行業應用|用木質素替代炭黑后，如何優化橡膠硫化工藝？

2024-07-22 18:00:10 184閱讀次數

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背景

2021年底，來自北歐的生物基材料和生物能源企業UPM（全稱：UPM-Kymmene），宣布啟動“全新于世”（原文：new to the world）的可再生填充物技術UPM BioMotion? RFF，根據其專利^[1]顯示，將粗木質素中的木質纖維素顆粒和木質素顆粒分離，木質纖維素可用于生產生物乙醇（參考微信公眾號2024年5月24日文章《低場核磁共振技術用于生物乙醇生產工藝評價》）；木質素則經過水熱炭化處理得到木質素衍生物^[2]，具有高碳含量和功能性官能團，這些特性使其能夠在橡膠基材中發揮作用，提高輪胎等橡膠制品的性能，作為傳統炭黑的替代品。

2024年6月27日，UPM在其官網宣布，UPM與同樣來自芬蘭的輪胎企業諾記（Nokian）達成合作，將后者生產的30%輪胎側壁中的增強填料炭黑，改為具有RFF技術的木質素材料。使用生物質材料替代傳統化石材料，這種方法可以減少碳排放，降低工業活動的碳足跡。

木質素替代炭黑的意義

炭黑是輪胎中的增強劑，可提高橡膠和其他彈性體材料的力學性能和耐磨損性，是橡膠工業中應用最廣泛的補強材料之一，成本占比約占15%。但炭黑產生一系列環境問題，如溫室氣體排放、空氣污染、水體污染及固體廢棄物等。2025年5月1日，GB 29449-2024《輪胎和炭黑單位產品能源消耗限額》也將實施，進一步限制碳排放量。

在環境和政策的影響下，木質素材料成為可持續替代炭黑的生物基材料顯得尤為重要。

低場核磁共振技術用于橡膠等高分子材料性能表征

木質素材料替代炭黑后的大規模生產，橡膠制造工藝也會相應發生改變。

交聯密度作為評估橡膠等高分子材料性能的非常重要的指標，在實際應用中最常用于過程控制和工藝研究，例如評估硫化時間、工藝等，硫化劑的選擇等，在這里可用于補強劑配方如使用炭黑、白炭黑（二氧化硅）以及木質素，甚至是混合配方時，輔助優化硫化工藝的時間、溫度等條件。

橡膠經過硫化后，在微觀上實現了分子結構由二維線型向三維網狀的轉變，此時其交聯密度發生很大改變，核磁共振法（NMR）可以提供與硫化膠性能有關的微觀網絡結構信息,并且具有測試周期短、重復性好的優點。

上圖實驗是橡膠樣品在Tg+150℃的測試條件下，此時完全去掉了分子間的作用力，可以完全反應交聯密度（物理交聯和化學交聯）隨硫化時間的變化。

所以，使用核磁共振法測量交聯密度，并在線、實時監控橡膠硫化溫度、時間，可以精確描述橡膠硫化過程中交聯密度的演變對改善硫化溫度，硫化時間等硫化條件提供依據。

總結

炭黑是輪胎中的增強劑，可提高橡膠和其他彈性木質素作為可再生、可生物降解、具有生物相容性的生物基材料，在環保減排中起到重要作用，但隨之而來的大規模替代生產則要求工藝流程的優化，低場核磁技術作為一種綠色、快速、無損的工具，可以對橡膠交聯密度進行在線表征，有助于優化橡膠硫化工藝。

如您對以上應用感興趣，歡迎咨詢：15618820062

參考文獻

[1] Miettinen, Mauno. "METHOD AND APPARATUS FOR SEPARATING LIGNOCELLULOSE PARTICLE FRACTION AND LIGNIN PARTICLE FRACTION, LIGNIN PARTICLE COMPOSITION, LIGNOCELLULOSE PARTICLE COMPOSITION AND THEIR USE." U.S. Patent No. US11,066,525B2, 20 July 2021.

[2] Lahtinen, Mika et al. "TYRE COMPRISING HYDROTHERMALLY CARBONIZED LIGNIN." U.S. Patent No. US10,428,218B2, 1 Oct. 2019.