CPS纳米粒度仪在橡胶中炭黑回收中的应用研究

炭黑是一种无定形碳，其结构类似于无序石墨，是芳烃在高温下不完全燃烧形成。芳烃分子在高温下通过碳-氢键断裂而解离，碳原子与芳族自由基可反应形成层状六边形碳环结构，这些碳环倾向于堆叠成3~4层的晶体结构，层面边缘主要由氢、自由基以及含氧官能团组成，炭黑表面结构如图1所示。碳环结构表面的酚羟基、羧基、内酯基、酸酐基和醌基等含氧官能团含量少，但会直接影响炭黑的表面化学性质，这些含氧官能团具有良好的化学反应性，为炭黑的表面改性提供可能。

根据逾渗理论，纳米炭黑粒子在拉伸过程中诱导产生橡胶分子链的平行伸直链结构，从而对橡胶产生显著补强作用，提高炭黑橡胶复合材料的拉伸强度和耐磨性能。炭黑在橡胶基体中的分散是影响复合材料的生热和磨耗的关键因素，从增强炭黑与橡胶之间的相互作用角度出发，通过炭黑改性、橡胶改性和液相复合技术等方法可制备综合性能优异的炭黑/橡胶复合材料。

目前，废旧轮胎回收处理方法主要有翻新、生产再生胶以及裂解处理等。翻新对轮胎的完整性有要求，且翻新次数有限制；生产再生胶存在能耗大、污染环境等问题；废轮胎热裂解技术由于其“吃干榨净”的特点而成为当前处理废旧轮胎的有效手段。废旧轮胎在高温缺氧条件下经热裂解后得到的裂解气、裂解油、裂解炭黑等均可以循环利用，具有较高的经济效益和社会效益。

热裂解炭黑的常见高附加值市场应用如下：

①橡胶行业代替部分N330、N550、N660、N754、N774等商品炭黑做填充。

②塑料行业做塑料色母粒使用，用于EVA发泡、PE吹膜、塑料模件等，降低商品炭黑使用成本，增强高色度视觉印象。

③作为颜料用于胶印油墨，可大大改善油墨分散性、流动性、亮度、黑度等性能。

④在污水净化、环境保护、医药卫生领域代替部分木系、煤系活性炭。

⑤作为无机填料用于道路沥青改性补强剂，提高路面性能，尤其适应于西部高原（如青海、西藏）等强紫外线照射地区

针对裂解后的炭黑再重新使用时，由于炭黑的分散对胶料的混炼质量与压出压延工艺影响很大。常用的炭黑添加剂粒径为纳米级别，裂解后的炭黑粒径不一，大部分处于30um左右，从电镜图中可见，最小粒径为3-938um，最大为74.14um见扫描电镜图1.

因此，需要对其粒径的分布进行测试。而目前对炭黑的粒径测量方法为差速沉淀法。由于常用的炭黑粒径比较均匀，在测试时粒径的分布常呈现正态曲线分布，但在裂解后炭黑中混有橡胶纤维，导致粒径变大，不同粒径炭黑的含量不同，不再呈现均匀的正态分布。造成样品的测试比较困难。

美国CPS24000纳米粒度分析仪（如图2所示）可以真实反映样品在溶液中的真实粒径分布状态，粒径测试结果的精确度仅次于扫描电镜。主要特点如下：

1、所需样品量少。每次只需要0.1ml，这在疫苗研发、化学合成方面具有极大的优势。

2、一次测试可到40多个样品。在前处理准备工作做完以后，可结合标准颗粒一批次测试40多个样品。

3、分辨率高。同激光散射和颗粒计数等方法比较，对于样品中即使只有1%峰值差异的颗粒，依旧可以很好地区分测量出来，即可以得到真实的粒度分布结果。

4、灵敏度高。低至 10-8 g 的样品就可以满足日常分析需要。

5、分析时间短。和传统沉降法比较，由于采用更快的圆盘转速和高速检测器，因此极大缩短了分析所需时间。对于粒径分布范围很宽的样品，通过可选的速度调节功能圆盘，仅需常规圆盘分析时间的 1/20。

经过CPS纳米粒度仪对裂解后炭黑进行粒径测试后的结果如图3所示：与扫描电镜所显示的结果基本一致，裂解后的炭黑最小粒径为3um，最大可至50多微米，并且出现很多峰值，证明样液中具有不同粒径且含量不同的的炭黑。峰值粒径处于30um左右。真实反映了不同炭黑粒径的分布状态。