随着汽车行业的高速发展，轮胎工业产能也有很大提升，废旧轮胎数量急剧增加，造成很大的社会问题和环境问题。近些年，使用裂解技术处理废旧轮胎成为热门产业。废旧轮胎经过裂解可以产生裂解气、裂解油以及裂解炭黑等产品。裂解炭黑因其具有粒径大、比表面积小、结构低、易分散、流动性好等特点，在轮胎行业引起很大关注。本研究用裂解炭黑代替N660炭黑用于半钢胎气密层配方，与现有配方性能对比，考察其对胶料性能的影响。

一、试验

1. 原材料

天然橡胶（NR），STR 20；溴化丁基胶（BIIR），埃克森2222；炭黑N660，韩城黑猫炭黑有限公司；裂解炭黑，连云港裕生源环保科技有限公司。

2. 主要设备及仪器

密炼机，日本株式会社神户制钢所BB-2型；开炼机，湛江机械厂；平板硫化机，湖州宏侨橡胶机械有限公司；电子万能拉力机，INSTRON，美国；门尼黏度仪，阿尔法科技公司；流变仪，阿尔法科技公司；硬度计，高铁检测仪器有限公司；老化箱，重庆恒达仪器厂制造；屈挠，高铁检测仪器有限公司；压差法气体渗透仪；DIN磨耗量测试仪，高铁检测仪器有限公司；橡胶加工分析仪，阿尔法科技公司；动态热机械分析仪，德国高宝。

3. 混炼工艺

该胶料采用两段混炼工艺，一段是母炼工艺，在密炼机上进行，转子转速50～60r/s，首先加入生胶塑炼40s，再将小药、油和炭黑搅拌均匀，取1/3小药混合物加入密炼机混炼20s，后将剩余的小药混合物全部加入，通过调节转速及上顶栓，使温度在3min达到135℃，开卸料门排胶。二段是终炼，在开炼机上进行。将一段的母胶称重，将混炼胶加入开炼机，再加入提前配置好的终炼小药，吃粉过程中都要割胶，倒胶，待粉料全部吃进后，调整开炼机的辊距，通过打三角包、打卷、折叠等方式对胶料进行翻炼，待胶料颜色均一，表面光滑即可下片，下片后放置备用。

混炼胶硫化是在平板硫化机上进行的，硫化条件为168℃×10min。

4. 性能测试

（1）力学性能等均按相应国家标准进行测试。

（2）透气性能按照GB/T 7755-2003进行测试。

二、结果与讨论

1.化学检测数据

 表1  化学性能对比

从表1可以看出，裂解炭黑的性能指标与炭黑N660存在差异：裂解炭黑的DBP吸收值和吸碘值较炭黑N660略高，可能是因为裂解炭黑是由废旧轮胎高温裂解得到，而制造轮胎的配方中含有N234、N330、N326、N660等小粒径的炭黑，使裂解炭黑的结构度比炭黑N660略高。裂解炭黑的灰分比N660炭黑高35～40倍，可能是因为裂解炭黑中含有轮胎裂解过程中不能转化的成分，而N660炭黑是煤焦油不完全燃烧制得的，灰分较低。拉伸强度和300%定伸应力较N660低，说明裂解炭黑的补强性能较N660差。

2.裂解炭黑对气密层胶料性能的影响

（1）配方

表2  配方 phr

表2是使用裂解炭黑在气密层配方中替代不同份数的N660炭黑，其中A是半钢气密层原配方，B、C、D、E是在气密层配方中分别用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，其余药品份数不变。

（2）不同份数裂解炭黑对胶料老化前物理性能的影响

表3  老化前物性对比

从表3可以看出，将裂解炭黑用于气密层胶料中代替10份N660炭黑，胶料老化前硬度、密度、拉伸强度均相当，其中300%定伸应力低0.2个值，可以满足气密层胶料的物性要求。

随着裂解炭黑用量的增加，老化前胶料硬度、密度、拉伸强度、300%定伸应力均降低，当用30份裂解炭黑代替30份N660炭黑时，胶料老化前硬度低2个值，密度低0.01，拉伸强度降低14%，300%定伸应力下降11.5%，可能是因为裂解炭黑补强性能较N660炭黑差。但随着裂解炭黑加入量的增加，老化前30万次屈挠均通过试验，说明裂解炭黑的加入对屈挠性没有影响。

总之，使用10份裂解炭黑代替N660炭黑，老化前物性基本一致，可满足气密层物性要求，随着添加份数的增多，物理性能呈下降趋势，因此不能等量代替。这些可能都是因为裂解炭黑粒径影响的，炭黑粒径对胶料的拉伸强度等性能起主要作用，粒径大，硬度、拉伸强度等均有下降，伸长率会有提升；比表面积小，使橡胶与炭黑间界面积小，两者相互作用产生的结合胶少。

从图1、2、3可以看出，随着裂解炭黑份数增加，ML、MH、t90均呈上升趋势。MH上升，说明裂解炭黑的添加提高了胶料的交联密度。代替10份、15份N660炭黑t90略有延长；当代替30份时，t90延长了14%，可能是裂解炭黑中还有某些金属元素，影响胶料的硫变。

（3）不同份数裂解炭黑对胶料老化后物理性能的影响

表4  老化后配方性能对比

老化后配方性能对比见表4。从表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，胶料硬度随裂解炭黑加入量的增加而下降。当替代30份N660炭黑时，硬度下降5个值，下降了10%。当替代10份炭黑时，拉伸强度基本一致，随着裂解炭黑用量的增加，拉伸强度逐渐下降，当加入30份时，拉伸强度下降了6%。从300%定伸来看，老化后300%定伸随裂解炭黑加入量的增加基本无明显变化。

总之，使用10份裂解炭黑代替N660炭黑，老化后物性基本一致，可满足气密层物性要求，但随着添加份数的增多，物理性能呈下降趋势，故不能等量代替。裂解炭黑粗糙度较大，这样硫化胶的定伸应力、拉伸强度等会有下降，主要是因为裂解炭黑表面的孔隙度大，橡胶大分子很难接近微孔，这样对橡胶的补强性会变差。

3.气密性测试

表5 气密性测试结果

气密性测试结果见表5。气密性作为轮胎气密层胶料至关重要的一项性能，与轮胎的行驶安全有密切的相关性。A的透气系数是6.96 E-14，B、C、D、E的透气系数略有降低，即添加裂解炭黑后气密性略微变差，但整体数据在同一数量级，故认为添加裂解炭黑代替N660炭黑对胶料的气密性影响不大。

4.成本分析

在半钢气密层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况下，能够降低胶料成本。如果采用10份裂解炭黑代替10份N660炭黑，单千克胶料成本可下降0.1元。

三、结 论

1. 在气密层配方中，使用10份裂解炭黑代替10份N660炭黑，胶料老化前后硬度、拉伸强度、30万次屈挠基本一致，MH略高，交联密度高，气密性在同一水平，都满足气密层配方要求。

2. 使用15份、20份、30份裂解炭黑代替等量的N660炭黑，胶料老化前后硬度、拉伸强度等物性均呈下降趋势，虽然屈挠和气密性均是同一水平，但物性下降较大，不能等量代替。

3.使用裂解炭黑代替N660炭黑，在不影响胶料性能的前提下，可降低胶料成本，又实现了废旧轮胎的再利用，有很好的经济效益和社会效益。