廢輪胎橡膠是重要的可再生資源，將廢輪胎制備成再生材料，再循環(huán)應(yīng)用于新輪胎中，對于消除廢輪胎黑色污染、降低橡膠資源對外依存度意義重大。但現(xiàn)有的輪胎循環(huán)再利用技術(shù)存在高污染、低效率、質(zhì)量差的問題，開發(fā)綠色化、資源化、高值化的輪胎循環(huán)再利用技術(shù)非常迫切。由中策橡膠集團股份有限公司、南京綠金人橡塑高科有限公司、北京化工大學等合作開發(fā)的“萬噸級廢輪胎橡膠材料綠色自循環(huán)再生及應(yīng)用技術(shù)示范”項目突破了廢輪胎綠色高值化再利用技術(shù)，建成了輪胎綠色自循環(huán)應(yīng)用示范，并于近日榮獲2023年度中國石油和化學工業(yè)聯(lián)合會科學技術(shù)獎科技進步一等獎。
目前，我國廢輪胎形成了以制備再生橡膠為主，制備膠粉、輪胎翻新、熱裂解協(xié)同發(fā)展的再利用格局。其中，廢載重輪胎橡膠一般采用高溫高壓動態(tài)脫硫罐技術(shù)制備固體再生橡膠。該技術(shù)存在解交聯(lián)不可控、長時間高溫高壓導致能耗高和生產(chǎn)過程中廢氣、廢水難處理等問題。解決這些問題的核心是實現(xiàn)廢橡膠的可控解交聯(lián)再生。
“輪胎橡膠的分子結(jié)構(gòu)本是線型的，為達到其使用性能通常需在其中加入硫黃進行硫化，使其形成三維立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的熱固性材料。該結(jié)構(gòu)導致廢橡膠材料不溶，難以通過簡單加工后再應(yīng)用到新輪胎中，所以廢輪胎橡膠回收的第一步就是將橡膠中的硫交聯(lián)鍵解交聯(lián)，破壞其三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使其具有可再加工性能。”南京綠金人橡塑高科有限公司總經(jīng)理史金煒博士解釋道，可控選擇性解交聯(lián)并不容易，廢載重輪胎橡膠中的交聯(lián)鍵只有不到2%、又有多種交聯(lián)鍵類型。在課題研究之初，優(yōu)異、穩(wěn)定再生性能的解交聯(lián)機理和綠色化再生廢橡膠的裝備均尚無先例。
另外，廢乘用胎通過熱裂解技術(shù)回收制備裂解油、裂解炭黑，一般采用的“土法煉油”因污染大被國家禁止，而通過環(huán)保高溫熱裂解技術(shù)回收廢乘用胎，存在設(shè)備投資大、產(chǎn)品收率低、產(chǎn)品品質(zhì)差等問題。
“這是因為廢乘用車輪胎的補強體系復雜，特別是因‘綠色輪胎’的要求，配方中白炭黑補強劑的用量越來越高，而經(jīng)過高于450℃高溫熱裂解后，炭黑、白炭黑等補強劑失活，性能差，且難分離、難改性，產(chǎn)品經(jīng)濟附加值低?！笔方馃樈忉尩溃虼思毙柙瓌?chuàng)一種新的再生橡膠材料，既可實現(xiàn)解交聯(lián)又不破壞補強體系，實現(xiàn)高收率、高附加值。
“除此之外，所得再生材料在輪胎中的應(yīng)用因缺乏系統(tǒng)理論研究而脫節(jié)，應(yīng)用后輪胎高性能不能保持、不能穩(wěn)定，只能少量摻用，嚴重阻礙了行業(yè)發(fā)展。”史金煒補充道，如何精準結(jié)合輪胎不同部位性能要求，實現(xiàn)再生材料的高性能穩(wěn)定再應(yīng)用，科學的配方設(shè)計也是一大難題。
研究團隊歷時十幾年的攻關(guān)，研發(fā)出廢輪胎橡膠材料綠色自循環(huán)再生技術(shù)，終于解決了上述難題。該技術(shù)有以下創(chuàng)新點：第一，闡明了廢橡膠解交聯(lián)再生機理及再生材料結(jié)構(gòu)、性能演變，指導了滿足必要再生條件的專用設(shè)備設(shè)計和制造。第二，首創(chuàng)建立了廢膠粉摩擦傳遞機理，研制了脫硫、精煉、中度裂解、冷卻排氣等不同功能的系列雙螺桿擠出機核心裝備，目前已實現(xiàn)單條線回收1萬噸廢載重輪胎和5000噸廢乘用胎。第三，結(jié)合雙螺桿擠出機內(nèi)的剪切場和溫度場的模擬設(shè)計，開發(fā)了螺桿組合結(jié)構(gòu)和工藝控制技術(shù)。第四，設(shè)計了固/液體再生橡膠在輪胎胎面、胎側(cè)、胎體等部件上的應(yīng)用配方和工藝，實現(xiàn)了對樹脂、油、炭黑、合成橡膠等石化產(chǎn)品和天然橡膠的替代應(yīng)用，在保證性能的同時，降低了材料成本。
該項目已經(jīng)形成了輪胎生產(chǎn)—銷售—回收處置—再利用的全周期自循環(huán)模式，為國內(nèi)廢輪胎規(guī)范回收和體系健全提供了示范，為廢載重輪胎和廢乘用車胎的回收再利用提供了綠色化、資源化、高值化的中國解決方案，降低了我國橡膠資源對外依存度，有利于橡膠行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
目前，該技術(shù)成果已落地應(yīng)用，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益。中策橡膠循環(huán)科技有限公司初步構(gòu)建了廢輪胎循環(huán)利用體系，形成了年處理5萬噸廢輪胎的規(guī)模，近3年累計處理廢輪胎約8萬噸，碳減排約2.3萬噸，應(yīng)用再生橡膠材料的輪胎銷售收入達208.4億元，節(jié)省成本約6000萬元。
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