環(huán)保顆粒再生橡膠生產(chǎn)與應用現(xiàn)狀及發(fā)展前景

唐 帆，聶衛(wèi)云，路麗珠

（1.安徽世界村新材料有限公司，安徽 馬鞍山 243000；2.安徽世界村智能裝備有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

橡膠資源屬于繼石油、鐵礦石和有色金屬等工業(yè)原料之后的第四大戰(zhàn)略資源。隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，我國已成為橡膠資源的消費大國之一。目前，我國橡膠年均消費量占世界橡膠總消費量的30%。每年我國橡膠制品所需的70%以上的天然橡膠、40%以上的合成橡膠需要進口，橡膠資源的短缺問題對我國國民經(jīng)濟發(fā)展的影響日益顯現(xiàn)[1-2]。

我國廢舊輪胎以年均8%～10%的速度增加，目前廢舊輪胎產(chǎn)生量已居全球第一。廢舊輪胎作為一種需占用大量環(huán)境空間的廢棄物，難以壓縮、收集和分解消除，且含有鉛、鎘等有害物質(zhì)，長期堆放不僅造成嚴重的環(huán)境污染與資源浪費問題，還會引發(fā)火災，帶來安全風險[3-4]。

我國天然橡膠和石油資源嚴重缺乏，因此利用廢舊橡膠生產(chǎn)再生橡膠部分替代生膠以緩解橡膠資源短缺問題已成為一種重要手段。再生橡膠已成為繼天然橡膠、合成橡膠之后的第三大橡膠原料[5-6]。大力推進廢舊輪胎的綠色高效循環(huán)再利用，對消除廢舊橡膠帶來的“黑色污染”及緩解我國橡膠資源的短缺問題，進一步發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、建立節(jié)約型社會意義重大。

1 再生橡膠行業(yè)現(xiàn)狀

目前廢舊輪胎再利用包括翻新、切碎用于發(fā)電燃料、化學裂解回收炭黑和燃料油、制成膠粒和再生橡膠等多種途徑。再生橡膠是我國廢舊橡膠主要回收循環(huán)利用方式。我國再生橡膠行業(yè)存在以下問題：許多企業(yè)規(guī)模小、裝備落后、綜合實力不強，轉型升級能力弱；行業(yè)管理相對薄弱，尚未建立起運轉規(guī)范的回收體系，技術水平相對較高的企業(yè)很難獲取足夠的生產(chǎn)所需廢舊輪胎資源；產(chǎn)品技術、質(zhì)量標準規(guī)范不完善，導致產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，影響了市場開拓和行業(yè)有序發(fā)展；普遍缺乏技術研發(fā)手段和研發(fā)力量，科技創(chuàng)新能力不足，轉型發(fā)展困難大[7-10]。

近年來，許多企業(yè)和高校在螺桿擠出法自動化、智能化生產(chǎn)再生橡膠研究進程中做出了一定貢獻，對傳統(tǒng)塑化機、脫硫罐也進行了大幅改進，但都未從根源上真正解決再生橡膠的環(huán)保問題，即都需要添加化學助劑才能實現(xiàn)廢舊橡膠的脫硫再生[11-15]，傳統(tǒng)技術的主要問題表現(xiàn)為以下幾個方面。

（1）高污染、高排放量。傳統(tǒng)高溫高壓動態(tài)脫硫法生產(chǎn)再生橡膠，間歇生產(chǎn)、安全性差、能耗高且易產(chǎn)生嚴重二次污染等，河北唐山、山東東營、山西平遙等再生橡膠主要生產(chǎn)地大氣污染問題非常嚴重，環(huán)保局已組建工作組集中整治。

（2）生產(chǎn)過程穩(wěn)定性差。常壓連續(xù)塑化法生產(chǎn)再生橡膠存在裝置運行不穩(wěn)定、易粘料堵料、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等缺點。

（3）產(chǎn)品力學性能低且不環(huán)保。傳統(tǒng)脫硫技術對物料主要起加熱作用，物料粒子受熱不均勻，影響再生橡膠的力學性能，由于添加相應化學助劑，導致產(chǎn)品橡膠烴含量低、多環(huán)芳烴含量超標。

（4）產(chǎn)品化學性能不穩(wěn)定。傳統(tǒng)技術攻關僅改進設備，未真正改變化學脫硫方式，添加的化學助劑會在產(chǎn)品中繼續(xù)發(fā)生化學反應，影響產(chǎn)品性能。

因此，在日益嚴峻的環(huán)保壓力和我國橡膠資源短缺的形勢下，迫切需要發(fā)展環(huán)保顆粒再生橡膠新技術，消除再生橡膠生產(chǎn)過程中帶來的二次污染問題，這對于再生橡膠行業(yè)的綠色、健康、可持續(xù)發(fā)展具有重大的社會意義，同時符合國家節(jié)能減排、循環(huán)經(jīng)濟的重大戰(zhàn)略需求[16-18]。

2 環(huán)保顆粒再生橡膠生產(chǎn)技術

環(huán)保顆粒再生橡膠生產(chǎn)技術采用全自動化聯(lián)動破碎線，以膠粒代替膠粉，以機械法代替化學法，攻克了環(huán)保技術瓶頸，是一條成熟的智能化、模塊化、連續(xù)化、清潔化的再生橡膠生產(chǎn)工藝路線[19-20]。

2.1 再生機理

廢舊橡膠綠色節(jié)能高值化機械再生機理包括鍵能差理論和彈性因數(shù)差理論[21-23]。

首先根據(jù)鍵能差，通過施加能量，選擇性地打斷交聯(lián)鍵，由于C—C鍵、C—S鍵和S—S鍵的鍵能不同，通過合理設計機械元件不同區(qū)段的溫度，廢舊橡膠在熱作用下反應從而選擇性地斷鏈。

其次，利用C—C鍵、C—S鍵和S—S鍵之間的彈性因數(shù)差別，即通過對機械元件的不同組合與機械轉速調(diào)控，控制對廢舊橡膠施加剪切力的強弱，起到最佳的再生效果。然而，剪切作用下S—S鍵更易斷鏈，其內(nèi)部S—S鍵的數(shù)量遠少于C—C鍵，很難保證僅通過施加高剪切力選擇性地斷裂交聯(lián)鍵。在高溫條件下，高剪切作用破壞交聯(lián)網(wǎng)絡，易導致橡膠主鏈發(fā)生歧化反應，主鏈降解嚴重。高溫和高剪切的再生條件雖能高效破壞廢舊橡膠的三維網(wǎng)絡結構，但由于大量主鏈降解，導致力學性能大幅降低。

因此，如何選取最佳再生條件對應的最佳工藝參數(shù)，有效平衡溫度和剪切力對廢舊橡膠三維網(wǎng)絡結構的高效破壞且盡可能地保護主鏈不被破壞至關重要。

2.2 生產(chǎn)技術優(yōu)勢

2.2.1 原材料拓展

選用2～10 mm廢橡膠顆粒替代傳統(tǒng)425～850 μm（20～40目）膠粉作為原材料，打破了僅用膠粉才能生產(chǎn)出再生橡膠的傳統(tǒng)觀念，該技術的主要優(yōu)勢為：省去傳統(tǒng)磨粉工序，節(jié)能約30%；廢橡膠顆粒與機械元件擠壓產(chǎn)生強剪切力，而膠粉與機械元件作用難以產(chǎn)生剪切力，廢橡膠顆粒更易于機械斷硫再生[24]。

2.2.2 不添加化學助劑

環(huán)保顆粒再生橡膠生產(chǎn)技術在整個生產(chǎn)過程中不添加任何化學助劑，僅借助機械元件對廢橡膠顆粒的強剪切作用，以及機械元件與廢橡膠顆粒的摩擦產(chǎn)生熱量，即熱/機械剪切作用斷硫再生。通過有效控制相關工藝參數(shù)來平衡溫度和機械剪切作用對廢橡膠顆粒中含硫鍵的選擇性破壞，盡可能保持主鏈結構不被破壞或少被破壞，選擇性地破壞其三維交聯(lián)結構，使廢舊橡膠再生。與傳統(tǒng)再生橡膠再生技術相比，環(huán)保顆粒再生橡膠生產(chǎn)技術的優(yōu)勢為：不添加任何化學助劑輔助脫硫再生，借助機械剪切作用和摩擦所產(chǎn)生的熱量共同實現(xiàn)再生。

2.2.3 能耗低

采用綠色節(jié)能高值化機械再生利用技術取代傳統(tǒng)的高溫高壓反應罐及多臺開放式高速精煉機生產(chǎn)工藝，噸能耗≤2.340×109J，比傳統(tǒng)工藝能耗降低20%左右，遠低于現(xiàn)噸能耗3.096×109J和《中國橡膠行業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃指導綱要》噸能耗2.808×109J，節(jié)能效果明顯。

2.2.4 安全

綠色節(jié)能高值化機械再生利用技術采用綠色節(jié)能高值化機械瞬間還原技術，生產(chǎn)過程保持在常壓中溫條件下進行，與傳統(tǒng)脫硫罐生產(chǎn)再生橡膠工藝相比，不存在傳統(tǒng)高溫高壓反應罐的高壓危險、高速開放式精煉機的人員操作危險、有害氣體對操作工人身體的危害等安全隱患。

2.2.5 密閉環(huán)保

綠色節(jié)能高值化機械再生利用技術生產(chǎn)全過程均在密閉條件下完成，無膠料散落，整條生產(chǎn)線內(nèi)部不會產(chǎn)生堵料現(xiàn)象，保證了工作環(huán)境的清潔化，同時生產(chǎn)過程無廢水排出，少量廢氣經(jīng)有效集中收集處理后排放，排放量較傳統(tǒng)工藝降低95%以上，達到并優(yōu)于GB 3095—2012《環(huán)境空氣排放標準》和GB 16297—1996《大氣污染物綜合排放標準》的要求。

2.2.6 自動化控制

采用先進模塊化設計理念和新型智能化集中控制技術，從廢橡膠顆粒到最終再生橡膠產(chǎn)品，實現(xiàn)全生產(chǎn)過程溫度、轉速、加料等工藝流程的自動化、智能化控制，萬噸級產(chǎn)能每班用工為2—3人，遠低于傳統(tǒng)勞動密集型的用工人數(shù)（《中國橡膠行業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃指導綱要》中用工約每班10人）。相同產(chǎn)能下，綠色節(jié)能高值化機械再生利用技術占地面積僅為傳統(tǒng)工藝的1/3，符合國家智能制造2025發(fā)展規(guī)劃。

2.3 產(chǎn)品優(yōu)勢

2.3.1 性能

廢橡膠顆粒原料來源穩(wěn)定，統(tǒng)一選用直徑≥900 mm的全鋼子午線輪胎作為原料，采用先進的全自動破碎聯(lián)動生產(chǎn)線，得到環(huán)保、均勻的廢橡膠顆粒。綠色節(jié)能高值化機械再生利用技術通過有效控制溫度、轉速等工藝參數(shù)，得到的再生橡膠產(chǎn)品性能穩(wěn)定且優(yōu)異，經(jīng)第三方檢測機構檢測，相關性能指標為：密度 1.18 Mg·m-3，邵爾A型硬度 55～58度，門尼粘度[ML（1＋4）100 ℃]60～70，拉伸強度 11～12 MPa，拉斷伸長率 350%～380%，符合GB/T 13460—2016《再生橡膠 通用規(guī)范》的指標要求；多環(huán)芳烴含量為122.7 mg·kg-1，重金屬等有害物質(zhì)含量極低，符合T/CRIA 21001—2018《E系再生橡膠》與歐盟REACH法規(guī)要求。

2.3.2 存放與加工

與傳統(tǒng)塊狀再生橡膠相比，顆粒再生橡膠在存放和加工中的優(yōu)勢為：避免了傳統(tǒng)塊狀再生橡膠堆放時不易散熱、門尼粘度易增大、產(chǎn)品力學性能降低等缺點；無需傳統(tǒng)塊狀再生橡膠再破碎的過程，易混煉、能耗低、使用方便，可進一步降低下游企業(yè)的生產(chǎn)成本[25-26]。

2.3.3 應用領域

我國再生橡膠主要應用領域為力車胎和汽車輪胎，占比約為70%；橡膠制品領域占比約為10%，膠管膠帶領域占比約為15%，膠鞋領域占比約為5%。我國廢舊橡膠資源循環(huán)再利用領域正變得越來越廣。

雖然再生橡膠的各項性能與生膠有一定差距，但通過部分替代生膠，可以在一定程度上降低生膠用量；在部分低檔橡膠制品中，再生橡膠也可單獨使用。此外，生膠中摻入部分再生橡膠，可有效改善膠料的工藝性能[27-28]。

與傳統(tǒng)再生橡膠相比，環(huán)保顆粒再生橡膠的應用優(yōu)勢如下。

（1）環(huán)保顆粒再生橡膠加工方便、性能穩(wěn)定且環(huán)境友好，可用于環(huán)保要求較高的高檔汽車輪胎。

（2）環(huán)保顆粒再生橡膠可替代部分天然橡膠，降低成本，同時不會給人體健康帶來危害，目前已成為歐美發(fā)達國家流行的新型環(huán)保材料，可用于運動鞋、橡膠地板、橡膠類兒童玩具等與人接觸較多的領域。

（3）環(huán)保顆粒再生橡膠不僅生產(chǎn)成本低且解決了橡膠資源的循環(huán)利用問題，不會對環(huán)境帶來二次污染，可用于貨車輪胎、力車胎、膠管膠帶及各類橡膠雜件。

3 結語

隨著再生橡膠工業(yè)的崛起，廢舊輪胎資源循環(huán)再利用產(chǎn)生的效益明顯，歐美國家也在探索突破再生橡膠工業(yè)的環(huán)保瓶頸[29]。

目前我國橡膠行業(yè)正在推動打造節(jié)能、減排、循環(huán)經(jīng)濟、綠色再生橡膠的示范生產(chǎn)線，建議環(huán)保顆粒再生橡膠盡快實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化并應用推廣，向上下游延伸，形成一個完整的資源化、無害化、綠色化、高值化廢舊橡膠循環(huán)再利用生態(tài)圈，實現(xiàn)廢舊橡膠綜合利用的創(chuàng)新[30-31]，充分利用“互聯(lián)網(wǎng)＋”資源平臺發(fā)展契機，加速推行我國再生資源回收與循環(huán)利用體系的完善，引領推動再生資源產(chǎn)業(yè)國際間技術交流與合作，推進國家“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略。