稻殼源白炭黑生產(chǎn)及其應(yīng)用

劉玉強(qiáng)

（昆明學(xué)院，昆明650214）

白炭黑是橡膠制品綠色輪胎中不可或缺的橡膠補(bǔ)強(qiáng)劑。目前白炭黑主要是以傳統(tǒng)的石英砂為原料制取，硅資源為不可再生資源，從未來(lái)看將逐漸短缺。以稻殼中的生物硅元素來(lái)加工生產(chǎn)白炭黑，不僅解決稻谷加工過(guò)程廢棄物稻殼環(huán)保污染問(wèn)題，而且還為工業(yè)發(fā)展提供了可再生資源硅，符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)的綠色發(fā)展模式，具有重大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。我國(guó)是世界第一大稻谷的糧食生產(chǎn)國(guó)，每年稻谷產(chǎn)量在1.93 億t 左右。在稻谷加工大米的生產(chǎn)過(guò)程一般副產(chǎn)20%左右稻殼。目前稻殼的傳統(tǒng)利用方式是進(jìn)行燃燒發(fā)電，而燃燒剩余稻殼灰渣主要成分為二氧化硅，將其由一定方法加工生產(chǎn)橡膠補(bǔ)強(qiáng)劑白炭黑（二氧化硅），不僅解決稻殼灰渣的環(huán)境污染問(wèn)題，同時(shí)也為橡膠工業(yè)發(fā)展提供了可持續(xù)與循環(huán)利用的生物基橡膠補(bǔ)強(qiáng)劑，一定程度緩解了硅資源利用問(wèn)題。

1 稻殼源白炭黑的生產(chǎn)方法

稻谷是全世界廣泛種植的糧食作物，一般稻殼中含有16%～20%的無(wú)定形二氧化硅，在稻殼通過(guò)燃燒能源利用后剩余物主要成分二氧化硅灰渣，一般含二氧化硅在90%～95.5%，是白炭黑生產(chǎn)的理想原料。

傳統(tǒng)的白炭黑主要是以高純石英砂為原料來(lái)生產(chǎn)。而稻殼源白炭黑生產(chǎn)則是采用稻谷加工剩余副產(chǎn)物稻殼為主要原料，先將稻殼經(jīng)加工鍋爐分級(jí)燃燒和（或）氣化利用能量后，再將稻殼灰渣進(jìn)行篩分、堿溶和酸析沉淀從稻殼灰渣中提取白炭黑，濾餅渣則經(jīng)過(guò)處理制成活性炭，從而實(shí)現(xiàn)了稻殼的再資源化利用[1-2]。稻殼生產(chǎn)橡膠用白炭黑典型生產(chǎn)流程圖如圖1。

圖1 稻殼源白炭黑生產(chǎn)工藝流程圖

2 稻殼源白炭黑的基本性能

白炭黑是橡膠工業(yè)中重要補(bǔ)強(qiáng)劑，主要是從可溶性硅酸鹽中通過(guò)沉淀而得的以無(wú)定形粒子形式存在的材料。因其微觀結(jié)構(gòu)和聚集體形態(tài)與傳統(tǒng)的橡膠用炭黑類似且顏色白色，并在橡膠材料應(yīng)用中與炭黑有相近的補(bǔ)強(qiáng)性能，故稱之為白炭黑。白炭黑又稱沉淀水合二氧化硅，化學(xué)式SiO2·nH2O，可溶于苛性堿和氫氟酸，不溶于水，耐高溫，不燃，無(wú)毒無(wú)味，具有良好的電絕緣性。稻殼源白炭黑與橡膠用白炭黑的技術(shù)性能指標(biāo)見(jiàn)表1[3]。

表1 稻殼源白炭黑與橡膠用白炭黑技術(shù)指標(biāo)對(duì)照

3 稻殼源白炭黑在橡膠中的應(yīng)用

3.1 在天然橡膠中的應(yīng)用

天然橡膠具有優(yōu)異的加工應(yīng)用性能，是輪胎工業(yè)的主要橡膠原料。稻殼源白炭黑通過(guò)添加在天然橡膠中進(jìn)行應(yīng)用，并與高分散白炭黑進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明,稻殼源白炭黑在天然橡膠中的分散性較好，硫化膠的拉伸強(qiáng)度較高，綜合應(yīng)用性能比目前主要使用的高分散白炭黑明顯提高[4]。應(yīng)用稻殼源白炭黑尤其適合高性能汽車(chē)輪胎要求的在50～80 ℃下是有較小的滯后性，而在-20～0 ℃下表現(xiàn)出較高的滯后性要求，即可降低輪胎滾動(dòng)阻力和能耗，同時(shí)又具有較好的低溫抗?jié)窕阅堋?/p>

3.2 在丁苯橡膠中的應(yīng)用

丁苯橡膠是合成橡膠中用量最大的品種，是與天然橡膠一樣的重要輪胎生產(chǎn)橡膠原料。丁苯橡膠的應(yīng)用必須靠添加炭黑來(lái)補(bǔ)強(qiáng)使用。采用稻殼源白炭黑并添加偶聯(lián)劑Si69 在丁苯橡膠中應(yīng)用結(jié)果表明[5]，當(dāng)添加量達(dá)到50 份時(shí)，硫化膠拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值，Si69用量則以添加2 份為宜，可明顯改善丁苯橡膠的綜合力學(xué)性能。如其拉伸強(qiáng)度由10 份時(shí)的5.1 MPa 升至50 份時(shí)的23.6 MPa，同時(shí)300%定伸應(yīng)力也由1.5 MPa提升至6.4 MPa。它是丁苯橡膠應(yīng)用優(yōu)良的補(bǔ)強(qiáng)劑，其補(bǔ)強(qiáng)效果顯著提高。

3.3 在汽車(chē)輪胎中的應(yīng)用

白炭黑是汽車(chē)用綠色輪胎中不可缺少的原料之一。汽車(chē)輪胎，尤其在胎面膠中添加白炭黑，能夠顯著降低輪胎的滾動(dòng)阻力，降低燃油使用量，同時(shí)具有較好的抗?jié)窕阅?，改善輪胎使用安全性。稻殼源白炭黑通過(guò)添加在半鋼絲子午線輪胎胎面膠中試驗(yàn)表明[6]，與傳統(tǒng)的石英砂源高分散性白炭黑HD175MP 相比，稻殼源白炭黑具有較好的補(bǔ)強(qiáng)性能，由稻殼源白炭黑補(bǔ)強(qiáng)的胎面膠生產(chǎn)的輪胎與正常輪胎相當(dāng)，滿足產(chǎn)品的使用技術(shù)要求。輪胎應(yīng)用稻殼源白炭黑研究試驗(yàn)結(jié)果表明，如果能在汽車(chē)輪胎橡膠中添加10～20 份白炭黑，則可以提高輪胎的膠接性能和抗撕裂性能，不僅延長(zhǎng)輪胎的使用壽命，而且增強(qiáng)輪胎的抓地力，有利于行車(chē)安全。固特異輪胎公司也宣布其采用稻殼灰制備白炭黑用于生產(chǎn)的節(jié)油環(huán)保輪胎，經(jīng)測(cè)試得出稻殼源制備的白炭黑對(duì)輪胎性能的影響與傳統(tǒng)的白炭黑相同。

4 結(jié)束語(yǔ)

稻殼源生物基橡膠用白炭黑材料的出現(xiàn)，為橡膠工業(yè)的可持發(fā)展提供了一種環(huán)保型的橡膠補(bǔ)強(qiáng)劑，同時(shí)也為稻殼這個(gè)糧食稻谷加工副產(chǎn)物的利用找得了一條新應(yīng)用路徑，對(duì)節(jié)約寶貴的硅資源和環(huán)境保護(hù)將發(fā)揮積極作用。隨著稻殼源白炭黑產(chǎn)品生產(chǎn)與應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展，其在橡膠工業(yè)中的應(yīng)用范圍會(huì)越來(lái)越廣，而用于綠色輪胎中是其最大的應(yīng)用市場(chǎng)。由稻殼源白炭黑制成的汽車(chē)輪胎，不僅解決了稻殼的環(huán)境污染問(wèn)題，而且原料來(lái)源豐富，價(jià)格相對(duì)較低，是一種市場(chǎng)前景廣闊的環(huán)境友好橡膠補(bǔ)強(qiáng)劑，值得國(guó)內(nèi)相關(guān)環(huán)保和橡膠企業(yè)關(guān)注與重視。