中國粉體網訊 我國是農業大國，每年的秸稈產量超過9億噸。秸稈廢棄物不僅占用耕地，而且粗放的處理方法經常引起嚴重的環境問題。但近年來人們逐漸擯棄了傳統的焚燒處理模式，轉向了更加科學合理的秸稈綜合利用。例如，秸稈制沼氣，秸稈青儲飼料，秸稈粉碎制有機肥，秸稈制粒燃燒發電等，這些五花八門的低價值利用方法初步實現了秸稈的變廢為“用”。
然而科學家們還想更上一層樓，提高秸稈的利用價值，使其變廢為“寶”。中科院科學家開發出利用低值秸稈生產高品質輪胎用天然橡膠改性材料技術，實現了“輪胎秸桿造”！
秸稈與輪胎看似風馬牛不相及，實質上卻有著微妙的聯系。
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、抗濕滑性和耐屈撓性，以及低的滾動阻力與生熱性?
橡膠。
橡膠是輪胎工業生產中最主要的原材料，全球每年生產的橡膠中有約60%用于輪胎制造。
木質素改性天然橡膠步驟（李濱 提供）
我國經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，產量達80萬噸以上，躋身世界第四大產膠國。然而，目前國產多數天然橡膠品質相對較低、膠林品種差異大、生產質量不穩定。長期以來，高端制品用膠幾乎完全依賴于進口，這其中就包括市場需求量巨大的輪胎制造。
所以，提升國產天然橡膠的品質，并實現其功能性加工，是行業發展的首要任務。一般來說，在橡膠中添加補強劑后，它的強度、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補強劑?
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，限制橡膠大分子運動的能力就越高。
傳統的橡膠補強劑一直以炭黑為主，但這種來源于化石能源的材料具有高能耗、高污染的缺點。
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纖維原料派上了用場。木質素具有較大的比表面積和特殊的高分子結構，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”。
國內外的研究主要是將工業木質素以填料的形式加入到橡膠材料中，但工業木質素(堿木質素、磺化木質素)分子已經完全碎片化，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，很難得到質量穩定的橡膠，限制了木質素在橡膠中的工業化應用。
因此，亟待解決的瓶頸問題是：如何實現木質素在橡膠體系中的良好分散和界面結合?
科學家通過“相容性改性”的手段，可以調節木質素大分子的極性，增加木質素分子的縮合比例，使改性木質素與天然橡膠實現良好的界面結合和乳聚共混，隨著改性木質素用量(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。
實現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，科學家沒“講清楚”，一般人也不敢問。
不過，關于橡膠填充劑和補強劑，我們很容易便會想到另一種無機粉體，那就是碳酸鈣。眾所周知，碳酸鈣在橡膠工業中主要應用于輪胎，電線、電纜，橡膠制品等，可起到增加體積，降低成本，改進橡膠加工性能的作用。
橡膠塑料用納米碳酸鈣推薦指標
或許會有人提出質疑，把木質素和碳酸鈣湊在一起是作者自己異想天開。實則不然，據近年可查文獻，筆者做以下整理，與大家分享，探討。
1 木質素-碳酸鈣復合物在橡膠領域研究應用
1.1 木質素-碳酸鈣復合物應用研究
羅瓊林等人以木質素和碳酸鈣為原料，在球磨機上以一定的轉速并按照一定的配比混合濕法球磨制備了木質素-碳酸鈣(Lignin-CaCO3)復合物，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/木質素-碳酸鈣(NBR/Lignin-CaCO3) 和丁苯橡膠/木質素-碳酸鈣(SBR/Lignin-CaCO3)復合材料。考察了木質素-碳酸鈣(Lignin-CaCO3)復合物的配比、木質素-碳酸鈣(Lignin-CaCO3)復合材料的硫化劑用量、硫化溫度對橡膠復合材料力學性能的影響。
實驗結果表明，一方面木質素可作為碳酸鈣的有機修飾劑，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素的團聚，促進木質素在基體中的分散。總之，木質素和碳酸鈣作為填料時表現出了協效補強的作用。當填料份數為60、復合填料組成為碳酸鈣/木質素=10/30、硫化溫度為170℃、過氧化物硫化劑用量為2.5 phr 時，其 NBR復合材料綜合性能最好。當填料份數為40、復合填料組成為碳酸鈣/木質素=20/20、硫化溫度為160℃、過氧化物硫化劑用量為1.5phr時，其SBR復合材料綜合性能最好。綜合實驗數據可知，木質素能夠提高碳酸鈣在復合材料中的力學性能，說明木質素可以對碳酸鈣進行修飾。
1.2 一種木質素碳酸鈣的復合物改性橡膠材料的制備方法
章云等人發明一種木質素碳酸鈣的復合物改性橡膠材料的制備方法，包括以下步驟：制備木質素碳酸鈣的復合物、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。木質素作為碳酸鈣的有機修飾劑，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素的團聚，促進木質素在基體中的分散。
結論，木質素和碳酸鈣作為填料時表現出了協效補強的作用，且木質素能夠提高碳酸鈣在復合材料中的力學性能，對碳酸鈣具有修飾作用。
1.3 一種利用木質素分散的碳酸鈣制備橡膠母料的方法
蘇勝培等人發明一種利用木質素分散的碳酸鈣制備橡膠母料的方法，包括木質素分散碳酸鈣制備木質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、木質素與碳酸鈣按一定的配比混合而后在球磨機上進行球磨，得到木質分散碳酸鈣的漿料，將得到的漿料在60-70℃的鼓風干燥箱中或真空烘箱中進行脫水，使漿料含水量為10-30%，得到木質素分散碳酸鈣填料。在工段二中，將工段一中木質素分散的碳酸鈣填料和橡膠通過開煉機或密煉機進行共混，而后通過雙螺桿擠出機造粒制備出橡膠母粒料。應用研究表明，利用本發明中的橡膠母粒料可作為補強劑大幅度提高橡膠材料的力學性能。
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專利相互佐證。
結語
“輪胎秸桿造”技術不僅可以緩解我國天然橡膠原料短缺，而且實現了低價值秸稈的高值利用，可謂一舉兩得。另外還有著減少環境污染，增加就業，通過技術創新引領鄉村可持續發展的良好社會效益和實際應用前景。
參考來源：
顧飛，等：用秸稈做的輪胎能跑多遠?中國科學院青島生物能源與過程研究所，2021
章云，等：一種木質素碳酸鈣的復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：一種利用木質素分散的碳酸鈣制備橡膠母料的方法，湖南師范大學，2015
羅瓊林，等：木質素-碳酸鈣復合物的制備及其在丁腈橡膠和J苯橡膠中的應用研究，湖南師范大學化學化工學院，2016
(中國粉體網編輯整理/昧光)
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