基于超高压水射流方法的子午线轮胎回收机理及应用基础研究

子午线轮胎由钢丝、帘布及橡胶组成，由于钢丝与橡胶结合的非常紧密，橡胶的高弹性及钢丝的大韧性，导致其破碎困难，很难实现高值高效再利用。目前常用的低温破碎法、机械物理法、热解法、炸药爆炸法等方法的回收利用效率不高、过程复杂、成本高，且往往会造成二次环境污染。本项目利用超高压水射流技术，通过对子午线轮胎复合结构的解离行为、子午线轮胎复合结构在超高压水射流磨碎过程中的力学机理、橡胶在超高压水射流磨碎过程中的机械力化学机理、子午线轮胎的超高压水射流磨碎参数优化方法等进行系统研究，最终揭示基于超高压水射流磨碎法的子午线轮胎回收机理，提出基于超高压水射流磨碎法的子午线轮胎回收方法，为实现子午线轮胎的高效高值再利用奠定理论与方法基础。

随着汽车工业及交通运输业的飞速发展，废旧轮胎的数量迅速增长，另一方面我国橡胶资源十分匮乏，高效环保地利用废旧轮胎是合理利用资源、实现可持续发展的重要措施。为解决废旧子午线轮胎在回收处理过程中存在的破碎困难、过程复杂、成本高、效率低、易造成二次污染等问题，课题组利用超高压水射流对轮胎进行破碎，初步实现废旧子午线轮胎的回收再利用。研究了超高压水射流作用下胎面胶材料的解离行为和破碎机理，建立了流固耦合模型，分析了水射流冲击下胎面胶材料的应力分布规律，得出胎面胶材料受水射流作用发生拉伸破坏和剪切错动而被破碎并分离出本体，其微观破坏机制分别为沿晶破坏和穿晶断裂；应用流体力学理论数值模拟了水射流中的空化效应，得出空泡溃灭过程所产生的微射流和冲击波对胎面胶材料具有明显的破坏作用，并形成断面上的针孔状形貌；通过Hopkinson压杆试验研究了胎面胶材料在高速冲击载荷下的受力及响应状态，建立了胎面胶材料在高应变率下的本构模型，发现并验证了破碎过程中胎面胶材料的脆化效应；仿真分析了含表面裂纹的废旧轮胎胎面胶材料在水射流冲击下的应力分布，揭示了其在高压水射流作用下的表层动态断裂机理，即裂纹扩展和多裂纹的耦合作用形成了橡胶颗粒。研究了胎面胶材料破碎过程中的脱硫机理，通过核磁共振及红外光谱分析破碎前后胎面胶材料基团含量的变化，得出胎面胶材料在水射流冲击下形成的强剪切应力场使交联网络中键能较弱的S-S键与S-C键发生断裂；通过凝胶含量测定揭示了空化效应的脱硫效果，并研究了空化脱硫机理，得出水射流空化效应产生机械剪切、热解、自由基氧化以及超临界氧化作用造成了橡胶分子结构中交联网络的断裂。破碎效率及胶粉性能决定了破碎效果，以脱硫效果和粒度粒形表征胶粉的性能，研究了水射流参数对破碎效率及胶粉性能的影响，并分别针对破碎效率、胶粉的脱硫效果和粒度粒形从单因素和多因素角度对水射流参数进行了优化，提升了胎面胶材料的破碎效率和胶粉的性能，得出在水射流参数为泵压270MPa，靶距45mm，喷嘴移动速度1500mm/min时具有较高的破碎效率且回收的胶粉粒度足够小并具有良好的脱硫效果。设计了三种多喷嘴专用设备，以实现废旧子午线轮胎的工业化回收。基于以上研究成果，初步建立了超高压水射流回收废旧子午线轮胎的理论与技术体系，为实现废旧子午线轮胎的工业化回收奠定了基础。