稻壳源白炭黑生产及其应用

刘玉强

（昆明学院，昆明650214）

白炭黑是橡胶制品绿色轮胎中不可或缺的橡胶补强剂。目前白炭黑主要是以传统的石英砂为原料制取，硅资源为不可再生资源，从未来看将逐渐短缺。以稻壳中的生物硅元素来加工生产白炭黑，不仅解决稻谷加工过程废弃物稻壳环保污染问题，而且还为工业发展提供了可再生资源硅，符合循环经济的绿色发展模式，具有重大的经济与社会效益。我国是世界第一大稻谷的粮食生产国，每年稻谷产量在1.93 亿t 左右。在稻谷加工大米的生产过程一般副产20%左右稻壳。目前稻壳的传统利用方式是进行燃烧发电，而燃烧剩余稻壳灰渣主要成分为二氧化硅，将其由一定方法加工生产橡胶补强剂白炭黑（二氧化硅），不仅解决稻壳灰渣的环境污染问题，同时也为橡胶工业发展提供了可持续与循环利用的生物基橡胶补强剂，一定程度缓解了硅资源利用问题。

1 稻壳源白炭黑的生产方法

稻谷是全世界广泛种植的粮食作物，一般稻壳中含有16%～20%的无定形二氧化硅，在稻壳通过燃烧能源利用后剩余物主要成分二氧化硅灰渣，一般含二氧化硅在90%～95.5%，是白炭黑生产的理想原料。

传统的白炭黑主要是以高纯石英砂为原料来生产。而稻壳源白炭黑生产则是采用稻谷加工剩余副产物稻壳为主要原料，先将稻壳经加工锅炉分级燃烧和（或）气化利用能量后，再将稻壳灰渣进行筛分、碱溶和酸析沉淀从稻壳灰渣中提取白炭黑，滤饼渣则经过处理制成活性炭，从而实现了稻壳的再资源化利用[1-2]。稻壳生产橡胶用白炭黑典型生产流程图如图1。

图1 稻壳源白炭黑生产工艺流程图

2 稻壳源白炭黑的基本性能

白炭黑是橡胶工业中重要补强剂，主要是从可溶性硅酸盐中通过沉淀而得的以无定形粒子形式存在的材料。因其微观结构和聚集体形态与传统的橡胶用炭黑类似且颜色白色，并在橡胶材料应用中与炭黑有相近的补强性能，故称之为白炭黑。白炭黑又称沉淀水合二氧化硅，化学式SiO2·nH2O，可溶于苛性碱和氢氟酸，不溶于水，耐高温，不燃，无毒无味，具有良好的电绝缘性。稻壳源白炭黑与橡胶用白炭黑的技术性能指标见表1[3]。

表1 稻壳源白炭黑与橡胶用白炭黑技术指标对照

3 稻壳源白炭黑在橡胶中的应用

3.1 在天然橡胶中的应用

天然橡胶具有优异的加工应用性能，是轮胎工业的主要橡胶原料。稻壳源白炭黑通过添加在天然橡胶中进行应用，并与高分散白炭黑进行对比，结果表明,稻壳源白炭黑在天然橡胶中的分散性较好，硫化胶的拉伸强度较高，综合应用性能比目前主要使用的高分散白炭黑明显提高[4]。应用稻壳源白炭黑尤其适合高性能汽车轮胎要求的在50～80 ℃下是有较小的滞后性，而在-20～0 ℃下表现出较高的滞后性要求，即可降低轮胎滚动阻力和能耗，同时又具有较好的低温抗湿滑性能。

3.2 在丁苯橡胶中的应用

丁苯橡胶是合成橡胶中用量最大的品种，是与天然橡胶一样的重要轮胎生产橡胶原料。丁苯橡胶的应用必须靠添加炭黑来补强使用。采用稻壳源白炭黑并添加偶联剂Si69 在丁苯橡胶中应用结果表明[5]，当添加量达到50 份时，硫化胶拉伸强度达到最大值，Si69用量则以添加2 份为宜，可明显改善丁苯橡胶的综合力学性能。如其拉伸强度由10 份时的5.1 MPa 升至50 份时的23.6 MPa，同时300%定伸应力也由1.5 MPa提升至6.4 MPa。它是丁苯橡胶应用优良的补强剂，其补强效果显著提高。

3.3 在汽车轮胎中的应用

白炭黑是汽车用绿色轮胎中不可缺少的原料之一。汽车轮胎，尤其在胎面胶中添加白炭黑，能够显著降低轮胎的滚动阻力，降低燃油使用量，同时具有较好的抗湿滑性能，改善轮胎使用安全性。稻壳源白炭黑通过添加在半钢丝子午线轮胎胎面胶中试验表明[6]，与传统的石英砂源高分散性白炭黑HD175MP 相比，稻壳源白炭黑具有较好的补强性能，由稻壳源白炭黑补强的胎面胶生产的轮胎与正常轮胎相当，满足产品的使用技术要求。轮胎应用稻壳源白炭黑研究试验结果表明，如果能在汽车轮胎橡胶中添加10～20 份白炭黑，则可以提高轮胎的胶接性能和抗撕裂性能，不仅延长轮胎的使用寿命，而且增强轮胎的抓地力，有利于行车安全。固特异轮胎公司也宣布其采用稻壳灰制备白炭黑用于生产的节油环保轮胎，经测试得出稻壳源制备的白炭黑对轮胎性能的影响与传统的白炭黑相同。

4 结束语

稻壳源生物基橡胶用白炭黑材料的出现，为橡胶工业的可持发展提供了一种环保型的橡胶补强剂，同时也为稻壳这个粮食稻谷加工副产物的利用找得了一条新应用路径，对节约宝贵的硅资源和环境保护将发挥积极作用。随着稻壳源白炭黑产品生产与应用技术的不断发展，其在橡胶工业中的应用范围会越来越广，而用于绿色轮胎中是其最大的应用市场。由稻壳源白炭黑制成的汽车轮胎，不仅解决了稻壳的环境污染问题，而且原料来源丰富，价格相对较低，是一种市场前景广阔的环境友好橡胶补强剂，值得国内相关环保和橡胶企业关注与重视。