中國粉體網(wǎng)訊 我國是農(nóng)業(yè)大國，每年的秸稈產(chǎn)量超過9億噸。秸稈廢棄物不僅占用耕地，而且粗放的處理方法經(jīng)常引起嚴重的環(huán)境問題。但近年來人們逐漸擯棄了傳統(tǒng)的焚燒處理模式，轉(zhuǎn)向了更加科學合理的秸稈綜合利用。例如，秸稈制沼氣，秸稈青儲飼料，秸稈粉碎制有機肥，秸稈制粒燃燒發(fā)電等，這些五花八門的低價值利用方法初步實現(xiàn)了秸稈的變廢為“用”。
然而科學家們還想更上一層樓，提高秸稈的利用價值，使其變廢為“寶”。中科院科學家開發(fā)出利用低值秸稈生產(chǎn)高品質(zhì)輪胎用天然橡膠改性材料技術(shù)，實現(xiàn)了“輪胎秸桿造”！
秸稈與輪胎看似風馬牛不相及，實質(zhì)上卻有著微妙的聯(lián)系。
什么樣的材料才能具有良好的承載性能、牽引性能、緩沖性能的同時，還具備高耐磨性、抗?jié)窕院湍颓鼡闲�，以及低的滾動阻力與生熱性?
橡膠。
橡膠是輪胎工業(yè)生產(chǎn)中最主要的原材料，全球每年生產(chǎn)的橡膠中有約60%用于輪胎制造。
木質(zhì)素改性天然橡膠步驟（李濱 提供）
我國經(jīng)過幾十年的天然橡膠品種培育，目前天然橡膠總種植面積超過1700萬畝，產(chǎn)量達80萬噸以上，躋身世界第四大產(chǎn)膠國。然而，目前國產(chǎn)多數(shù)天然橡膠品質(zhì)相對較低、膠林品種差異大、生產(chǎn)質(zhì)量不穩(wěn)定。長期以來，高端制品用膠幾乎完全依賴于進口，這其中就包括市場需求量巨大的輪胎制造。
所以，提升國產(chǎn)天然橡膠的品質(zhì)，并實現(xiàn)其功能性加工，是行業(yè)發(fā)展的首要任務(wù)。一般來說，在橡膠中添加補強劑后，它的強度、硬度和耐磨性能會有較大幅度地提升。
什么樣的材料才能充當補強劑?
如果一種材料在橡膠基體中的分散性越好、粒徑越小、與橡膠分子界面相容性越好，那么它與橡膠大分子的相互作用力就越強，限制橡膠大分子運動的能力就越高。
傳統(tǒng)的橡膠補強劑一直以炭黑為主，但這種來源于化石能源的材料具有高能耗、高污染的缺點。
在橡膠改性這件事兒上，來源廣泛且價格低廉的秸稈類木質(zhì)纖維原料派上了用場。木質(zhì)素具有較大的比表面積和特殊的高分子結(jié)構(gòu)，能夠在特定條件下分散成類似炭黑的納米粒子，具有取而代之的“資格”。
國內(nèi)外的研究主要是將工業(yè)木質(zhì)素以填料的形式加入到橡膠材料中，但工業(yè)木質(zhì)素(堿木質(zhì)素、磺化木質(zhì)素)分子已經(jīng)完全碎片化，分子量分散性大，分子極性高，與橡膠基體相容性差且不易分散，很難得到質(zhì)量穩(wěn)定的橡膠，限制了木質(zhì)素在橡膠中的工業(yè)化應(yīng)用。
因此，亟待解決的瓶頸問題是：如何實現(xiàn)木質(zhì)素在橡膠體系中的良好分散和界面結(jié)合?
科學家通過“相容性改性”的手段，可以調(diào)節(jié)木質(zhì)素大分子的極性，增加木質(zhì)素分子的縮合比例，使改性木質(zhì)素與天然橡膠實現(xiàn)良好的界面結(jié)合和乳聚共混，隨著改性木質(zhì)素用量(5-20%)的增加，天然橡膠的分子量分布相對逐漸變窄，即可提升橡膠制品的綜合性能。
實現(xiàn)從秸稈到輪胎的三步走。
許多人都會有個疑問，“相容性改性”的手段是怎樣的？這一點，科學家沒“講清楚”，一般人也不敢問。
不過，關(guān)于橡膠填充劑和補強劑，我們很容易便會想到另一種無機粉體，那就是碳酸鈣。眾所周知，碳酸鈣在橡膠工業(yè)中主要應(yīng)用于輪胎，電線、電纜，橡膠制品等，可起到增加體積，降低成本，改進橡膠加工性能的作用。
橡膠塑料用納米碳酸鈣推薦指標
或許會有人提出質(zhì)疑，把木質(zhì)素和碳酸鈣湊在一起是作者自己異想天開。實則不然，據(jù)近年可查文獻，筆者做以下整理，與大家分享，探討。
1 木質(zhì)素-碳酸鈣復合物在橡膠領(lǐng)域研究應(yīng)用
1.1 木質(zhì)素-碳酸鈣復合物應(yīng)用研究
羅瓊林等人以木質(zhì)素和碳酸鈣為原料，在球磨機上以一定的轉(zhuǎn)速并按照一定的配比混合濕法球磨制備了木質(zhì)素-碳酸鈣(Lignin-CaCO3)復合物，并將其分別用于丁腈橡膠(NBR)和丁苯橡膠(SBR) 中，共混制備了丁腈橡膠/木質(zhì)素-碳酸鈣(NBR/Lignin-CaCO3) 和丁苯橡膠/木質(zhì)素-碳酸鈣(SBR/Lignin-CaCO3)復合材料�？疾炝四举|(zhì)素-碳酸鈣(Lignin-CaCO3)復合物的配比、木質(zhì)素-碳酸鈣(Lignin-CaCO3)復合材料的硫化劑用量、硫化溫度對橡膠復合材料力學性能的影響。
實驗結(jié)果表明，一方面木質(zhì)素可作為碳酸鈣的有機修飾劑，從而提高碳酸鈣與橡膠基體的相容性;另一方面，分散好的碳酸鈣在混煉過程中可以防止木質(zhì)素的團聚，促進木質(zhì)素在基體中的分散。總之，木質(zhì)素和碳酸鈣作為填料時表現(xiàn)出了協(xié)效補強的作用。當填料份數(shù)為60、復合填料組成為碳酸鈣/木質(zhì)素=10/30、硫化溫度為170℃、過氧化物硫化劑用量為2.5 phr 時，其 NBR復合材料綜合性能最好。當填料份數(shù)為40、復合填料組成為碳酸鈣/木質(zhì)素=20/20、硫化溫度為160℃、過氧化物硫化劑用量為1.5phr時，其SBR復合材料綜合性能最好。綜合實驗數(shù)據(jù)可知，木質(zhì)素能夠提高碳酸鈣在復合材料中的力學性能，說明木質(zhì)素可以對碳酸鈣進行修飾。
1.2 一種木質(zhì)素碳酸鈣的復合物改性橡膠材料的制備方法
章云等人發(fā)明一種木質(zhì)素碳酸鈣的復合物改性橡膠材料的制備方法，包括以下步驟：制備木質(zhì)素碳酸鈣的復合物、天然橡膠NR塑煉、配料混煉、制得混煉膠膠片、混煉膠膠片硫化處理。木質(zhì)素作為碳酸鈣的有機修飾劑，可以提高碳酸鈣與橡膠基體的相容性;而碳酸鈣在混煉過程中可以防止木質(zhì)素的團聚，促進木質(zhì)素在基體中的分散。
結(jié)論，木質(zhì)素和碳酸鈣作為填料時表現(xiàn)出了協(xié)效補強的作用，且木質(zhì)素能夠提高碳酸鈣在復合材料中的力學性能，對碳酸鈣具有修飾作用。
1.3 一種利用木質(zhì)素分散的碳酸鈣制備橡膠母料的方法
蘇勝培等人發(fā)明一種利用木質(zhì)素分散的碳酸鈣制備橡膠母料的方法，包括木質(zhì)素分散碳酸鈣制備木質(zhì)素分散碳酸鈣填料和填料與橡膠共混兩個工段。在工段一中，將水、木質(zhì)素與碳酸鈣按一定的配比混合而后在球磨機上進行球磨，得到木質(zhì)分散碳酸鈣的漿料，將得到的漿料在60-70℃的鼓風干燥箱中或真空烘箱中進行脫水，使?jié){料含水量為10-30%，得到木質(zhì)素分散碳酸鈣填料。在工段二中，將工段一中木質(zhì)素分散的碳酸鈣填料和橡膠通過開煉機或密煉機進行共混，而后通過雙螺桿擠出機造粒制備出橡膠母粒料。應(yīng)用研究表明，利用本發(fā)明中的橡膠母粒料可作為補強劑大幅度提高橡膠材料的力學性能。
另外，羅瓊林等人的研究也可以與章云以及蘇勝培等人的兩項專利相互佐證。
結(jié)語
“輪胎秸桿造”技術(shù)不僅可以緩解我國天然橡膠原料短缺，而且實現(xiàn)了低價值秸稈的高值利用，可謂一舉兩得。另外還有著減少環(huán)境污染，增加就業(yè)，通過技術(shù)創(chuàng)新引領(lǐng)鄉(xiāng)村可持續(xù)發(fā)展的良好社會效益和實際應(yīng)用前景。
參考來源：
顧飛，等：用秸稈做的輪胎能跑多遠?中國科學院青島生物能源與過程研究所，2021
章云，等：一種木質(zhì)素碳酸鈣的復合物改性橡膠材料的制備方法，安徽依采妮纖維材料科技有限公司，2017
蘇勝培，等：一種利用木質(zhì)素分散的碳酸鈣制備橡膠母料的方法，湖南師范大學，2015
羅瓊林，等：木質(zhì)素-碳酸鈣復合物的制備及其在丁腈橡膠和J苯橡膠中的應(yīng)用研究，湖南師范大學化學化工學院，2016
(中國粉體網(wǎng)編輯整理/昧光)
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