轮胎循环利用中橡胶粉和再生橡胶的应用领域技术

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中国轮胎资源综合利用CTRA 2024年 第 1 期
轮胎循环利用中
橡胶粉和再生橡胶的应用领域技术
北京化工大学 副教授　任冬云
我国轮胎循环利用四大领域为轮胎翻新（再制造）、橡胶粉、再生橡胶和热裂解。

本文主要介绍橡胶粉和再生橡胶的技术应用。

一、橡胶粉加工及应用（一）设备
轮胎破碎及磨粉的主要设备可分为：“小三件”，自动常温胶粉机，自动湿法胶粉机。

1、“小三件”是指切条机、切块机和破胶机。

“小三件”在生产过程中不仅不安全，更会产生粉尘污染。

之所以没有被淘汰，主要是由于设备投资少，能耗低，所以一些不正规的小作坊企业仍然使用。

2、自动常温胶粉机：主要包括去钢口钢丝，双轴撕裂（“大破”），切块机（“二破”）破胶机（钢丝和胶粒分离），多级磨粉机。

设备生产线见图1。

图1 自动常温胶粉机
设备的主要优点为安全、环保、自动化。

设备的主要缺点为投资大、在生产过程中易焦烧，容易起火，有一定的安全隐患。

自动湿法磨粉机：设备主要包括（加热）搅拌罐、剪切机、砂磨机、乳化机、打包机和缝包机。

设备生产线见图
2。

图2 自动湿法磨粉机
设备的主要优点为安全、环保、自动化、材料性能好（无焦烧）、橡胶粉颗粒细度高。

设备的主要确定为耗电高、投资大。

（二）应用
目前，国内橡胶粉主要应用方面包括：防水卷材、橡胶粉沥青改性，在实际应用中又分为硫化胶粉、活化胶粉，以及液体橡胶沥青改性。

近年来，橡胶粉应用已逐步扩展至农业，比如橡胶粉基渗灌管。

二、再生橡胶
随着国内环保要求的逐步提高，困扰再生橡胶
行业发展的关键问题是尾气处理。

另外，在产品方面，再生橡胶行业需要解决颗粒细化和门尼反弹的问题，还应积极开拓下游的应用市场，比如再生橡胶板引水渠，橡胶基多功能绿道，高速公路主路和匝道的隔离墩等。

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（一）设备
1、传统生产设备为动态脱硫罐+双辊精炼机目前占市场份额的80%以上。

需要指出的是市场上曾大力推广的环保节能脱硫罐没有真正普及的原因是该设备的不安全因素增加，本应结合脱硫罐中的压力、温度、空间体积，可以计算出罐内的含水量，但在生产过程中没有向客户提供设备的饱和蒸汽压曲线图。

另外，还存在把脱硫罐中的污染气体转移到精炼机上的问题。

2、单双螺旋塑化机+双辊精炼机
螺旋塑化机的优点是连续、环保、设备成本较低。

目前螺旋塑化机存在的问题是螺旋槽内全程处于非充满状态，空气从进料口进入到物料出口畅通无阻，在螺槽高温脱硫段中容易产生严重的氧化反应，在机筒内表面和螺旋片上容易产生焦烧积碳结层，容易使脱硫胶粉的性能随着时间的变化不稳定。

解决的方案：在进料口阻断空气的进入。

方法1：通入水蒸气；方法2：通入氮气保护，这种方法可以采用常规的空气制取氮气机实现，附加的生产成本不会过高，目前还没有在螺旋塑化机中采用。

如果能解决目前螺旋塑化机中存在的严重氧化问题，作为替代动态脱硫罐的新技术之一，螺旋塑化机还是有很大的市场空间的。

3、双螺杆脱硫+双螺杆精炼
包括热化学和低温力化学两种方式。

设备生产线见图3。

加拿大滑铁卢大学技术，特力马公司的临界二氧化碳脱硫挤出机，作为新研发的设备，由于生产的再生橡胶抗拉强度太低，目前还未能正式投入市场。

如果能控制好临界二氧化碳的注入压力，应该是再生橡胶技术的发展方向之一。

该设备的主要优点包括门尼反弹小，环保、连续、节能、生产成本较低。

（二）生产工艺
再生橡胶生产工艺可分为：热化学脱硫（断硫）和力化学脱硫（断硫），双辊精炼和双螺杆精炼。

1、热化学脱硫机理：需要外部热能将材料的活化能提高到可打断含硫化学键的能量。

打断“硫-硫”键所需的热能270 KJ/mol，打断“碳-硫”键所需的热能310 KJ/mol，打断“碳-碳”键所需热能370 KJ/mol，外部输入热能要控制在270~370之间，所以热化学脱硫很容易打断“碳-碳”键主链，使再生橡胶性能降低；高温也容易使硫脱离，形成污染气体的一氧化硫和二氧化硫，即臭气。

相应的设备有：动态脱硫罐、单双螺旋塑化机、单双螺杆塑化机。

生产工艺缺点：
精炼后材料中含有的余热过高，容易造成门尼反弹，
图3 双螺杆连续脱硫系统
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中国轮胎资源综合利用CTRA 2024年 第 1 期给下游的橡胶制品企业的混炼造成困难；输入热能如果控制不当，容易使再生橡胶力学性能降低。

2、力化学脱硫机理：利用外部的机械能提高到可打断含硫化学键的能量。

打断“硫-硫”键所需的弹性能系数3，打断“碳-碳”键所需弹性系数100，弹性系数相差30倍，外部输入机械能使弹性系数能控制在3~100之间，所以，如果输入的外力得当，只打断含硫键，不打断“碳-碳”键，就能得到较高的再生橡胶性能；而且，所造成的污染气体较少。

3、热化学脱硫+双辊精炼：这是目前再生橡胶的主要生产方式，单双螺旋和单双螺杆脱硫应该是市场上主推的技术设备。

双辊精炼（三辊一线或四辊一线）的优点是，每对双辊的间隙可以调节不同，生产出的再生橡胶性能较好，维修方便；缺点是不同转速产生的高剪切转变成热能，容易使胶粉中含有的臭气溢出，造成较严重的空气污染。

目前对双辊精炼造成的空气污染，采用的防气体扩散方法是，用胶片将生产线隔离，这种无组织排放，很难避免车间里的空气污染。

对此，目前可采取的解决办法之一是将整条双辊精炼生产线用玻璃房隔离，类似于数控机床的推拉玻璃门。

4、热化学脱硫+双螺杆精炼：目前再生橡胶市场新出现的生产方式，单双螺旋脱硫和双螺杆脱硫加双螺杆精炼和三螺杆精炼。

优点是从脱硫到精炼都属于有组织排放，车间里空气污染较低；缺点是螺杆精炼机中，橡胶对螺杆表面的磨耗较大，如果螺杆之间的间隙变大，剪切能力下降，将会影响再生橡胶的性能。

而且需要定期更换磨损较大的螺纹元件。

双辊精炼机，如果出现局部磨损较大，通过调整辊隙不能解决问题时，可以补焊辊表面的磨损部位。

5、力化学脱硫+双螺杆精炼：目前国内只有江
苏睿博环保设备有限公司一家采用这种技术设备。

优点：连续、环保、气体污染较低、再生橡胶性能较好、门尼反弹较低。

缺点：能耗较高、螺纹元件容易被磨损。

这种技术设备有可能是再生橡胶行业高端产品的主选设备。

6、力化学脱硫的双辊低温剪切绿色橡胶，优点：环保、气体污染较低、生产工艺简单（一步法）、生产设备投资少、再生橡胶性能可控、门尼反弹低。

目前正在做双螺杆剪切代替双辊剪切试验。

这种技术设备有可能是再生橡胶行业中低端产品的主选设备。

7、力化学脱硫的临界二氧化碳脱硫挤出机，原理是通过单螺杆挤出机筒加热螺槽内胶粉温度至150℃以上，使橡胶网状结构通道打开，通入高压二氧化碳气体打断含硫化学键，保留碳碳键主链。

优点：生产设备简单、能耗低、环保、气体污染较低、生产成本低。

缺点：通入的临界二氧化碳气体的压力如果控制不好（弹性系数要控制在3~100之间），容易在打断含硫键的同时，也可能打断碳碳键，使再生橡胶抗拉强度降低很多。

如果能有效控制住进入机筒内的临界二氧化碳气体的压力值，这项技术还是很有市场前途的。

三、推广轮胎循环利用领域技术的优先顺序优先顺序：轮胎翻新（再制造）、橡胶粉应用、再生橡胶和热裂解（废橡胶的终极处理方式）。

通过政策倾斜（包括税收和政府补贴倾斜），应该优先考虑前三项的应用，尽量延长再生资源的使用周期，使再生资源的社会价值和经济价值最大化。

在条件成熟的时候，可将废旧轮胎循环利用后的产品直接送去水泥窑煅烧和发电厂发电，橡胶在1000~2000℃以上的燃烧，可消除二噁英的空气排放。

因此，热裂解应该属于轮胎循环利用领域的一种过渡技术。