一、三类炭黑的核心差异
(一)生产工艺差异
炉法炭黑是目前产能最大、应用最广的炭黑品类,以芳烃油为原料,在反应炉中通过不完全燃烧裂解生成,工艺成熟稳定,可通过调整工艺参数灵活控制产品粒径与结构,占国内炭黑总产量的90%以上,是橡胶工业的主力炭黑品种。
乙炔炭黑以乙炔气为原料,通过高温热解生成,生产工艺对原料纯度要求高,炭黑纯度高,比表面积大,导电性能优异,但产能较低,成本远高于炉法炭黑。
裂解炭黑分为两类,一类是以热解气或重油为原料的热裂解炭黑,另一类是废橡胶、废轮胎热解得到的再生裂解炭黑,目前行业所说的裂解炭黑多数指后者,通过废轮胎在无氧条件下高温热解得到,属于循环再生原料,成本低于原生炭黑,但成分复杂,性能波动较大。
(二)性能与应用差异
炉法炭黑的粒径均匀,结构可控,补强性能优异,能够显著提升橡胶的拉伸强度、耐磨性、抗老化性,主要应用于轮胎胎面、胎侧以及橡胶制品生产,也可用于油墨、涂料的着色。
乙炔炭黑的纯度高,灰分低,导电性能远优于其他品类炭黑,吸液量高,主要应用于电池正极导电剂、导电橡胶、静电防护材料等,对补强性能要求较低,基本不用于轮胎制造。
再生裂解炭黑的成分相对复杂,含有少量残留热解油、灰分杂质,粒径分布较宽,表面活性低于原生炉法炭黑,补强性能弱于同粒径的炉法炭黑,目前主要用于低性能橡胶制品、塑料填充等领域。
(三)成本差异
原生炉法炭黑受原料油价影响,价格相对稳定;乙炔炭黑成本是炉法炭黑的2-3倍,仅用于特种功能场景;再生裂解炭黑成本仅为原生炉法炭黑的50%-70%,成本优势明显,但性能稳定性不足,需要改性处理才能应用于高端场景。
二、再生裂解炭黑能否用于轮胎制造
(一)直接应用的局限性
未经处理的再生裂解炭黑,直接用于轮胎制造存在明显缺陷:第一,成分不稳定,杂质含量高,灰分通常在8%-15%,远高于原生炉法炭黑不超过1%的灰分标准,大量灰分会降低橡胶的交联密度,导致轮胎拉伸强度、耐磨性下降,缩短轮胎使用寿命;第二,表面活性低,再生裂解炭黑表面存在热解残留的碳质焦油,会降低炭黑与橡胶基体的结合力,补强性能远低于原生炭黑,直接添加会导致轮胎力学性能不达标;第三,粒径分布宽,不均匀的粒径会导致橡胶性能波动,难以满足轮胎工业稳定的质量要求。因此未经处理的再生裂解炭黑,无法直接用于全钢载重轮胎、乘用轿车轮胎等对性能要求高的轮胎制造,仅能少量添加到低性能农用轮胎、非道路轮胎中,添加比例通常不超过10%。
(二)改性后应用的可行性
经过精细化处理与改性后的再生裂解炭黑,可以部分替代原生炉法炭黑应用于轮胎制造:首先通过球磨、风选分级去除大颗粒杂质,再通过酸洗、氧化改性去除表面残留焦油,调整表面活性,灰分可以降低到3%以内,表面活性可达到原生炭黑的80%-90%。目前行业试验数据显示,经过改性的再生裂解炭黑,替代20%-30%的原生炉法炭黑用于轮胎胎侧,轮胎的力学性能、老化性能都能达到国家强制标准要求,替代比例不超过15%时,对轮胎耐磨性影响极小,完全满足使用要求。
(三)当前行业应用现状
目前再生裂解炭黑应用于轮胎制造仍处于推广阶段,受改性成本、性能稳定性的限制,尚未大规模应用,仅部分轮胎企业在低层级载重轮胎、农用轮胎中添加一定比例的改性再生裂解炭黑,高端乘用轮胎仍未批量使用。随着废轮胎热解行业的技术升级,精细化改性成本逐步下降,再生裂解炭黑的性能稳定性不断提升,未来替代比例会逐步提高,成为轮胎工业循环利用的重要方向。