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CPS納米粒度儀在橡膠中炭黑回收中的應(yīng)用研究

炭黑是一種無(wú)定形碳，其結(jié)構(gòu)類似于無(wú)序石墨，是芳烴在高溫下不完全燃燒形成。芳烴分子在高溫下通過(guò)碳-氫鍵斷裂而解離，碳原子與芳族自由基可反應(yīng)形成層狀六邊形碳環(huán)結(jié)構(gòu)，這些碳環(huán)傾向于堆疊成3~4層的晶體結(jié)構(gòu)，層面邊緣主要由氫、自由基以及含氧官能團(tuán)組成，炭黑表面結(jié)構(gòu)如圖1所示。碳環(huán)結(jié)構(gòu)表面的酚羥基、羧基、內(nèi)酯基、酸酐基和醌基等含氧官能團(tuán)含量少，但會(huì)直接影響炭黑的表面化學(xué)性質(zhì)，這些含氧官能團(tuán)具有良好的化學(xué)反應(yīng)性，為炭黑的表面改性提供可能。

根據(jù)逾滲理論，納米炭黑粒子在拉伸過(guò)程中誘導(dǎo)產(chǎn)生橡膠分子鏈的平行伸直鏈結(jié)構(gòu)，從而對(duì)橡膠產(chǎn)生顯著補(bǔ)強(qiáng)作用，提高炭黑橡膠復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和耐磨性能。炭黑在橡膠基體中的分散是影響復(fù)合材料的生熱和磨耗的關(guān)鍵因素，從增強(qiáng)炭黑與橡膠之間的相互作用角度出發(fā)，通過(guò)炭黑改性、橡膠改性和液相復(fù)合技術(shù)等方法可制備綜合性能優(yōu)異的炭黑/橡膠復(fù)合材料。

目前，廢舊輪胎回收處理方法主要有翻新、生產(chǎn)再生膠以及裂解處理等。翻新對(duì)輪胎的完整性有要求，且翻新次數(shù)有限制；生產(chǎn)再生膠存在能耗大、污染環(huán)境等問(wèn)題；廢輪胎熱裂解技術(shù)由于其“吃干榨凈”的特點(diǎn)而成為當(dāng)前處理廢舊輪胎的有效手段。廢舊輪胎在高溫缺氧條件下經(jīng)熱裂解后得到的裂解氣、裂解油、裂解炭黑等均可以循環(huán)利用，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

熱裂解炭黑的常見(jiàn)高附加值市場(chǎng)應(yīng)用如下：

①橡膠行業(yè)代替部分N330、N550、N660、N754、N774等商品炭黑做填充。

②塑料行業(yè)做塑料色母粒使用，用于EVA發(fā)泡、PE吹膜、塑料模件等，降低商品炭黑使用成本，增強(qiáng)高色度視覺(jué)印象。

③作為顏料用于膠印油墨，可大大改善油墨分散性、流動(dòng)性、亮度、黑度等性能。

④在污水凈化、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域代替部分木系、煤系活性炭。

⑤作為無(wú)機(jī)填料用于道路瀝青改性補(bǔ)強(qiáng)劑，提高路面性能，尤其適應(yīng)于西部高原（如青海、西藏）等強(qiáng)紫外線照射地區(qū)

針對(duì)裂解后的炭黑再重新使用時(shí)，由于炭黑的分散對(duì)膠料的混煉質(zhì)量與壓出壓延工藝影響很大。常用的炭黑添加劑粒徑為納米級(jí)別，裂解后的炭黑粒徑不一，大部分處于30um左右，從電鏡圖中可見(jiàn)，最小粒徑為3-938um，最大為74.14um見(jiàn)掃描電鏡圖1.

因此，需要對(duì)其粒徑的分布進(jìn)行測(cè)試。而目前對(duì)炭黑的粒徑測(cè)量方法為差速沉淀法。由于常用的炭黑粒徑比較均勻，在測(cè)試時(shí)粒徑的分布常呈現(xiàn)正態(tài)曲線分布，但在裂解后炭黑中混有橡膠纖維，導(dǎo)致粒徑變大，不同粒徑炭黑的含量不同，不再呈現(xiàn)均勻的正態(tài)分布。造成樣品的測(cè)試比較困難。

美國(guó)CPS24000納米粒度分析儀（如圖2所示）可以真實(shí)反映樣品在溶液中的真實(shí)粒徑分布狀態(tài)，粒徑測(cè)試結(jié)果的精確度僅次于掃描電鏡。主要特點(diǎn)如下：

1、所需樣品量少。每次只需要0.1ml，這在疫苗研發(fā)、化學(xué)合成方面具有極大的優(yōu)勢(shì)。

2、一次測(cè)試可到40多個(gè)樣品。在前處理準(zhǔn)備工作做完以后，可結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)顆粒一批次測(cè)試40多個(gè)樣品。

3、分辨率高。同激光散射和顆粒計(jì)數(shù)等方法比較，對(duì)于樣品中即使只有1%峰值差異的顆粒，依舊可以很好地區(qū)分測(cè)量出來(lái)，即可以得到真實(shí)的粒度分布結(jié)果。

4、靈敏度高。低至 10-8 g 的樣品就可以滿足日常分析需要。

5、分析時(shí)間短。和傳統(tǒng)沉降法比較，由于采用更快的圓盤(pán)轉(zhuǎn)速和高速檢測(cè)器，因此極大縮短了分析所需時(shí)間。對(duì)于粒徑分布范圍很寬的樣品，通過(guò)可選的速度調(diào)節(jié)功能圓盤(pán)，僅需常規(guī)圓盤(pán)分析時(shí)間的 1/20。

經(jīng)過(guò)CPS納米粒度儀對(duì)裂解后炭黑進(jìn)行粒徑測(cè)試后的結(jié)果如圖3所示：與掃描電鏡所顯示的結(jié)果基本一致，裂解后的炭黑最小粒徑為3um，最大可至50多微米，并且出現(xiàn)很多峰值，證明樣液中具有不同粒徑且含量不同的的炭黑。峰值粒徑處于30um左右。真實(shí)反映了不同炭黑粒徑的分布狀態(tài)。