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(yán)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(xué)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(jī)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(shí)現(xiàn)了秸稈的變廢為“用”。
然而科學(xué)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(xué)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(shí)現(xiàn)了“輪胎秸桿造”！
秸稈與輪胎看似風(fēng)馬牛不相及，實(shí)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)窕院湍颓鼡闲裕约暗偷臐L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(dá)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(jìn)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(shí)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(bǔ)強(qiáng)劑后，它的強(qiáng)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(dāng)補(bǔ)強(qiáng)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(qiáng)，限制橡膠大分子運(yùn)動的能力就越高。
傳統(tǒng)的橡膠補(bǔ)強(qiáng)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(diǎn)。
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(shí)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(xué)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(shí)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(shí)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(diǎn)，科學(xué)家沒“講清楚”，一般人也不敢問。
不過，關(guān)于橡膠填充劑和補(bǔ)強(qiáng)劑，我們很容易便會想到另一種無機(jī)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(jìn)橡膠加工性能的作用。
橡膠塑料用納米碳酸鈣推薦指標(biāo)
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(shí)則不然，據(jù)近年可查文獻(xiàn)，筆者做以下整理，與大家分享，探討。
1 木質(zhì)素-碳酸鈣復(fù)合物在橡膠領(lǐng)域研究應(yīng)用
1.1 木質(zhì)素-碳酸鈣復(fù)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(jī)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(fù)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(fù)合材料�？疾炝四举|(zhì)素-碳酸鈣(Lignin-CaCO3)復(fù)合物的配比、木質(zhì)素-碳酸鈣(Lignin-CaCO3)復(fù)合材料的硫化劑用量、硫化溫度對橡膠復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，一方面木質(zhì)素可作為碳酸鈣的有機(jī)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(tuán)聚，促進(jìn)木質(zhì)素在基體中的分散�？傊�，木質(zhì)素和碳酸鈣作為填料時表現(xiàn)出了協(xié)效補(bǔ)強(qiáng)的作用。當(dāng)填料份數(shù)為60、復(fù)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(fù)合材料綜合性能最好。當(dāng)填料份數(shù)為40、復(fù)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(fù)合材料綜合性能最好。綜合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，木質(zhì)素能夠提高碳酸鈣在復(fù)合材料中的力學(xué)性能，說明木質(zhì)素可以對碳酸鈣進(jìn)行修飾。
1.2 一種木質(zhì)素碳酸鈣的復(fù)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(fù)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(fù)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(jī)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(tuán)聚，促進(jìn)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(bǔ)強(qiáng)的作用，且木質(zhì)素能夠提高碳酸鈣在復(fù)合材料中的力學(xué)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(jī)上進(jìn)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(fēng)干燥箱中或真空烘箱中進(jìn)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(jī)或密煉機(jī)進(jìn)行共混，而后通過雙螺桿擠出機(jī)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(bǔ)強(qiáng)劑大幅度提高橡膠材料的力學(xué)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(xiàng)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(shí)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(shí)際應(yīng)用前景。
參考來源：
顧飛，等：用秸稈做的輪胎能跑多遠(yuǎn)?中國科學(xué)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(fù)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(xué)，2015
羅瓊林，等：木質(zhì)素-碳酸鈣復(fù)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(xué)化學(xué)化工學(xué)院，2016
(中國粉體網(wǎng)編輯整理/昧光)
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