易于生膠和配合劑混合，節(jié)省工時(shí)，降低動(dòng)力消耗；

（2）收縮性小，能使制品有平滑的表面和準(zhǔn)確的尺寸；

（3）流動(dòng)性好，易于制作模壓制品；

（4）耐老化性好，能改善橡膠制品的耐自然老化性能；

（5）硫化速度快，耐焦燒性好。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國再生膠產(chǎn)量已由”十五”期間的600萬t發(fā)展到了“十一五”的1225萬t，成為生產(chǎn)大國[3]。然而，作為橡膠用量最大的行業(yè)，輪胎行業(yè)在對(duì)再生膠的應(yīng)用上一直諱莫如深，很少有知名輪胎生產(chǎn)廠家發(fā)表有關(guān)再生膠在輪胎中應(yīng)用的文章。出于輪胎行業(yè)安全性要求較高、民用性較廣的因素，對(duì)再生膠的應(yīng)用十分小心謹(jǐn)慎。

用較為先進(jìn)的雙螺桿擠出法制作了環(huán)保再生膠，并通過實(shí)驗(yàn)比較、成本核算，探討該再生橡膠在輪胎胎面膠中應(yīng)用的可行性。

1 環(huán)保再生膠的制作

不同于傳統(tǒng)的再生膠脫硫罐生產(chǎn)技術(shù)，雙螺桿擠出技術(shù)采用的是雙螺桿或者多階螺桿強(qiáng)力剪切復(fù)合脫硫工藝：將廢橡膠粉碎成細(xì)小顆粒，再與少量復(fù)原劑配合，通過密閉的高剪切螺桿擠出，使原先穩(wěn)定的碳硫鍵斷裂，并部分置換出游離態(tài)的硫，使膠料從網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)變成具有可塑性的線性結(jié)構(gòu)，重新賦予膠料流動(dòng)性[4]。

圖1 環(huán)保再生膠的制作工藝流程

可以看出，這種工藝不需要加水、增塑劑等材料，投入多少產(chǎn)出多少，整個(gè)過程既沒有廢水產(chǎn)生，也沒有廢氣、廢渣，真正做到了環(huán)保生產(chǎn)。只要工藝控制得當(dāng)，配合合理，可以制得具有如下優(yōu)點(diǎn)的再生膠：

1）連續(xù)化生產(chǎn)，成本較傳統(tǒng)再生膠的低廉；

2）強(qiáng)度更高，且可控性更強(qiáng)；

3）沒有增塑劑，氣味較低；

4）沒有污染，生產(chǎn)過程中不產(chǎn)生廢氣、廢液、廢渣。

那么，這種材料的實(shí)際應(yīng)用情況如何呢？把這種環(huán)保再生膠和普通再生膠作一比較，并將其應(yīng)用在以兩種不同生膠為主的輪胎胎面膠中進(jìn)行試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析。

2 試 驗(yàn)

2.1 材料

STR20天然膠，泰國進(jìn)口；環(huán)保再生膠，大冢材料科技有限公司；助劑OPRНAZ，大冢化學(xué)株式會(huì)社；復(fù)原劑EDW-3，揚(yáng)州多肯新材料有限公司；N234炭黑，卡博特公司；白炭黑，無錫確成硅化學(xué)有限公司。其他原材料均為橡膠輪胎工業(yè)常用材料。

2.2 基本配方

1）再生膠檢驗(yàn)配方（單位：份）：再生橡膠，300.0；促進(jìn)劑M，3.0;氧化鋅 7.5；硫磺 4.5。

2）全鋼胎胎面膠配方（單位：份）：天然膠，100.0；炭黑N234，40.0；白炭黑，15.00；Si69，3.00；氧化鋅, 4.00；硬脂酸，2.00；TMQ，1.50；微晶蠟，1.00；6PPD，2.00;硫磺，1.00；TBBS，1.50；CTP，0.15；助劑OPRНAZ，0.25。

3）半鋼胎胎面膠配方（單位：份）：天然膠，20.00；丁苯膠，80.00；白炭黑，55.00；炭黑N234，5.00；Si69，8.00；硬脂酸，0.50；微晶蠟，1.00；6PPD，2.00；硫磺，1.00；TBBS，1.50；CTP，0.15；助劑OPRНAZ，0.25。

2.3 工藝流程

1）塑煉：將天然橡膠和再生膠一起塑煉，薄通五次。

2）混煉：按基本配方稱量材料，在密煉機(jī)中煉膠，排膠溫度140～150 ℃，然后在開煉機(jī)上加入硫化體系。

3）按照各項(xiàng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，將膠料做成標(biāo)準(zhǔn)試片，之后測(cè)量各項(xiàng)物理性能。

2.4 性能測(cè)試

按ASTM D 412 《硫化橡膠和熱塑性橡膠拉伸性能的測(cè)定》、ASTM D 2240-2005(2010) 《硫化橡膠邵爾A硬度試驗(yàn)方法》、 ASTM D 5289-2007a 《橡膠用無轉(zhuǎn)子硫化儀測(cè)定硫化性能》、ASTM D 7121-2005 《硫化橡膠回彈性的測(cè)定》、ASTM D 1646-2004《橡膠黏度應(yīng)力松弛及硫化特性的試驗(yàn)方法》、GB/T 13460—92《再生橡膠》、Afрs GS 2014：01 Pak 《多環(huán)芳烴（PAНS）含量測(cè)試》等各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行性能測(cè)試。

2.5 主要設(shè)備

用到的主要儀器設(shè)備有1.5L密煉機(jī)，Ф200開放式煉膠機(jī)，40T微機(jī)控制平板硫化機(jī)，ZWICK邵氏A型橡膠硬度計(jì)，ZWICK萬能材料試驗(yàn)機(jī)，MONTECН MV3000門尼黏度計(jì)，MONTECН D-MDR3000無轉(zhuǎn)子橡膠硫化流變儀，GOTECН恒溫烘箱，GOTECН AKRON磨耗儀，GOTECН橡膠回彈儀，島津分析天平，儀尊DMA測(cè)試儀等。

3 結(jié)果與討論

3.1 環(huán)保天然橡膠的性能測(cè)試

按照天然橡膠的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13460—92，采用2.2中的1）配方，將環(huán)保再生膠與傳統(tǒng)再生膠在開煉機(jī)上加工，做成小樣，并進(jìn)行性能測(cè)試（表1）。

表1 環(huán)保再生膠與傳統(tǒng)再生膠性能對(duì)比

從表1可以看出，一方面，在多環(huán)芳烴含量上，環(huán)保再生膠要遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)再生膠，在實(shí)際應(yīng)用過程中可以表現(xiàn)為制成的產(chǎn)品不會(huì)出現(xiàn)明顯變色、溢出、遷移等，因此它的環(huán)保意義不僅在于它的生產(chǎn)過程中，也存在這種材料本身的屬性上；另一方面，環(huán)保再生膠的拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度要高于傳統(tǒng)再生膠，膠料的門尼黏度偏高。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)再生膠在制作過程中大量使用水、溶劑等添加物，而環(huán)保再生膠除了一些復(fù)原劑以及助劑外，不再添加其他材料。正是這個(gè)原因，環(huán)保再生膠的硬度更接近于普通輪胎胎面膠的硬度，而傳統(tǒng)再生膠硬度就比較低。

3.2 環(huán)保再生膠對(duì)全鋼胎和半鋼胎的硫化性能的影響

將不同含量的再生膠添加在以天然橡膠為主的全鋼胎配方[2.2中的配方2)]和以合成橡膠為主、硬度較低的半鋼胎配方中[2.2中的配方3)]。首先來看它對(duì)硫化性能的影響。

從圖2～4可以看出，隨著再生膠在胎面中添加量的增加，焦燒時(shí)間會(huì)明顯縮短，交聯(lián)程度會(huì)明顯降低；而在硫化速度方面，以天然橡膠為主的全鋼胎胎面膠的硫化速度變化不大，但以合成膠為主的半鋼胎胎面膠的硫化速度變化較大，大大加快了硫化速度。

圖2 添加再生膠對(duì)胎面膠焦燒性能的影響

圖3 添加再生膠對(duì)胎面膠硫化特性的影響

圖4 添加再生膠對(duì)胎面膠交聯(lián)程度的影響

在生產(chǎn)環(huán)保再生膠的過程中，復(fù)原劑與膠粉作用可以部分置換出一定量的硫化體系，同時(shí)復(fù)原劑也有一定的促進(jìn)交聯(lián)作用，所以在摻用的過程中會(huì)加快膠料硫化和焦燒的速度。

3.3 環(huán)保再生膠對(duì)全鋼胎和半鋼胎物理性能的影響

通過表1我們可以看出，環(huán)保再生膠本身的強(qiáng)度在12 MPa左右，要比普通輪胎胎面膠的強(qiáng)度低很多。所以添加再生膠會(huì)不可避免地降低輪胎的物理性能。那么究竟會(huì)是怎樣一個(gè)情況呢？請(qǐng)見圖5～9。

可以看到，添加再生膠后，胎面膠的強(qiáng)度和回彈性能有一定程度的下降，添加30份該再生膠，性能下降率在20%左右。但是再生膠的添加基本不影響胎面膠的硬度、撕裂和拉斷伸長(zhǎng)率等性能。由于在化學(xué)斷鏈過程中無法達(dá)到100%的復(fù)原效果，因此再生膠中不可避免存在著無法交聯(lián)的橡膠顆粒，從而降低了膠料的強(qiáng)度和彈性。但20%的下降范圍只要配合得當(dāng)還是可以很好地滿足輪胎的使用要求的。更何況，硬度、撕裂等性能并沒有受到很大的影響。

圖5 添加再生膠對(duì)胎面膠拉伸強(qiáng)度的影響

圖6 添加再生膠對(duì)胎面膠硬度的影響

圖7 添加再生膠對(duì)胎面膠撕裂強(qiáng)度的影響

圖8 添加再生膠對(duì)胎面膠回彈性能的影響

圖9 添加再生膠對(duì)胎面膠拉斷伸長(zhǎng)率的影響

3.4 環(huán)保再生膠對(duì)全鋼胎和半鋼胎動(dòng)態(tài)性能的影響

對(duì)添加了這種環(huán)保再生膠的胎面膠進(jìn)行了DMA動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，以便在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)試它在輪胎中的應(yīng)用效果。

從圖10～11可以發(fā)現(xiàn)，添加再生膠并不影響胎面膠的動(dòng)態(tài)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，但對(duì)動(dòng)態(tài)損耗因子tan δ有明顯的影響，其會(huì)隨著再生膠添加量的增加而提高，特別是在以天然橡膠為主的全鋼胎胎面膠的配方中表現(xiàn)地較為明顯。也就是說，隨著再生膠添加量的增加，輪胎胎面膠的滾動(dòng)阻力增加，滾動(dòng)生熱增加。但是，膠料的抓地力會(huì)提升，抗?jié)窕阅芎透咚傩旭傂阅芫鶗?huì)改善。

圖10 添加再生膠對(duì)胎面膠動(dòng)態(tài)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的影響

圖11 添加再生膠對(duì)胎面膠動(dòng)態(tài)損耗因子tan δ的影響

3.5 環(huán)保再生膠在全鋼胎中應(yīng)用的生產(chǎn)成本和性能比較

從企業(yè)效益出發(fā)，在滿足輪胎安全使用的前提下，在輪胎生產(chǎn)過程中應(yīng)用再生膠的最大驅(qū)動(dòng)力來自于材料成本的降低。假定輪胎胎面膠的材料成本為15元/kg（僅供參考），添加環(huán)保再生膠后，成本與拉伸強(qiáng)度性能的對(duì)比如圖12所示。

由圖12可以看到，材料的性能和材料的價(jià)格是成正比的。隨著再生膠添加量的增加，膠料的性能會(huì)明顯減小，材料成本也會(huì)降低。這時(shí)，一方面要考慮整個(gè)材料的配合，另一方面也要取決產(chǎn)品的性能需求。相關(guān)資料表明，在輪胎膠料中使用5份再生膠，能在保證各項(xiàng)性能不變的情況下，適當(dāng)改善膠料的屈撓性和老化性，以及成品輪胎的高速性、耐久性，并為企業(yè)節(jié)約大量成本[5]。

圖12 添加再生膠對(duì)胎面膠成本與拉伸強(qiáng)度的影響

4 結(jié) 語

本實(shí)驗(yàn)證明，在輪胎胎面膠中并用環(huán)保再生膠會(huì)有如下影響：

（1）加快硫化速度，縮短焦燒時(shí)間，交聯(lián)密度有一定程度下降。

（2）在物理性能方面，拉伸強(qiáng)度與回彈性會(huì)有所下降，硬度、撕裂與拉斷伸長(zhǎng)率基本沒有變化。

（3）動(dòng)態(tài)性能方面，雖不影響胎面的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，但會(huì)提高動(dòng)態(tài)損耗因子tan δ，使生熱增加，抓地力提高。

（4）經(jīng)濟(jì)性方面，添加再生膠可明顯降低材料成本。

因此，在輪胎胎面膠中適量添加環(huán)保再生膠是可以滿足輪胎基本使用要求的。在使企業(yè)獲得一定經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也可以推動(dòng)環(huán)保再生膠的發(fā)展，有利于減少進(jìn)口依賴、節(jié)能減排，為資源循環(huán)利用作出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 錢伯章.廢舊輪胎回收利用的現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].現(xiàn)代科技，2008, 34(2)：8-11.

[2] 李興福，徐鶴. 中國廢舊輪胎利用途徑的環(huán)境影響評(píng)價(jià)[J].環(huán)境污染和防治, 2010, 32(11)：99-101.

[3] 曹慶鑫.我國再生橡膠工業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].橡膠科技, 2010(16)：1-4.

[4] 馬瑞剛.廢舊橡膠再生技術(shù)進(jìn)展和橡膠的環(huán)保再生[J].橡膠科技, 2007(15)：21-24.

[5] 李冬，田小順.再生膠在轎車子午線輪胎側(cè)膠中的應(yīng)用[J].輪胎工業(yè), 2009, 29(2)：105-108.

[責(zé)任編輯：朱 胤]

中策橡膠集團(tuán)實(shí)現(xiàn)了德國人最先提出的工業(yè)4.0

不久前，新聞聯(lián)播播出的一條新聞，為杭州加上了一頂新的“桂冠”——智能制造之城。新聞聯(lián)播點(diǎn)贊的這家企業(yè)是位于杭州的中策橡膠集團(tuán)。通過與阿里云合作開展的中策橡膠智能工廠項(xiàng)目，這家國內(nèi)最大的輪胎制造企業(yè)，已經(jīng)使混煉膠平均合格率有了3至5個(gè)百分點(diǎn)的提升。有人驚呼，沒想到德國人最先提出工業(yè)4.0，竟然被浙江人率先實(shí)現(xiàn)了!今年4月，浙江省信息化工作領(lǐng)導(dǎo)小組發(fā)布《浙江省“企業(yè)上云”行動(dòng)計(jì)劃(2017)》。指出要通過引導(dǎo)，讓10萬家企業(yè)有能力利用最新技術(shù)來提升效率，向“云”要發(fā)展新動(dòng)能，加速向智造大省邁進(jìn)。這一計(jì)劃集中體現(xiàn)了當(dāng)前工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)等領(lǐng)域?qū)υ朴?jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)的需求?！墩闵獭酚浾咴诓稍L中獲悉，阿里云在計(jì)劃推出后表示，已經(jīng)為此聯(lián)合生態(tài)合作伙伴組建專門服務(wù)團(tuán)隊(duì)，利用自身在云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能領(lǐng)域的深厚積累，通過ET工業(yè)大腦、ET城市大腦、ET醫(yī)療大腦等一系列產(chǎn)品與服務(wù)方案，使工農(nóng)商各領(lǐng)域企業(yè)順利實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，挖掘中國制造“1%的威力”。事實(shí)上，以中策橡膠、吉利為代表的浙江企業(yè)已經(jīng)在生產(chǎn)制造中感受到了云計(jì)算、大數(shù)據(jù)帶來的技術(shù)紅利。

作為杭州市首批“兩化融合”(信息化和工業(yè)化)企業(yè)，中策橡膠在研發(fā)、質(zhì)檢、生產(chǎn)等產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)積累了信息數(shù)據(jù)，但如何有效處理海量數(shù)據(jù)成為難題。阿里云ET工業(yè)大腦自2016年底入駐中策橡膠的生產(chǎn)車間，對(duì)中策橡膠生產(chǎn)端的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)。以輪胎生產(chǎn)中的主要原材料橡膠為例，中策橡膠每天從全球采購千噸量級(jí)的橡膠塊，將橡膠塊合成混煉膠最終進(jìn)入生產(chǎn)線。不同膠源產(chǎn)地、加工廠、批次等數(shù)千個(gè)復(fù)雜因子都會(huì)影響橡膠塊質(zhì)量，這些因子的相親相斥也直接影響了是否能合成優(yōu)質(zhì)的混煉膠。和以往更依托經(jīng)驗(yàn)的質(zhì)檢方式不同，ET工業(yè)大腦通過人工智能算法，能在短時(shí)間內(nèi)處理分析每一塊橡膠的出身，匹配最優(yōu)的合成方案，極大地穩(wěn)定了混煉膠性能，大大降低在加工環(huán)節(jié)的成本投入。目前，阿里云已幫助中策橡膠提升混煉膠平均合格率3%～5%?！昂细衤实奶嵘磕昴軌蚬?jié)省千萬級(jí)的成本。目前中策已和阿里云策劃更深度的合作，希望通過對(duì)輪胎屬性、門店數(shù)據(jù)等信息的運(yùn)算分析，對(duì)影響產(chǎn)品性能、購買需求的因子進(jìn)行分析排序，從而對(duì)供給端實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步優(yōu)化?！敝胁呦鹉z副總經(jīng)理張利民說。

（轉(zhuǎn)載自中國橡機(jī)網(wǎng)）

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2017-04-07