廢舊輪胎的熱解技術(shù)工藝連續(xù)，成本較低，且生產(chǎn)過程裂解氣可循環(huán)回用，成為廣為采用的工業(yè)化處理工藝。廢輪胎熱解可以得到固（鋼絲和熱解炭黑）、液（裂解油）、氣（裂解氣）三種不同產(chǎn)物，熱解炭黑的形成過程如下圖所示。它主要由在輪胎生產(chǎn)過程中添加的炭黑和其他無機(jī)填料，以及部分沉積在熱解炭黑表面的焦炭物質(zhì)等組成。熱解炭黑具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。由于廢輪胎熱解炭黑的粒徑不均勻、灰分含量高、裂解過程產(chǎn)生的膠質(zhì)層覆蓋原有的活性部位以及空隙容積較小等問題，熱解炭黑在實(shí)際應(yīng)用中受到很多限制。因此，可針對熱解炭黑的應(yīng)用進(jìn)行不同的改性處理以提高熱解炭黑的利用價(jià)值。

廢輪胎熱解炭黑（CBp）形成過程

炭黑是橡膠工業(yè)中重要的補(bǔ)強(qiáng)填充劑，決定炭黑補(bǔ)強(qiáng)橡膠效果的是炭黑的粒徑、比表面積、結(jié)構(gòu)度以及表面性質(zhì)等因素。

熱解炭黑的灰分含量明顯高于其他幾種商品炭黑，除此之外，還存在鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)吸收值小、吸碘值小等缺點(diǎn)，這些都制約了熱解炭黑的商業(yè)化應(yīng)用。通過研究廢舊輪胎熱解炭黑對天然橡膠膠料性能的影響，并與商品炭黑進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)熱解炭黑與商品炭黑雖然在組成和結(jié)構(gòu)上基本相似，但熱解炭黑對于橡膠的補(bǔ)強(qiáng)性能明顯弱于商品炭黑，因此可以對熱解炭黑進(jìn)行改性提高其補(bǔ)強(qiáng)性能，從而實(shí)現(xiàn)部分替代商品炭黑。

廢輪胎熱解炭黑設(shè)備

炭黑與橡膠之間的物理吸附和化學(xué)吸附是炭黑補(bǔ)強(qiáng)橡膠的主要原因。物理吸附是指炭黑和橡膠以分子間作用力的形式進(jìn)行結(jié)合，這種物理吸附的強(qiáng)弱取決于炭黑的比表面積大小。炭黑表面活性的大小代表其化學(xué)吸附能力的大小。熱解炭黑中的灰分會覆蓋其表面的活性位點(diǎn)，大大降低炭黑和橡膠之間的接觸面積，使其吸附能力變?nèi)?，?dǎo)致其較差的補(bǔ)強(qiáng)性能。因此，去除熱解炭黑的灰分，降低炭黑粒徑，并進(jìn)行表面活化可以提高其比表面積和表面活性。熱解炭黑的改性主要包括酸處理改性和改性劑復(fù)合改性等方法。

廢輪胎熱解炭黑（CBp）應(yīng)用領(lǐng)域

1、酸處理改性熱解炭黑

酸處理本質(zhì)上是熱解炭黑除灰和表面部分氧化的過程，在酸溶降低灰分含量的同時(shí)，改變其多孔結(jié)構(gòu)，增加羧基官能團(tuán)數(shù)量，從而改善熱解炭黑在水中的分散性。

采用鹽酸處理熱解炭黑，其灰分降至4.9%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），比表面積增大，實(shí)際密度和孔隙度也和商業(yè)炭黑N375相近，將鹽酸處理后的炭黑用到丁苯橡膠(SBR)中部分力學(xué)性能與N550補(bǔ)強(qiáng)SBR的性能相當(dāng)，證明改性后的熱解炭黑具有較好的補(bǔ)強(qiáng)作用。分別采用鹽酸、硝酸以及鹽酸/硝酸處理熱解炭黑，其灰分含量大幅度下降。應(yīng)用到天然橡膠/順丁橡膠(NR/BR)中，發(fā)現(xiàn)鹽酸酸洗熱解炭黑對NR/BR硫化膠的補(bǔ)強(qiáng)效果最好，應(yīng)用到輪胎中，輪胎的耐磨性提高，滾動(dòng)阻力下降。將熱解炭黑經(jīng)過濃硝酸和濃氫氟酸依次處理得到改性熱解炭黑，去除熱解炭黑中的無機(jī)填料，炭黑的成分和表面活性增加，增強(qiáng)了炭黑粒子與橡膠之間的相互作用。進(jìn)一步將改性熱解炭黑用于補(bǔ)強(qiáng)SBR硫化膠，硫化膠的力學(xué)性能和耐磨性均有提高。使用鹽酸和氫氟酸聯(lián)合酸洗處理熱解炭黑，灰分去除率可達(dá)98.33%。對改性后的熱解炭黑進(jìn)行表征，其表面性能、孔隙率和形貌特征均與N326接近。因此，改性后的熱解炭黑可以成為N326的潛在替代品。

綜上所述，不同酸洗方式對炭黑改性的效果不同，采用單一的酸進(jìn)行酸洗時(shí)，硝酸酸洗脫除灰分效果較好，酸洗之后炭黑的比表面積略大。聯(lián)合酸洗要比使用單種酸達(dá)到的效果更好，其中，去除灰分最高的是硝酸/氫氟酸的聯(lián)合酸洗，這可能是由于氫氟酸可以脫除熱解炭黑表面存有的二氧化硅，使得炭黑中的灰分降至較低的水平。但是酸洗過程會產(chǎn)生腐蝕設(shè)備和廢液污染等問題，經(jīng)濟(jì)效益較低，所以尋找一種合理有效且有一定經(jīng)濟(jì)效益的酸洗方法迫在眉睫。

2、改性劑復(fù)合改性熱解炭黑

在一定粒徑范圍內(nèi)，熱解炭黑越細(xì)越能呈現(xiàn)出接近于較高品級炭黑的性能。實(shí)驗(yàn)中通常采取機(jī)械研磨、超細(xì)粉碎等方法減小炭黑的粒徑，但是研磨之后的炭黑易團(tuán)聚，會降低在橡膠中的分散性，為了更好地將廢輪胎裂解炭黑應(yīng)用于橡膠，可與偶聯(lián)劑接枝進(jìn)一步優(yōu)化熱解炭黑。偶聯(lián)劑屬于界面改性劑，如硅烷偶聯(lián)劑、鋁酸酯偶聯(lián)劑等。由于偶聯(lián)劑分子結(jié)構(gòu)中存在性質(zhì)截然不同的兩個(gè)官能團(tuán)，采用界面改性劑對熱解炭黑表面進(jìn)行改性，能夠改善熱解炭黑與橡膠基質(zhì)之間的界面相容性，而且可明顯改善炭黑粒子分散性，進(jìn)一步增強(qiáng)橡膠與補(bǔ)強(qiáng)填充劑之間的結(jié)合能力，提高輪胎和橡膠制品的綜合性能。

采用研磨和硅烷偶聯(lián)劑乙烯基三乙氧基硅烷（VTEO）對熱解炭黑進(jìn)行改性處理，并應(yīng)用到丁苯橡膠中，其門尼黏度和硫化膠的物理性能均有提高。用增黏型改性劑改性熱解炭黑，在炭黑研磨過程中利用機(jī)械力化學(xué)反應(yīng)，在炭黑表面原位接枝功能性基團(tuán)。經(jīng)過改性的熱解炭黑，其力學(xué)性能有明顯提升。先將熱解炭黑用硝酸酸洗，之后采用鈦酸酯偶聯(lián)劑接枝，得到最終的改性熱解炭黑。兩步處理方法的結(jié)合彌補(bǔ)了炭黑粒徑減小帶來的分散性不足的缺點(diǎn)，強(qiáng)化了熱解炭黑與橡膠的相互作用，應(yīng)用到橡膠中其拉伸強(qiáng)度增加，可以替代工業(yè)半補(bǔ)強(qiáng)爐黑。

改性劑在一定程度上可以提升熱解炭黑的性能，但由于改性劑的選擇比較復(fù)雜，耗費(fèi)資金高的缺點(diǎn)使偶聯(lián)劑改性熱解炭黑的方法在競爭中優(yōu)勢微弱，在市場中的應(yīng)用前景受到了阻礙。采用酸洗，研磨以及偶聯(lián)劑等方法共同對熱解炭黑的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，可使其在橡膠工業(yè)中的應(yīng)用更具吸引力。

3、其他方式改性熱解炭黑

除上述改性方法以外，還可以在炭黑加工方法上進(jìn)行探究。在熱解炭黑中添加脂肪酸和金屬氧化物，并通過機(jī)械研磨混合均勻制得改性熱解炭黑，或在熱解炭黑中添加脂肪酸和樹脂研磨改性，改性后的熱解炭黑可替代一定比例的炭黑N375用于輪胎的側(cè)膠，以降低生產(chǎn)成本。采用濕法混煉的方法，可以將橡膠與各種原材料混合均勻，以改善炭黑的分散性，提高整體補(bǔ)強(qiáng)性能。采用霧化分散和高溫濺射干燥(ADSD法)協(xié)同濕混方法來改性熱解炭黑，使熱解炭黑在膠乳狀態(tài)的橡膠中分散均勻，進(jìn)一步證實(shí)了熱解炭黑制備橡膠復(fù)合材料的技術(shù)可行性。