粉煤灰作橡胶补强填料研究

2013-11-14任瑞晨李彩霞张乾伟王金龙

中国非金属矿工业导刊 2013年5期

任瑞晨，庞鹤，李彩霞，张乾伟，王金龙

(1.辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁阜新 123000；2.山西焦煤集团华晋焦煤有限责任公司，山西吕梁 033000）

粉煤灰是火力发电厂产生的工业固体废弃物，粉煤灰的排放侵占土地、污染环境，同时也是安全隐患，更是资源浪费。粉煤灰作为工业废弃物，其开发利用受到广泛重视。然而，粉煤灰的利用主要集中在建筑材料上，特点是使用量大，但粉煤灰的价值未得到充分利用。粉煤灰具有密度小、力学强度高，是宝贵的铝硅酸盐矿物等众多特点[1]，在高分子材料和复合材料中应用具有明显的技术优势和经济优势。

1 粉煤灰性质研究

试验所用粉煤灰取自阜新某煤矸石热电有限公司，为煤矸石在循环流化床锅炉内燃烧后排出的飞灰，为干排灰[2]。

1.1 粉煤灰化学成分分析

利用化学分析方法对粉煤灰(原样)进行成分分析，结果如下(%)：SiO259.89、Al2O318.19、Fe2O37.66、TiO20.88、MgO 2.37、CaO 4.71、Na2O 1.45、K2O 2.48、SO30.67、P2O50.29、MnO 0.085、LOI 1.83。

由此可见，粉煤灰主要由SiO2、Al2O3、Fe2O3等组成。其中SiO2的含量为59.89%；SiO2+Al2O3+Fe2O3含量约占总组成的86%；CaO含量较高，属碱

性灰；粉煤灰烧失量较低，符合GB1596-2005-I级灰标准(＜5%)，说明煤燃烧比较完全。

1.2 粉煤灰X-射线衍射分析

采用德国布鲁克D8型X-射线粉末衍射仪对样品进行X-射线衍射分析，测试条件为：采用CuKα射线、管电压40kV、管电流40mA、扫描范围2θ=5～85°、扫描速度为0.5s、积分时间0.02min、室温操作。结果如图1所示[3]。

图1 粉煤灰(原样)的X-线射线衍射谱

粉煤灰中的主要晶体矿物为石英、长石、赤铁矿等。在XRD图谱中还可看出，在10～16°(2θmaxCuK2)的区域出现比较宽大馒头状特征衍射峰，说明粉煤灰中有少量玻璃体存在。

1.3 粉煤灰粒度分析

采用百特BT-9300激光粒度分析仪对粉煤灰进行颗粒粒度分析，其结果见表1。

表1 粉煤灰的粒度组成

粉煤灰主导粒径在2～35μm，中位径(d50)约为12.56～12.87μm，d90在33.66～36.51μm之间，比表面积349.52～364.28m2/kg之间，-1μm的超细微粒很少，属于优质低钙灰。

1.4 粉煤灰颗粒形貌分析

采用日本电子株式会社JSM-6390型扫描电子显微镜对样品进行分析。结果见图2。

图2 粉煤灰电镜照片

从图2可看到，粉煤灰颗粒没有固定的形态，多为分散、不规则状的颗粒，有别于煤粉炉燃烧后的粉煤灰多为呈熔融状态，表面光滑或颗粒表面又粘附有细小的晶体，颗粒均匀、较小，多为非晶态铝硅玻璃体的球状特征[4]。

2 粉煤灰改性研究

粉煤灰是一种无机非金属材料，具有亲水性，而橡胶是一种高分子材料，在性质上是完全不同的两种材料，它们之间存在着一定程度的不相容性，复合材料制品的性能取决于填料和基体材料两相之间界面上应力的传递。若填料和基体材料界面上产生应力集中，使得界面处成为复合材料的薄弱环节。因此，采取适当的措施改善界面的粘结强度性能成为提高复合材料强度的关键所在。

本试验中所用的改性药剂均为市售产品。硅烷偶联剂A、硅烷偶联剂B(南京曙光化工集团有限公司)；钛酸脂偶联剂(山东淄博易丰化工厂)。这三种药剂的用量为[5]：偶联剂A,0.04%；偶联剂B,0.04%；偶联剂C,0.05%。

改性试验是在GHR-10捏合机进行的，依靠捏合机的自摩擦作用将粉煤灰加热到105℃按照设计的改性方案，分次加入药剂，每次加药间隔5min。改性后得到补强填料，密封装袋备用。

3 橡胶补强试验研究

改性粉煤灰、改性粉煤灰试验样品分别完全替代白炭黑，在钢丝绳橡胶运输带中进行试验，1号、2号为使用白炭黑的样品，3号、4号为改性粉煤灰样品(作对比样)，5号、6号为改性粉煤灰样品。其产品试验配方[6](份)为：丁苯胶100；秋兰姆类促进剂1；S 1.6；氧化锌5；硬脂酸1防老剂RD 1.6；巯基羧酸酯锑类稳定剂0.7；高耐磨炭黑30；白炭黑(用改性粉煤灰代替)10；陶土20；阻燃增塑剂6.2；油料8；粘合剂聚丙烯酸酯1.6。试验结果见表2。

表2 改性粉煤灰、改性粉煤灰代替白炭黑作橡胶填料性能

从表2可以看出，使用改性粉煤灰作橡胶补强填料，扯断强力和使用改性粉煤灰的指标基本相同，老化后拔出力基本能达到国家标准(95N/mm)，说明改性粉煤灰具有一定的补强性能，但其补强效果不及煤粉炉燃烧后的粉煤灰；同时添加改性粉煤灰的橡胶制品的密度较使用白炭黑的橡胶制品的密度增大。

改性粉煤灰作橡胶补强填料，其制品密度增大的原因是粉煤灰多为分散、不规则状的颗粒，没有形成新的非晶体空心球体，其本身的密度较高，从而使制品密度较高；改性粉煤灰作橡胶补强填料其补强性能不及电厂改性粉煤灰，是因为电厂粉煤灰是煤在1000℃以上燃烧后的产物，经过高温后产生了大量的非晶态物质，这些非晶态物质与白炭黑具有相似的性能，而粉煤灰中的非晶态物质含量较少，因此补强性能不如电厂粉煤灰。