中国粉体网讯 我国是农业大国，每年的秸秆产量超过9亿吨。秸秆废弃物不仅占用耕地，而且粗放的处理方法经常引起严重的环境问题。但近年来人们逐渐摈弃了传统的焚烧处理模式，转向了更加科学合理的秸秆综合利用。例如，秸秆制沼气，秸秆青储饲料，秸秆粉碎制有机肥，秸秆制粒燃烧发电等，这些五花八门的低价值利用方法初步实现了秸秆的变废为“用”。
然而科学家们还想更上一层楼，提高秸秆的利用价值，使其变废为“宝”。中科院科学家开发出利用低值秸秆生产高品质轮胎用天然橡胶改性材料技术，实现了“轮胎秸杆造”！
秸秆与轮胎看似风马牛不相及，实质上却有着微妙的联系。
什么样的材料才能具有良好的承载性能、牵引性能、缓冲性能的同时，还具备高耐磨性、抗湿滑性和耐屈挠性，以及低的滚动阻力与生热性?
橡胶。
橡胶是轮胎工业生产中最主要的原材料，全球每年生产的橡胶中有约60%用于轮胎制造。
木质素改性天然橡胶步骤（李滨 提供）
我国经过几十年的天然橡胶品种培育，目前天然橡胶总种植面积超过1700万亩，产量达80万吨以上，跻身世界第四大产胶国。然而，目前国产多数天然橡胶品质相对较低、胶林品种差异大、生产质量不稳定。长期以来，高端制品用胶几乎完全依赖于进口，这其中就包括市场需求量巨大的轮胎制造。
所以，提升国产天然橡胶的品质，并实现其功能性加工，是行业发展的首要任务。一般来说，在橡胶中添加补强剂后，它的强度、硬度和耐磨性能会有较大幅度地提升。
什么样的材料才能充当补强剂?
如果一种材料在橡胶基体中的分散性越好、粒径越小、与橡胶分子界面相容性越好，那么它与橡胶大分子的相互作用力就越强，限制橡胶大分子运动的能力就越高。
传统的橡胶补强剂一直以炭黑为主，但这种来源于化石能源的材料具有高能耗、高污染的缺点。
在橡胶改性这件事儿上，来源广泛且价格低廉的秸秆类木质纤维原料派上了用场。木质素具有较大的比表面积和特殊的高分子结构，能够在特定条件下分散成类似炭黑的纳米粒子，具有取而代之的“资格”。
国内外的研究主要是将工业木质素以填料的形式加入到橡胶材料中，但工业木质素(碱木质素、磺化木质素)分子已经完全碎片化，分子量分散性大，分子极性高，与橡胶基体相容性差且不易分散，很难得到质量稳定的橡胶，限制了木质素在橡胶中的工业化应用。
因此，亟待解决的瓶颈问题是：如何实现木质素在橡胶体系中的良好分散和界面结合?
科学家通过“相容性改性”的手段，可以调节木质素大分子的极性，增加木质素分子的缩合比例，使改性木质素与天然橡胶实现良好的界面结合和乳聚共混，随着改性木质素用量(5-20%)的增加，天然橡胶的分子量分布相对逐渐变窄，即可提升橡胶制品的综合性能。
实现从秸秆到轮胎的三步走。
许多人都会有个疑问，“相容性改性”的手段是怎样的？这一点，科学家没“讲清楚”，一般人也不敢问。
不过，关于橡胶填充剂和补强剂，我们很容易便会想到另一种无机粉体，那就是碳酸钙。众所周知，碳酸钙在橡胶工业中主要应用于轮胎，电线、电缆，橡胶制品等，可起到增加体积，降低成本，改进橡胶加工性能的作用。
橡胶塑料用纳米碳酸钙推荐指标
或许会有人提出质疑，把木质素和碳酸钙凑在一起是作者自己异想天开。实则不然，据近年可查文献，笔者做以下整理，与大家分享，探讨。
1 木质素-碳酸钙复合物在橡胶领域研究应用
1.1 木质素-碳酸钙复合物应用研究
罗琼林等人以木质素和碳酸钙为原料，在球磨机上以一定的转速并按照一定的配比混合湿法球磨制备了木质素-碳酸钙(Lignin-CaCO3)复合物，并将其分别用于丁腈橡胶(NBR)和丁苯橡胶(SBR) 中，共混制备了丁腈橡胶/木质素-碳酸钙(NBR/Lignin-CaCO3) 和丁苯橡胶/木质素-碳酸钙(SBR/Lignin-CaCO3)复合材料。考察了木质素-碳酸钙(Lignin-CaCO3)复合物的配比、木质素-碳酸钙(Lignin-CaCO3)复合材料的硫化剂用量、硫化温度对橡胶复合材料力学性能的影响。
实验结果表明，一方面木质素可作为碳酸钙的有机修饰剂，从而提高碳酸钙与橡胶基体的相容性;另一方面，分散好的碳酸钙在混炼过程中可以防止木质素的团聚，促进木质素在基体中的分散。总之，木质素和碳酸钙作为填料时表现出了协效补强的作用。当填料份数为60、复合填料组成为碳酸钙/木质素=10/30、硫化温度为170℃、过氧化物硫化剂用量为2.5 phr 时，其 NBR复合材料综合性能最好。当填料份数为40、复合填料组成为碳酸钙/木质素=20/20、硫化温度为160℃、过氧化物硫化剂用量为1.5phr时，其SBR复合材料综合性能最好。综合实验数据可知，木质素能够提高碳酸钙在复合材料中的力学性能，说明木质素可以对碳酸钙进行修饰。
1.2 一种木质素碳酸钙的复合物改性橡胶材料的制备方法
章云等人发明一种木质素碳酸钙的复合物改性橡胶材料的制备方法，包括以下步骤：制备木质素碳酸钙的复合物、天然橡胶NR塑炼、配料混炼、制得混炼胶胶片、混炼胶胶片硫化处理。木质素作为碳酸钙的有机修饰剂，可以提高碳酸钙与橡胶基体的相容性;而碳酸钙在混炼过程中可以防止木质素的团聚，促进木质素在基体中的分散。
结论，木质素和碳酸钙作为填料时表现出了协效补强的作用，且木质素能够提高碳酸钙在复合材料中的力学性能，对碳酸钙具有修饰作用。
1.3 一种利用木质素分散的碳酸钙制备橡胶母料的方法
苏胜培等人发明一种利用木质素分散的碳酸钙制备橡胶母料的方法，包括木质素分散碳酸钙制备木质素分散碳酸钙填料和填料与橡胶共混两个工段。在工段一中，将水、木质素与碳酸钙按一定的配比混合而后在球磨机上进行球磨，得到木质分散碳酸钙的浆料，将得到的浆料在60-70℃的鼓风干燥箱中或真空烘箱中进行脱水，使浆料含水量为10-30%，得到木质素分散碳酸钙填料。在工段二中，将工段一中木质素分散的碳酸钙填料和橡胶通过开炼机或密炼机进行共混，而后通过双螺杆挤出机造粒制备出橡胶母粒料。应用研究表明，利用本发明中的橡胶母粒料可作为补强剂大幅度提高橡胶材料的力学性能。
另外，罗琼林等人的研究也可以与章云以及苏胜培等人的两项专利相互佐证。
结语
“轮胎秸杆造”技术不仅可以缓解我国天然橡胶原料短缺，而且实现了低价值秸秆的高值利用，可谓一举两得。另外还有着减少环境污染，增加就业，通过技术创新引领乡村可持续发展的良好社会效益和实际应用前景。
参考来源：
顾飞，等：用秸秆做的轮胎能跑多远?中国科学院青岛生物能源与过程研究所，2021
章云，等：一种木质素碳酸钙的复合物改性橡胶材料的制备方法，安徽依采妮纤维材料科技有限公司，2017
苏胜培，等：一种利用木质素分散的碳酸钙制备橡胶母料的方法，湖南师范大学，2015
罗琼林，等：木质素-碳酸钙复合物的制备及其在丁腈橡胶和J苯橡胶中的应用研究，湖南师范大学化学化工学院，2016
(中国粉体网编辑整理/昧光)
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