粉煤灰纤维的制造与应用

周秀苗，丁建础

(河南煤业化工集团研究院，河南郑州 450046)

粉煤灰是燃烧煤炭或煤粉后产生的灰和渣，是一种大小不等、形状不规则的粒状体，主要由硅铝玻璃、微晶矿物颗粒和未燃尽的残炭微粒所组成，其化学成分以氧化硅和氧化铝为主。2008年我国消耗煤量28.5亿t，粉煤灰的年排放量达2亿余吨。即使在电厂节能效率不断提高的情况下，到2020年，我国粉煤灰的年总排放量也将是现在的3倍左右［1］。随着能源需求量的增加，粉煤灰的产生量也与日俱增，因此长期以来粉煤灰的综合利用成为一个环境保护的一个重要课题。但是目前粉煤灰的综合应用还主要集中在建筑和道路工程等方面，且利用率不到40%，而欧美国家的粉煤灰利用率已达到了70%～80%;因此根据粉煤灰的化学成分和结构性能，将其深加工转化成高价值的超细无机纤维，进而利用纤维实现多种用途，成为近年来研究者和工程人员感兴趣的课题，也成为环境保护的一项重要任务。

1 超细无机纤维的制备

国内外的研究与实践已证明，玻璃纤维、玄武岩纤维等无机纤维，均可用于特种纸的生产和作为填料使用。因此，粉煤灰纤维的研究也引起很多研究者的关注，并进行了一些研究与探索。例如:南京新源天公司经过近十年努力，在国内首先成功地利用粉煤灰制成纤维棉及其制品。华东理工大学陈建定等［2］也对粉煤灰纤维项目进行了长期的研究，得到的粉煤灰超细纤维，具有纤维长、手感柔软的特点，攻克了目前多数矿棉企业所遇到的生产工艺和产品性能方面的难题。其工艺过程分为两个步骤［3］:①成纤过程。也就是将含量70%左右的粉煤灰(高钙粉煤灰、低钙粉煤灰、干排粉煤灰、湿排粉煤灰)、氧化钙及其它辅料为原料，经预压成型为块状原料后，投入冲天炉中熔融，并将其以细流流出，以喷或吹的方式将其制成纤维。在这个过程中，可通过降低粉煤灰的熔点，达到节能的目的，在这里以氧化钙作为助熔剂，降低粉煤灰的熔点。②纤维收集过程。在成纤过程形成的粉煤灰纤维在被引到纤维采集室时仍是漂浮状态，因此在传送带网下利用吸风机降低空气压力，将纤维控制在输送带上。粉煤灰纤维很快以纤维散状形式输送出来，同时喷洒必要的冷却剂或表面处理剂。用该方法制备的超细纤维赋予了粉煤灰超细纤维的功能性，提高了粉煤灰的应用附加值，例如在造纸、隔音、隔热、保温、绝缘材料、吸附材料、脱色材料、密度板材料、路面沥青膨胀材料等方面具有很好的利用前景。

2 粉煤灰纤维的应用

2.1 在造纸方面的应用

我国是个森林资源匮乏、纸品消费量大，纸品及原料高度依赖进口的发展中大国。显而易见，依托消耗资源和进口远不能满足我国国民经济迅速发展和人民生活水平不断提高对造纸业的要求。

采用上述方法制备的粉煤灰纤维呈白色，具有直径小(3～5 μm)，长度大，弹性好以及防火、防水性优良的诸多优点，处理后具有较好的亲和力。可用于制造特种用途纸张，如包装用纸、耐热纸、防火纸、防潮纸等，尤其适用于档案用纸。采用粉煤灰纤维配抄的特种纸，依据加量的多少和纸品的区别，可节约10%以上的造纸成本［4］。粉煤灰纤维配抄纸具有防火、耐温、吸湿性小、防腐耐久、防蛀等优点，并且产品具有保色、柔度持久、光感等表面性能稳定的特点，没有辐射的危害。

河南煤业化工集团与河南大通公司合作成立的焦作银兴特纤科技发展公司年产3万t粉煤灰超细无机纤维纸浆生产线于2010年5月建成投产，生产的纤维纸浆经造纸厂使用获得成功，产生良好的社会环境效益和明显的企业经济效益。另外，厦门市榕薪环保设备有限公司在实验室研究开发成果的基础上，已与郑州特种纸厂、杭州特种纸厂、武安市纸业有限公司工业纸机上成功的配抄造出文化纸、工业包装纸和高强复合纸袋纸。在后续研究开发中，已使无机纤维文化纸定量保持在45 g的标准，而且已把白度提高到85%，尘埃度降低到了50，已达到了国家标准，在成功的抄造出以上纸品的基础上，还抄造出壁原纸、箱板纸、着色纸等［5］。新疆天富特种纤维纸浆制造有限公司西北地区粉煤灰纤维纸浆项目，目前正式建成投产，作为粉煤灰纤维纸浆项目投资方之一的新疆天富热电股份有限公司每年都会产生40万t粉煤灰，大量的粉煤灰直接填埋，不仅导致环境污染，占用宝贵的土地资源，同时每年产生工业垃圾的处理费用达1 200万元。将粉煤灰生产成纤维用于造纸，既解决煤渣环境保护问题，又能节省木材和水资源［6］。据介绍，原木纸浆目前每吨已卖到5 000多元，而粉煤灰纸浆每吨仅卖3 000多元，降低成本的同时也提升了市场竞争力。

2.2 在板材方面的应用

2.2.1 多功能FA板

由南京新源天节能技术实业有限公司、南京欧源科技公司合作已经开发出一种利用粉煤灰纤维棉生产的多功能FA板，这种板材主要是将3～6 μm的粉煤灰纤维棉经过梳棉工艺加工成6～20 mm的粒状棉，再加入相应的添加剂，经过烘干、加压、定型等数十道工序后，加工成高强度的FA标准板材。具有防火、防水、绝缘、吸音、保温等多项功能，可以替代木材做办公家具、普通家具、室内装饰板等，也可以用于汽车、火车、轮船的内部装饰［7］。经测算，建一个年产30万m2的多功能FA板厂，可节约2 400亩森林24年的木材产量。

2.2.2 纤维棉半硬板钢丝网三维复合板

它是将粉煤灰纤维棉疏松打短，加入填料、黏接剂、发泡剂、防水剂后经模具成型，高温烘干成为轻质坯板，再把镀锌短钢丝由斜角插入与两面大小间隔相等的冷拔低碳钢丝网中片中焊接为固定的三维空间网架，中间填充轻质坯板，制成粉煤灰纤维棉钢丝网三维复合板［8］。此种复合板具有轻质、隔声、保温、隔热、防火、抗震、耐水、无毒等特性。大多用于高层建筑，是我国墙体改革的指定建材。

2.3 粉煤灰纤维在沥青混凝土中的应用

目前，减少道路病害、提高道路寿命的研究为世界各国所重视。沥青的路面设计大修期为15年，而目前我国的沥青路面往往8～9年就需要检修。由此可见，采用纤维对沥青进行改性，对混凝土的稳定性，低温弯曲和防水、防裂性能有很好的效果。

陈建定等［9］先将粉煤灰纤维进行表面处理，其方法为:将有机酸加入到加热的无水乙醇中，搅拌使之完全溶解，得到有机酸表面处理剂;将粉煤灰纤维加热到80～120℃后，在其上均匀地喷洒有机酸表面处理剂，然后在80～120℃下烘干，得到表面处理的粉煤灰纤维。再将表面处理的粉煤灰纤维加入到加热至60～90℃的沥青中，搅拌均匀即得到粉煤灰纤维改性的沥青。采用本技术制备的粉煤灰纤维增强改性沥青，与未增强改性的沥青相比，其冲击强度、压缩强度、拉伸强度提高50% ～500%。焦作银兴特纤科技发展有限公司已将该技术应用于实践中，使制得的改性沥青产品具有低温不开裂、高温不软化的特性;其工艺过程简易，成本低廉;可预先制备施工料，亦可现场调配和施工。

郭振华等［10］采用粉煤灰纤维和海泡石纤维制备了复合沥青料，研究结果表明，海泡石纤维对沥青表现出极强的吸持能力，能有效调节沥青与胶浆的含量。粉煤灰纤维在沥青中主要起加固和改善混合料的作用。两种纤维的添加，使沥青混合料的高温变形性、水稳定性、低温抗裂性和抗疲劳性等显著提高。因此粉煤灰/海泡石纤维复合沥青混合料将成为高等级道路的新型材料，具有较大的使用价值和广泛的应用前景。

2.4 橡胶、塑料制品的充填材料

在橡胶、塑料制品中添加无机填料，可提高制品的耐热性、耐磨性、尺寸稳定性及刚度等，并降低制品成本。目前粉煤灰作为高分子聚合物填充剂已有许多成功的例子，并广泛应用于塑料、橡胶等领域。不论是在热塑性塑料还是在热固性塑料中，粉煤灰作为填充剂都有了一些成功的例子。例如:在热塑性塑料中，粉煤灰已成功应用于聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯等领域。在聚氯乙烯生产中粉煤灰取代碳酸钙，效果良好，且能降低材料的成本［11］。在热固性塑料中，粉煤灰已成功应用于酚醛树脂、环氧树脂、不饱和聚酯等领域。粉煤灰在橡胶工业中的应用，主要是部分或全部代替炭黑、CaCO3、高岭土、陶土等直接或改性后填充于橡胶中。随着粉煤灰纤维工业化生产的实现，粉煤灰纤维的应用已不局限于传统意义上降低成本的作用。作为一种低成本、高强度和高刚性的粉煤灰纤维，它能在聚合物中起到增强增韧的作用。徐元等［12］采用偶联剂和软化剂对粉煤灰纤维进行表面预处理，由于粉煤灰纤维预处理采用的偶联剂为有活性的硅烷偶联剂，它既能与粉煤灰纤维形成有化学键作用的界面，又能与聚氯乙烯发生烷基化反应，从而使粉煤灰纤维棉与聚氯乙烯之间具有较强的界面作用力。实验结果表明，经偶联剂和软化剂联合处理的复合材料，其冲击强度提高约70%，拉伸强度提高约11%，同时其阻燃能力得到提高。

贺磊等［13］采用铝锆偶联剂对粉煤灰纤维进行预处理，制备粉煤灰纤维/NR复合材料，并对其性能进行研究。结果表明，采用铝锆偶联剂对粉煤灰纤维预处理能够改善纤维和橡胶基体界面的结合状况;粉煤灰纤维最佳用量为40份，可明显提高粉煤灰纤维/NR复合材料的物理性能和绝缘性能。

另外，粉煤灰纤维棉热传导系数低，具有多孔径、耐火、耐高温等性能。因此，可以利用它制成多种耐火、防火、保温和吸声产品。随着工业的长期开发和使用，天然矿产资源日渐枯竭和全球森林资源匮乏，而废弃物粉煤灰却日渐增多。因此将粉煤灰制备成超细纤维，赋予其纤维的功能，同时由于粉煤灰具有轻质、隔声、保温、隔热、防火等优良的性能，从而扩宽其应用渠道，因此粉煤灰纤维是粉煤灰的一个重要的利用途径，在保护环境方面和降低生产成本方面都具有非常广阔的利用前景。

［1］Pedro M，Theodero W B，Derek H L.Influence of calcium nitrite inhibitor and crack width on corrosion of steel in high performance concrete subjected to a simulated marine environment［J］.Cement and Concrete Composites，2004，26(3):243-253.

［2］陈建定，郑小彭，陈忠荣.以粉煤灰为原料制造超细纤维的方法［P］.CN 200410018352，2005-02-16.

［3］唐 明，丘 晴，王 博.混凝土外加剂及掺合料［M］.沈阳东北大学出版社，1999.

［4］南京新源天节能技术有限公司.造纸用粉煤灰纤维生产［EB/OL］.http://www.njxyt.com/soft_show.php?id=37

［5］厦门市榕薪环保设备有限公司.粉煤灰造纸纤维浆板［EB/OL］.http://www.xmrxhb.co m/Show Product.asp?ID=20

［6］沈镇平.新疆天富公司粉煤灰纤维纸浆项目投产［J］.福建纸业信息，2009，(2):21

［7］中华纺织网.南京开发出粉煤灰纤维棉多功能FA板［EB/OL］.http://www.texindex.com.cn/Articles/2003-4-17/5364.html.2003-09-17.

［8］戴 红，李炳华，王国勤.粉煤灰纤维在防火节能建材中的应用［J］.保温材料与节能技术，1998，(5):23-25

［9］王彦华，陈建定，翁盛光.一种粉煤灰纤维表面处理及用于沥青增强的改性技术［P］.CN 200410035033，2008-08-27.

［10］郭振华，刘 波.粉煤灰/海泡石纤维复合沥青混合料的制备与性能研究［J］.功能材料，2007，38:3453-3456.

［11］王淑荣，王佥良.粉煤灰在高分子材料中的应用［J］.山西化工，1991，(2):24-26.

［12］徐 元，陈建定，王彦华.废渣粉煤灰纤维棉增强PVC复合材料［J］.玻璃钢/复合材料，2007，(3):37-40.

［13］贺 磊，陈均志，王永昌.粉煤灰纤维/NR复合材料的制备与性能研究［J］.橡胶工业，2010，57(2):94-97.