粉煤灰在橡胶和塑料制品中的应用研究

1、粉煤灰在橡胶和塑料制品中的应用研究李宝智（内蒙古包头一二八信箱，内蒙古、包头）摘要：本文主要介绍了粉煤灰的性质、磁选、分离、超细、表面改性及在橡胶、塑料制品中的应用。其结果表明：经不同改性剂改性的粉煤灰填加到橡胶和塑料制品中，可以起到功能性的作用。关键词：粉煤灰、分离、表面改性、橡胶、塑料随着我国国民经济的发展和人民生活的需要，我国火电厂的发展速度很快，到2005年火电的年排灰量要达到2亿吨以上，历年来积存的粉煤灰有30亿吨左右。占用了大面积的土地，而且堆存还需要投入大量的资金，建设大面积的贮灰场，在排放的过程中还需要大量的水源。因此从经济和环保的角度出发，需要开展粉煤灰综合利用的研究。当前，

2、我国的粉煤灰利用率还比较低，主要用于筑路、水泥、轻质砖等方面，很少充分根据粉煤灰的物理化学性质等，对其进行深加工。加大粉煤灰的应用范围，强化其综合利用的价值，提高附加值，是具有重要的社会效益和经济效益的。1、粉煤灰的性质1.1粉煤灰形成的过程粉煤灰是由煤粉在特定的条件下燃烧，经过冷却到一定温度，即形成粉状、球状的硅酸盐物质。煤粉的主要无机矿物是硅酸盐粘土矿物，当其在一定压力喷入炉体中悬浮燃烧时，在高温、高压大湍流的条件下，使煤粉燃烧后的灰份达到熔融的状态，悬浮在湍流之中，然而在气体的包围下，因为压力和熔融颗粒受到表面张力作用的影响等，熔融体就形成了比较完整的球状物体。由于其冷却速度较快，球体内

3、部的气体来不及排出，即产生了包裹着气体的空心微珠，其中包裹着的气体一般是氮气以及燃烧过程中产生的CO2。另外珠壁也产生有很多微小的海绵状气孔。由于煤粉的粒度，炉中风压分布的不均匀等问题，使少部分煤粉在炉中停留的时间不同，或没有进入炉膛中的火焰中心，故没有发生相变，即没有转变成玻璃状，使之仍然保留着原来矿物结构的基本特征，但部分的外部形态发生了一定的变化，分散在粉煤灰中。另外还有少量煤粉中的有机质也没有来的及燃烧完全，形成了未烧尽的碳粒，一般是多孔状结构。还有较少的硅铝玻璃质不定形物产生。1.2粉煤灰的矿物成分粉煤灰的矿物组成是粉煤灰品质的重要指标。认识粉煤灰的矿物相特点、形成机理等有利于提高我

4、们对粉煤灰资源的利用程度。粉煤灰是含有以硅铝为主的烧成粘土质人工火山灰的无机粉体材料。由于煤粉中的矿物有5060种，在其高温燃烧后，其矿物特性以致形态都会发生很大的变化，而且煤粉中无机物的这种转化过程也是比较复杂的。粉煤灰的主要矿物为：硅铝质玻璃体（玻璃微珠）、未燃尽的碳粒、莫来石、石英、赤铁矿、磁铁矿、无水石膏等其它微量的矿物。莫来石是煤粉燃烧后开始冷却时，直接结晶形成的。莫来石主要来自煤粉中的高岭土，伊利石等矿物在高温下的分解，聚集在微珠的壳壁及多孔玻璃体内，它含有较高的AL2O3，但这种AL2O3不可能参加其它的反应。石英呈结晶状和粒状，粉煤灰中的SiO2含量最高，但有一部分是非活性石英

5、。粉煤灰中的铁矿物一般是来自煤中的黄铁矿。未烧尽的碳粒呈多孔状，并有部分与玻璃质形成固熔体。大部分的微量矿物呈不定形状。一般粉煤灰的主要矿物含量如表1。粉煤灰的主要珠体含量见表2，图1、图2、图3、图4。图1 玻璃状微珠 图2 未烧尽碳粒（片状）图3 高铁微珠 图4 硅铝质等不定形物我国的粉煤灰物理化学性质波动比较大，这主要是煤质的不同、锅炉技术参数不同、技术管理水平不同等造成的。粉煤灰的主要化学成分为：SiO2:33%63%; AL2O3：16%40%；Fe2O3：1.5%6%；CaO：2%8%； MgO：1.5%4%；Na2O：0.5%2.5%；K2O：0.3%2%；TiO2：0.3%1.

6、6%。一般粉煤灰的颗粒大部分呈珠形（玻璃微珠），粒径在0.02um100 um，并且珠壁具有多孔结构，孔隙率高达5080%，（图5）有很强的吸水性等。图5 超细粉煤灰颗粒2、粉煤灰的分离及加工由于粉煤灰的矿物组分较多，在高分子材料制品中无法直接使用。为了达到全部综合利用的目的，需对其粉煤灰进行分离。粉煤灰的分离可根据各类颗粒或微珠在物理化学、电性、磁性及矿物组分的差异进行分离。这在理论上和技术上是完全可行的，但对该分离技术均具有独特的和较高的要求。其分离方法一般可选用干法。选用了粉煤灰分离设备（如图3）进行粉煤灰的分离。图6 干粉煤灰分离微珠设备图由于是将粉煤灰应用于高分子材料制品中，首先需要

7、进行干法磁选，因为高铁微珠及含铁矿物在高分子制品中起到提前老化的作用，所以首先要将其用磁选机分选出来。需磁选的粉煤灰要干燥，磁选机应选择较低磁场强度的磁选机。经磁选后的粉煤灰送入分离设备，该设备利用了调频、高速转子、多级涡旋气流产生冲击、碰撞、颤振、摩擦等作用，使球形颗粒与附着的不定形物体相互分离。它集多级分离装置于一体，形成闭路循环，也有效的避免了粉尘泄露现象。将分离出大于325目的粉煤灰，送到振动磨超细，超细后经表面性后，用于橡胶制品。分离出含珠率高的细灰经表面改性后，可用于塑料制品中。3、粉煤灰的表面改性经分离、超细加工出的粉煤灰还不能直接用于橡胶和塑制品中。因为粉煤灰与有机高分子材料基

8、质的界面性质有所不同，由此可造成两者的亲合性差，使之影响到其在高分子材料制品中的分散和交联等作用，当填加量较大时，制品的力学性能及其它部分性能都有十分明显的下降，因此为了提高这些技术指标，就要对粉煤进行表面改性。粉煤灰表面改性是应用中的一个很重要环节。要根据不同的高分子材料、不同制品的技术要求、不同的加工工艺对其进行表面改性。粉煤灰的表面改性是以干法改性为主，该方法成本低，工艺技术要求不复杂，能很好的达到表面改性的目的。表面改性设备应选用可对物料进行加热，并且要求填加两种以上表面改性剂时，可以分加，有打散分级的功能，只有这样才能完全可以解决表面改性时假结颗粒打散不彻底的问题，由此才可以保证产品

9、的质量。粉煤灰表面改性所用的改性剂是以硅烷偶联剂为主，以助改性剂为辅。在选择表面改性剂时，应根据有机高分制品的配方、加工工艺、制品的技术要求等来选择不同的表面改性剂和助改性剂。对特殊要求的有机高分子制品，要选择两种或两种以上的表面改性剂，配制成复合表面改性剂。也可根据制品的技术要求等，分别加入一定量的助剂或其它的改性剂，配合硅烷偶联剂对粉煤灰进行更加有效的表面改性，使粉煤灰的产品性能和质量能达到更高的要求。目前粉体表面改性的设备也比较少，但部分改性设备达不到对粉煤灰表面改性的工艺要求，其效果不理想。然而不管选用什么样的表面改性设备，我们都要以表面改性的机理和表面改性的工艺为技术依据，选择能满足

10、粉煤灰表面改性工艺技术的设备。要求表面改性的设备能够在动态状况下加热，并能保温，表面改性剂可以分加，有打散分级的功能，而且要求无污染，一般表面改性剂的加入量0.3%1.2%。4、改性超细粉煤灰在橡胶中的应用效果选用没有表面改性的超细粉煤灰、改性超细粉煤灰和半补强碳黑用同一配方、同一填加量和同一加工工艺，做对比试验，试验结果如表3。与半补强碳黑相同，能部分或全部代替半补强碳黑，其效果优于未改性的超细粉煤灰。改性超细粉煤灰的补强效果十分明显的原因，主要是超细后的粉煤灰自身的特性和表面改性后效果的体现。由于粉煤灰中存在着大量的空心玻璃微珠，而微珠在形成的过程中，因冷却速度快，微珠内部产生了空心，珠壁

11、形成海绵状微孔。经超细粉碎后，微珠被破碎开或珠的外壁层磨掉，使得珠壁的海绵体出露，由此颗粒的空隙率增加，比表面积增大，而且粉煤灰中未烧尽的碳粒经超细后，也产生同样的效果。加之对其又进行了表面改性，致使改性粉煤灰达到了一定的补强效果，获得了较好的力学性能，其应用效果是比较理想的。5、改性粉煤灰微珠在塑料中的应用效果分离后用于塑料制品中的粉煤灰，其硅铝玻璃微珠含量较多，一般的含珠率在90%左右，经表面改性后，即可应用于塑料制品中。但由于颜色的问题最好用于较深或有颜色的塑料制品中。将用于聚丙稀（PP）制品中的粉煤灰微珠进行有针对性的表面改性后，选用未改性的粉煤灰微珠和经改性的粉煤灰微珠，分别按相同的

12、量加到相同的配方中，用相同的加工工艺，做对比试验（同时做一个不加粉煤灰微珠的样品），试验结果如表4。图5 超细粉煤灰颗粒 2、粉煤灰的分离及加工 由于粉煤灰的矿物组分较多，在高分子材料制品中无法直接使用。为了达到全部综 合利用的目的，需对其粉煤灰进行分离。粉煤灰的分离可根据各类颗粒或微珠在物理化 学、电性、磁性及矿物组分的差异进行分离。这在理论上和技术上是完全可行的，但对该 分离技术均具有独特的和较高的要求。其分离方法一般可选用干法。 选用了粉煤灰分离设备（如图3）进行粉煤灰的分离。 图6 干粉煤灰分离微珠设备图 由于是将粉煤灰应用于高分子材料制品中，首先需要进行干法磁选，因为高铁微珠 及含铁

13、矿物在高分子制品中起到提前老化的作用，所以首先要将其用磁选机分选出来。需 磁选的粉煤灰要干燥，磁选机应选择较低磁场强度的磁选机。经磁选后的粉煤灰送入分离 设备，该设备利用了调频、高速转子、多级涡旋气流产生冲击、碰撞、颤振、摩擦等作 用，使球形颗粒与附着的不定形物体相互分离。它集多级分离装置于一体，形成闭路循 环，也有效的避免了粉尘泄露现象。 将分离出大于325目的粉煤灰，送到振动磨超细，超细后经表面性后，用于橡胶制 品。分离出含珠率高的细灰经表面改性后，可用于塑料制品中。 3、粉煤灰的表面改性 经分离、超细加工出的粉煤灰还不能直接用于橡胶和塑制品中。因为粉煤灰与有机高 分子材料基质的界面性质有

14、所不同，由此可造成两者的亲合性差，使之影响到其在高分子 材料制品中的分散和交联等作用，当填加量较大时，制品的力学性能及其它部分性能都有 十分明显的下降，因此为了提高这些技术指标，就要对粉煤进行表面改性。 粉煤灰表面改性是应用中的一个很重要环节。要根据不同的高分子材料、不同制品的 技术要求、不同的加工工艺对其进行表面改性。粉煤灰的表面改性是以干法改性为主，该 方法成本低，工艺技术要求不复杂，能很好的达到表面改性的目的。表面改性设备应选用 可对物料进行加热，并且要求填加两种以上表面改性剂时，可以分加，有打散分级的功 能，只有这样才能完全可以解决表面改性时假结颗粒打散不彻底的问题，由此才可以保证 产

15、品的质量。 粉煤灰表面改性所用的改性剂是以硅烷偶联剂为主，以助改性剂为辅。在选择表面改 性剂时，应根据有机高分制品的配方、加工工艺、制品的技术要求等来选择不同的表面改 性剂和助改性剂。对特殊要求的有机高分子制品，要选择两种或两种以上的表面改性剂， 配制成复合表面改性剂。也可根据制品的技术要求等，分别加入一定量的助剂或其它的改 性剂，配合硅烷偶联剂对粉煤灰进行更加有效的表面改性，使粉煤灰的产品性能和质量能 达到更高的要求。 目前粉体表面改性的设备也比较少，但部分改性设备达不到对粉煤灰表面改性的工艺 要求，其效果不理想。然而不管选用什么样的表面改性设备，我们都要以表面改性的机理 和表面改性的工艺为

16、技术依据，选择能满足粉煤灰表面改性工艺技术的设备。要求表面改 性的设备能够在动态状况下加热，并能保温，表面改性剂可以分加，有打散分级的功能， 而且要求无污染，一般表面改性剂的加入量0.3%1.2%。 4、改性超细粉煤灰在橡胶中的应用效果 选用没有表面改性的超细粉煤灰、改性超细粉煤灰和半补强碳黑用同一配方、同一填 加量和同一加工工艺，做对比试验，试验结果如表3。 表3 对比试验结果 项 目 300%定伸（Mpa） 扯断强度（Mpa） 拉伸率（%） 未改性 4.8 22.6 610 改性 6.1 27.3 650 半补强碳黑 6.2 24 660 从表中的数据可以反映出经表面改性后的超细粉煤灰填加

17、到橡胶中，可以使其力学性 能指标基本上能与半补强碳黑相同，能部分或全部代替半补强碳黑，其效果优于未改性的 超细粉煤灰。 改性超细粉煤灰的补强效果十分明显的原因，主要是超细后的粉煤灰自身的特性和表 面改性后效果的体现。由于粉煤灰中存在着大量的空心玻璃微珠，而微珠在形成的过程 中，因冷却速度快，微珠内部产生了空心，珠壁形成海绵状微孔。经超细粉碎后，微珠被 破碎开或珠的外壁层磨掉，使得珠壁的海绵体出露，由此颗粒的空隙率增加，比表面积增 大，而且粉煤灰中未烧尽的碳粒经超细后，也产生同样的效果。加之对其又进行了表面改 性，致使改性粉煤灰达到了一定的补强效果，获得了较好的力学性能，其应用效果是比较 理想的

18、。 5、改性粉煤灰微珠在塑料中的应用效果 分离后用于塑料制品中的粉煤灰，其硅铝玻璃微珠含量较多，一般的含珠率在90%左 右，经表面改性后，即可应用于塑料制品中。但由于颜色的问题最好用于较深或有颜色的 塑料制品中。 将用于聚丙稀（PP）制品中的粉煤灰微珠进行有针对性的表面改性后，选用未改性的 粉煤灰微珠和经改性的粉煤灰微珠，分别按相同的量加到相同的配方中，用相同的加工工 艺，做对比试验（同时做一个不加粉煤灰微珠的样品），试验结果如表4。 表4 项 目 拉伸强度（Mpa） 缺口冲击强度（Mpa） 空 白 32 6.6 未改性 22.6 5.6 已改性 28.2 7.2 从表中的数据可以反应出粉煤灰微珠经表面改性后，能够提高聚丙稀制品的物理化学 性能。改性剂起到了交联的效果，改善了粉煤灰微珠在聚丙稀树脂中的分散性，减小了界 面能，使两者没有相的分离，产生键合作用，使之紧密的结合在一起，形成缠绕交联的链 网状结构。 粉煤灰微珠经不同的表面改性剂改性后，也可应用于