微波阶梯热解废轮胎制备再生炭黑的结构调控与性能优化研究

针对废轮胎传统处理方式的环境污染问题，研究人员通过微波连续/阶梯热解（300-900°C）对比研究再生炭黑（RCB）性能差异。发现阶梯热解可获得单峰粒径分布（D50=12.4μm）和更高无定形含量（ID1/IG↑15%），而连续热解则提升亲水性（接触角22.11°），为RCB在橡胶增强/导电材料领域的定向应用提供新策略。

　　

随着全球汽车产业爆发式增长，每年产生的废弃轮胎已突破14亿条，中国作为最大贡献国年处理量达1200万条。这些"黑色污染"既难降解又含硫化物等有毒成分，传统焚烧或填埋会引发二次污染。尽管现有裂解技术能将轮胎转化为炭黑（RCB），但产物性能不稳定制约其高值化应用——这正是中国科学院过程工程研究所（原第一作者单位Huzhou Meixinda Recycling Industry Development Co., Ltd.为合作企业）团队在《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》发表研究的突破口。

研究人员创新性地将微波加热与阶梯控温相结合，采用热重分析（TGA）确定裂解区间后，分别以连续（800W/1300W）和阶梯（300-900°C分阶段）两种模式处理1-2mm轮胎颗粒。通过X射线衍射（XRD）分析晶体结构、拉曼光谱（Raman）计算无序度（I_D1/I_G）、BET法测比表面积、接触角测试评估润湿性，系统对比RCB性能差异。

材料特性与热解行为
热重曲线揭示轮胎裂解三阶段特征：300°C以下主要脱除增塑剂，300-500°C发生橡胶主链断裂，500°C后残留无机物分解。微波特有的体相加热特性显著加速传质过程，使裂解时间缩短至常规方法的1/3。

阶梯热解的优势
相较于连续加热产物的双峰粒径分布，阶梯热解RCB呈现12.4μm的单峰分布，颗粒均匀性提升显著。拉曼数据显示其无定形碳含量增加15%，更适用于橡胶补强；而连续热解在800°C时通过高效剥离表面有机层，使接触角降至22.11°，赋予产物优异亲水性。

能量消耗对比
动力学模型证实阶梯热解可节能24.7-37.9%，这归因于分段控温避免局部过热造成的能量浪费。残留灰分分析显示ZnO、CaO等添加剂在两种模式下均稳定存在，但阶梯热解能更好保留碳骨架结构完整性。

该研究突破传统裂解工艺局限，通过微波阶梯控温实现RCB性能的精准调控——高无序度产物适用于聚合物增强，亲水性产物利于导电材料制备。团队提出的"能量-结构-性能"关联模型，为废轮胎资源化处理提供了兼具经济性与环保性的新范式，对推动循环经济发展具有重要意义。