《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Industrial Assessment of Recycled Steelmaking Slag as a Sustainable Alternative to Carbon Black in NBR Composites
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本研究针对橡胶工业对石油基炭黑填料的依赖及电炉钢渣堆存带来的环境问题，创新性地评估了EAF钢渣作为NBR复合材料中炭黑可持续替代填料的工业可行性。研究人员系统比较了三种等体积分数填料（0%、50%、100% EAF渣）的NBR复合材料的硫化特性、加工性能、力学性能及摩擦学行为。结果表明，50%钢渣替代方案在环境影响与性能间取得了最佳平衡，为高附加值资源化利用工业固废提供了新途径。
在全球绿色制造和循环经济浪潮的推动下，如何将工业固体废弃物转化为高附加值材料已成为材料科学与工程领域的前沿课题。橡胶工业作为重要的基础产业，长期以来依赖石油衍生的炭黑作为增强填料，这不仅消耗不可再生资源，其生产过程还会产生显著的碳足迹（每公斤炭黑约排放1.5-3.5公斤CO2当量）。与此同时，钢铁制造业通过电弧炉（EAF）工艺每年在欧洲产生约600-900万吨钢渣，这些副产物大多被填埋处理，不仅占用土地资源，还存在重金属浸出的潜在环境风险。
面对这一双重挑战，意大利布雷西亚大学的研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》上发表了一项创新性研究，系统评估了EAF钢渣作为炭黑可持续替代品在丁腈橡胶（NBR）复合材料中的工业应用潜力。研究人员设计了三种填料体积分数相同（21% v/v）的NBR复合材料：传统炭黑填充（0%钢渣）、50%钢渣部分替代炭黑，以及100%钢渣完全替代炭黑，全面考察了这些材料在工业化生产条件下的表现。
为全面评估材料的工业可行性，研究团队采用了多项关键技术方法：通过移动模具流变仪（MDR）分析硫化动力学特性；利用橡胶加工分析仪（RPA）进行频率扫描测试评估复合粘度；采用工业级注射成型机制备O型圈样品，并结合红外热像仪监测剪切加热温度（TSH）；通过热重分析（TGA）、差示扫描量热法（DSC）和热导率测量表征热性能；利用衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）分析化学结构；并通过拉伸测试、撕裂强度测试和销-盘式摩擦磨损试验评估力学和摩擦学性能。
硫化动力学与加工性能
流变分析显示，钢渣的引入不会改变NBR化合物的硫化动力学特性、温度依赖性或活化能（Ea值在92-99 kJ/mol范围内）。仅最大扭矩（MH）随钢渣含量增加而降低，表明交联密度有所下降。粘度测试表明，添加钢渣会轻微降低材料粘度（最小扭矩ML减小）。然而，注射成型试验暴露了关键问题：粗大钢渣颗粒（≤100 μm）会阻塞狭窄的模具浇口（约50 μm），导致NBR 100%钢渣配方充模困难。相比之下，压缩成型则无此加工问题。
热性能与物理化学特性
ATR-FTIR分析证实，钢渣的加入不会改变NBR的分子结构。热导率和玻璃化转变温度（约-25.5°C）在所有配方中均保持稳定。值得注意的是，TGA结果显示钢渣的引入增强了复合材料的热降解稳定性，在400°C时，NBR 100%钢渣、50%钢渣和0%钢渣的质量损失率分别为12%、14%和16%，表明钢渣填料通过物理屏障机制提高了材料的热稳定性。
力学与摩擦学性能
随钢渣含量增加，复合材料的拉伸强度和撕裂强度呈渐进性下降趋势。NBR 0%钢渣的拉伸强度为13.56 MPa，而50%和100%钢渣配方分别降至9.38 MPa和5.41 MPa。这主要归因于钢渣颗粒的棱角形状和较大尺寸导致应力集中。摩擦学测试揭示了有趣的权衡关系：随着钢渣含量增加，摩擦系数降低，但磨损率上升。NBR 50%钢渣配方展现出最佳的平衡，在保持可接受磨损率的同时显著降低了摩擦系数。
工业加工可行性
注射成型试验表明，钢渣填充的NBR复合材料需要调整工艺参数才能实现满意充模。随着钢渣含量增加，需提高注射压力和速度（从0%钢渣的120 bar/80%提高至100%钢渣的140 bar/95%）。剪切加热参数（ηSH）分析显示，钢渣填充配方的ηSH值略高于炭黑填充配方（从4.47×105Pa·s增至5.30×105Pa·s），这主要源于钢渣更高密度带来的影响，而非剪切加热温度显著升高。
研究结论表明，EAF钢渣作为NBR中炭黑的替代填料具有技术可行性，但存在明确的性能权衡。50%钢渣替代方案在环境效益与性能保持间取得了最佳平衡，为工业应用提供了实用解决方案。完全替代（100%钢渣）虽能最大化环境效益，但会导致力学性能显著下降和加工难度增加。未来研究应聚焦于优化钢渣颗粒尺寸和形状分布，并探索注射-压缩成型等替代加工技术，以充分发挥EAF钢渣在高性能弹性体中的可持续填充潜力。
从工业应用视角看，尽管将钢渣研磨至100 μm以下会增加加工成本（约30-40欧元/吨），但仍远低于炭黑的典型成本（数百至超过1000欧元/吨），同时避免了钢渣处置费用（40-80欧元/吨），符合循环经济战略。这项研究为橡胶工业减少对石油基填料的依赖提供了科学依据，为工业副产物的高值化利用开辟了新途径。
