环保颗粒再生橡胶生产与应用现状及发展前景

唐 帆，聂卫云，路丽珠

（1.安徽世界村新材料有限公司，安徽 马鞍山 243000；2.安徽世界村智能装备有限公司，安徽 马鞍山 243000）

橡胶资源属于继石油、铁矿石和有色金属等工业原料之后的第四大战略资源。随着汽车工业的迅猛发展，我国已成为橡胶资源的消费大国之一。目前，我国橡胶年均消费量占世界橡胶总消费量的30%。每年我国橡胶制品所需的70%以上的天然橡胶、40%以上的合成橡胶需要进口，橡胶资源的短缺问题对我国国民经济发展的影响日益显现[1-2]。

我国废旧轮胎以年均8%～10%的速度增加，目前废旧轮胎产生量已居全球第一。废旧轮胎作为一种需占用大量环境空间的废弃物，难以压缩、收集和分解消除，且含有铅、镉等有害物质，长期堆放不仅造成严重的环境污染与资源浪费问题，还会引发火灾，带来安全风险[3-4]。

我国天然橡胶和石油资源严重缺乏，因此利用废旧橡胶生产再生橡胶部分替代生胶以缓解橡胶资源短缺问题已成为一种重要手段。再生橡胶已成为继天然橡胶、合成橡胶之后的第三大橡胶原料[5-6]。大力推进废旧轮胎的绿色高效循环再利用，对消除废旧橡胶带来的“黑色污染”及缓解我国橡胶资源的短缺问题，进一步发展循环经济、建立节约型社会意义重大。

1 再生橡胶行业现状

目前废旧轮胎再利用包括翻新、切碎用于发电燃料、化学裂解回收炭黑和燃料油、制成胶粒和再生橡胶等多种途径。再生橡胶是我国废旧橡胶主要回收循环利用方式。我国再生橡胶行业存在以下问题：许多企业规模小、装备落后、综合实力不强，转型升级能力弱；行业管理相对薄弱，尚未建立起运转规范的回收体系，技术水平相对较高的企业很难获取足够的生产所需废旧轮胎资源；产品技术、质量标准规范不完善，导致产品质量参差不齐，影响了市场开拓和行业有序发展；普遍缺乏技术研发手段和研发力量，科技创新能力不足，转型发展困难大[7-10]。

近年来，许多企业和高校在螺杆挤出法自动化、智能化生产再生橡胶研究进程中做出了一定贡献，对传统塑化机、脱硫罐也进行了大幅改进，但都未从根源上真正解决再生橡胶的环保问题，即都需要添加化学助剂才能实现废旧橡胶的脱硫再生[11-15]，传统技术的主要问题表现为以下几个方面。

（1）高污染、高排放量。传统高温高压动态脱硫法生产再生橡胶，间歇生产、安全性差、能耗高且易产生严重二次污染等，河北唐山、山东东营、山西平遥等再生橡胶主要生产地大气污染问题非常严重，环保局已组建工作组集中整治。

（2）生产过程稳定性差。常压连续塑化法生产再生橡胶存在装置运行不稳定、易粘料堵料、产品质量不稳定等缺点。

（3）产品力学性能低且不环保。传统脱硫技术对物料主要起加热作用，物料粒子受热不均匀，影响再生橡胶的力学性能，由于添加相应化学助剂，导致产品橡胶烃含量低、多环芳烃含量超标。

（4）产品化学性能不稳定。传统技术攻关仅改进设备，未真正改变化学脱硫方式，添加的化学助剂会在产品中继续发生化学反应，影响产品性能。

因此，在日益严峻的环保压力和我国橡胶资源短缺的形势下，迫切需要发展环保颗粒再生橡胶新技术，消除再生橡胶生产过程中带来的二次污染问题，这对于再生橡胶行业的绿色、健康、可持续发展具有重大的社会意义，同时符合国家节能减排、循环经济的重大战略需求[16-18]。

2 环保颗粒再生橡胶生产技术

环保颗粒再生橡胶生产技术采用全自动化联动破碎线，以胶粒代替胶粉，以机械法代替化学法，攻克了环保技术瓶颈，是一条成熟的智能化、模块化、连续化、清洁化的再生橡胶生产工艺路线[19-20]。

2.1 再生机理

废旧橡胶绿色节能高值化机械再生机理包括键能差理论和弹性因数差理论[21-23]。

首先根据键能差，通过施加能量，选择性地打断交联键，由于C—C键、C—S键和S—S键的键能不同，通过合理设计机械元件不同区段的温度，废旧橡胶在热作用下反应从而选择性地断链。

其次，利用C—C键、C—S键和S—S键之间的弹性因数差别，即通过对机械元件的不同组合与机械转速调控，控制对废旧橡胶施加剪切力的强弱，起到最佳的再生效果。然而，剪切作用下S—S键更易断链，其内部S—S键的数量远少于C—C键，很难保证仅通过施加高剪切力选择性地断裂交联键。在高温条件下，高剪切作用破坏交联网络，易导致橡胶主链发生歧化反应，主链降解严重。高温和高剪切的再生条件虽能高效破坏废旧橡胶的三维网络结构，但由于大量主链降解，导致力学性能大幅降低。

因此，如何选取最佳再生条件对应的最佳工艺参数，有效平衡温度和剪切力对废旧橡胶三维网络结构的高效破坏且尽可能地保护主链不被破坏至关重要。

2.2 生产技术优势

2.2.1 原材料拓展

选用2～10 mm废橡胶颗粒替代传统425～850 μm（20～40目）胶粉作为原材料，打破了仅用胶粉才能生产出再生橡胶的传统观念，该技术的主要优势为：省去传统磨粉工序，节能约30%；废橡胶颗粒与机械元件挤压产生强剪切力，而胶粉与机械元件作用难以产生剪切力，废橡胶颗粒更易于机械断硫再生[24]。

2.2.2 不添加化学助剂

环保颗粒再生橡胶生产技术在整个生产过程中不添加任何化学助剂，仅借助机械元件对废橡胶颗粒的强剪切作用，以及机械元件与废橡胶颗粒的摩擦产生热量，即热/机械剪切作用断硫再生。通过有效控制相关工艺参数来平衡温度和机械剪切作用对废橡胶颗粒中含硫键的选择性破坏，尽可能保持主链结构不被破坏或少被破坏，选择性地破坏其三维交联结构，使废旧橡胶再生。与传统再生橡胶再生技术相比，环保颗粒再生橡胶生产技术的优势为：不添加任何化学助剂辅助脱硫再生，借助机械剪切作用和摩擦所产生的热量共同实现再生。

2.2.3 能耗低

采用绿色节能高值化机械再生利用技术取代传统的高温高压反应罐及多台开放式高速精炼机生产工艺，吨能耗≤2.340×109J，比传统工艺能耗降低20%左右，远低于现吨能耗3.096×109J和《中国橡胶行业“十三五”发展规划指导纲要》吨能耗2.808×109J，节能效果明显。

2.2.4 安全

绿色节能高值化机械再生利用技术采用绿色节能高值化机械瞬间还原技术，生产过程保持在常压中温条件下进行，与传统脱硫罐生产再生橡胶工艺相比，不存在传统高温高压反应罐的高压危险、高速开放式精炼机的人员操作危险、有害气体对操作工人身体的危害等安全隐患。

2.2.5 密闭环保

绿色节能高值化机械再生利用技术生产全过程均在密闭条件下完成，无胶料散落，整条生产线内部不会产生堵料现象，保证了工作环境的清洁化，同时生产过程无废水排出，少量废气经有效集中收集处理后排放，排放量较传统工艺降低95%以上，达到并优于GB 3095—2012《环境空气排放标准》和GB 16297—1996《大气污染物综合排放标准》的要求。

2.2.6 自动化控制

采用先进模块化设计理念和新型智能化集中控制技术，从废橡胶颗粒到最终再生橡胶产品，实现全生产过程温度、转速、加料等工艺流程的自动化、智能化控制，万吨级产能每班用工为2—3人，远低于传统劳动密集型的用工人数（《中国橡胶行业“十三五”发展规划指导纲要》中用工约每班10人）。相同产能下，绿色节能高值化机械再生利用技术占地面积仅为传统工艺的1/3，符合国家智能制造2025发展规划。

2.3 产品优势

2.3.1 性能

废橡胶颗粒原料来源稳定，统一选用直径≥900 mm的全钢子午线轮胎作为原料，采用先进的全自动破碎联动生产线，得到环保、均匀的废橡胶颗粒。绿色节能高值化机械再生利用技术通过有效控制温度、转速等工艺参数，得到的再生橡胶产品性能稳定且优异，经第三方检测机构检测，相关性能指标为：密度 1.18 Mg·m-3，邵尔A型硬度 55～58度，门尼粘度[ML（1＋4）100 ℃]60～70，拉伸强度 11～12 MPa，拉断伸长率 350%～380%，符合GB/T 13460—2016《再生橡胶 通用规范》的指标要求；多环芳烃含量为122.7 mg·kg-1，重金属等有害物质含量极低，符合T/CRIA 21001—2018《E系再生橡胶》与欧盟REACH法规要求。

2.3.2 存放与加工

与传统块状再生橡胶相比，颗粒再生橡胶在存放和加工中的优势为：避免了传统块状再生橡胶堆放时不易散热、门尼粘度易增大、产品力学性能降低等缺点；无需传统块状再生橡胶再破碎的过程，易混炼、能耗低、使用方便，可进一步降低下游企业的生产成本[25-26]。

2.3.3 应用领域

我国再生橡胶主要应用领域为力车胎和汽车轮胎，占比约为70%；橡胶制品领域占比约为10%，胶管胶带领域占比约为15%，胶鞋领域占比约为5%。我国废旧橡胶资源循环再利用领域正变得越来越广。

虽然再生橡胶的各项性能与生胶有一定差距，但通过部分替代生胶，可以在一定程度上降低生胶用量；在部分低档橡胶制品中，再生橡胶也可单独使用。此外，生胶中掺入部分再生橡胶，可有效改善胶料的工艺性能[27-28]。

与传统再生橡胶相比，环保颗粒再生橡胶的应用优势如下。

（1）环保颗粒再生橡胶加工方便、性能稳定且环境友好，可用于环保要求较高的高档汽车轮胎。

（2）环保颗粒再生橡胶可替代部分天然橡胶，降低成本，同时不会给人体健康带来危害，目前已成为欧美发达国家流行的新型环保材料，可用于运动鞋、橡胶地板、橡胶类儿童玩具等与人接触较多的领域。

（3）环保颗粒再生橡胶不仅生产成本低且解决了橡胶资源的循环利用问题，不会对环境带来二次污染，可用于货车轮胎、力车胎、胶管胶带及各类橡胶杂件。

3 结语

随着再生橡胶工业的崛起，废旧轮胎资源循环再利用产生的效益明显，欧美国家也在探索突破再生橡胶工业的环保瓶颈[29]。

目前我国橡胶行业正在推动打造节能、减排、循环经济、绿色再生橡胶的示范生产线，建议环保颗粒再生橡胶尽快实现产业化并应用推广，向上下游延伸，形成一个完整的资源化、无害化、绿色化、高值化废旧橡胶循环再利用生态圈，实现废旧橡胶综合利用的创新[30-31]，充分利用“互联网＋”资源平台发展契机，加速推行我国再生资源回收与循环利用体系的完善，引领推动再生资源产业国际间技术交流与合作，推进国家“一带一路”发展战略。