粉煤灰/聚丙烯复合材料制备及性能研究

柴淑媛，魏雅娟，曲金星

（华电电力科学研究院有限公司，浙江 杭州 310030）

引言

粉煤灰是煤粉在锅炉中燃烧后副产物，因其火山灰效应、微集料效应、形态效应，在建筑建材领域具有广泛的应用。虽然粉煤灰综合利用率在逐年增加，由2001 年的63%提高至2018 年的74.9%[1]，但每年仍有大量粉煤灰无法利用，对大气、水体、土壤造成污染，破坏人类的生态环境。

随着技术的不断发展，粉煤灰综合利用除了利用量大、技术成熟的水泥和混凝土等建材应用方向[2-7]，现新增了石油压裂支撑剂[8-11]、环境保护[12-16]、橡塑填料[17-20]等方面的应用。

聚丙烯（PP）是重要的通用塑料，具有耐化学腐蚀、良好的高耐磨及加工性能等优点，其来源丰富、性价比优越，在家电、日用品、汽车等各个领域都得到了广泛的应用。但由于PP 在使用中热稳定性、力学性能较差，大大限制了它的应用领域。填充改性是聚丙烯的重要改性手段之一，不仅可以大大降低材料成本，且可以显著改善聚丙烯的性能扩大使用范围。

本研究首先制备了未改性/改性粉煤灰PP 复合材料，并评估了未改性/改性粉煤灰及粉煤灰填量对复合材料力学性能、热变形温度及表面形貌的影响。

1 实验部分

1.1 实验原料

硅烷偶联剂（KH550），南京曙光化工集团有限公司；

聚丙烯（PP），2203T，扬子石化公司；

无水乙醇，上海凌峰化学试剂有限公司；

复合抗氧剂，B215，南京华立明科工贸有限公司；

芥酸酰胺，南京华立明科工贸有限公司；

实验中所用粉煤灰来自某电厂，外观呈深灰色，微观形貌如图1 所示，粉煤灰呈光滑的球状，通过X 荧光分析得到粉煤灰主要组成成分如表1 所示。

图1 粉煤灰微观形貌

表1 粉煤灰主要组成成分

1.2 实验仪器及设备

高速混合机，SHR-10A，张家港市米亚格机械科技有限公司；

双螺杆挤出机，TE-35，南京科亚化工装备有限公司；

注塑机，CJ80M3V，震德塑料机械有限公司；

摆锤冲击试验仪，UJ-4，承德试验机械厂；

热形变温度仪，ETM-DHVT302A，深圳万测试验设备有限公司；

万能材料试验机，CMT-5254，深圳SANS 公司；

扫描电子显微镜，TESCAN VEGA3 LM，泰思肯贸易（上海）有限公司；

X 射线荧光光谱仪，ZSXPrimusIIX，株式会社理学Rigaku Corporation。

1.3 样品制备

粉煤灰活化处理：将KH550 与无水乙醇按1：1 混合配成溶液，多次逐滴加入置于高速混合机内的粉煤灰中，充分混合30min，出料得到活化粉煤灰。

PP/粉煤灰复合材料的制备：将0%、10%、20%、30%、40%、50%的粉煤灰分别与PP 混合。将原料由双螺杆熔融挤出造粒，粒料烘干后采用注塑机对粒料进行注塑成型，最终制得测试标准样条，标准样条在80℃烘箱中退火4h 后在室温下放置24h 后进行性能测试。

1.4 性能测试与表征

拉伸性能按GB1040.2-2006《塑料 拉伸性能的测定第2 部分：模塑和挤塑塑料的试验条件》测试，拉伸速率为10mm/min；弯曲性能按GB/T 9341-2008《塑料弯曲性能的测定》测试，弯曲速率为2mm/min；冲击性能按GB/T 1843-2008《塑料悬臂梁冲击强度的测定》测试；热变形温度按照GB/T 1634.2-2006《塑料弯曲负载热变形温度试验方法》测定。采用扫描电子显微镜观察样品微观形貌；采用X 射线荧光光谱仪分析粉煤灰组成成分。

2 实验结果与讨论

2.1 粉煤灰对复合材料力学性能影响

2.1.1 拉伸强度

由图2 可以观察到随着未活化粉煤灰含量的增加，复合材料的拉伸强度呈下降趋势，当不添加粉煤灰时，复合材料的拉伸强度为38.2MPa，添加10%未活化粉煤灰时，拉伸强度稍有上升，达到38.5MPa，说明适当的粉煤灰填料不影响复合材料的拉伸强度；粉煤灰含量继续增加时，拉伸强度下降，但当粉煤灰灰含量大于20%时，活化粉煤灰复合材料的拉伸强度高于未活化粉煤灰复合材料，当粉煤灰含量达到50%时，活化粉煤灰复合材料的拉伸强度比未活化粉煤灰复合材料高4.7%。

图2 不同粉煤灰/PP 复合材料拉伸强度

2.1.2 弯曲强度

由图3 可以看出，当不添加粉煤灰时，复合材料的弯曲强度为31.6MPa，继续添加未活化粉煤灰到20%时，弯曲强度达到32.1MPa，添加50%未活化粉煤灰，弯曲强度下降到29.8MPa，适当的粉煤灰填料对复合材料的弯曲强度影响不大。随着活化粉煤灰含量的增加，复合材料的弯曲强度呈一直上升趋势，含量为50%时，弯曲强度高达37.1MPa，比未填充粉煤灰复合材料和未处理粉煤灰复合材料的弯曲强度分别提高了17.4%和24.5%。

2.1.3 缺口冲击强度

图3 不同粉煤灰/PP 复合材料弯曲强度

图4 不同粉煤灰/PP 复合材料冲击强度

图5 不同粉煤灰/PP 复合材料热变形温度（1.8MPa）

由图4 可以看出，复合材料的缺口冲击强度随着粉煤灰含量的增加而降低，未添加粉煤灰时复合材料的缺口冲击强度为26kJ/m2，填充10%未活化/活化粉煤灰的复合材料缺口冲击强度分别为8.9kJ/m2和13.8kJ/m2，填充50%未活化/活化粉煤灰的复合材料缺口冲击强度分别为2.6kJ/m2和5.3kJ/m2，粉煤灰活化后复合材料的缺口冲击强度提高了104%。

2.2 粉煤灰对复合材料热变形温度的影响

从图5 可以看出，粉煤灰的加入可以大大提高复合材料的热形变温度，当弯曲应力为1.8MPa，不添加粉煤灰时，复合材料的热形变温度为58.6℃，随着粉煤灰含量的增加，热变形温度升高，当粉煤灰含量为50%时，未活化粉煤灰复合材料和活化粉煤灰复合材料的热变形温度分别达到66.4℃和74.4℃，比不添加粉煤灰的热形变温度分别提高了13.3%和27.0%，且未活化粉煤灰复合材料热变形温度比活化粉煤灰复合材料热变形温度升高了12.0%。

2.3 粉煤灰对复合材料微观形貌的影响

由图6 可以看出不同填充量未活化/活化粉煤灰在PP 中的分布情况。粉煤灰填充量为10%时，活化/未活化粉煤灰在材料中分散均匀，因此对于复合材料的各项性能影响较小。当填充量达到50%时，粉煤灰密集的分散在基体中，活化粉煤灰在材料中分散较均匀，但未活化粉煤灰颗粒有明显的团聚现象。由于PP 是非极性聚合物，具有憎水性，且它与大多无机填料间相容性差，填充体系界面难于形成较好的粘结[21-22]，因此，对粉煤灰进行改性可以使粉煤灰均匀分散并与PP 更好的结合，减小高填充量对复合材料的影响。

3 结论

图6 不同粉煤灰/PP 复合材料断面形貌

（1）添加10%未活化粉煤灰时，对复合材料的拉伸强度和弯曲强度影响不大，当粉煤灰含量超过20%时，复合材料的力学性能不断下降。说明适当的粉煤灰填料对复合材料的拉伸强度和弯曲强度影响不大。当粉煤灰活化后，各项性能均优于未活化粉煤灰，当粉煤灰含量达到50%时，活化粉煤灰/PP 复合材料的拉伸强度、弯曲强度、冲击强度分别比未活化粉煤灰/PP 复合材料高4.7%、24.5%、104%。

（2）粉煤灰的加入可以提高复合材料的热形变温度，当粉煤灰含量为50%时，未活化粉煤灰复合材料和活化粉煤灰复合材料的热变形温度分别达到66.4℃和74.4℃，比不添加粉煤灰的热形变温度分别提高了13.3%和27.0%，且活化粉煤灰复合材料热变形温度比未活化粉煤灰复合材料热变形温度升高了12.0%。

（3）粉煤灰填充量为10%时，活化/未活化粉煤灰在材料中分散均匀，因此对于复合材料的各项性能影响较小。当填充量达到50%时，未活化粉煤灰颗粒有明显的团聚现象。对粉煤灰进行改性可以使粉煤灰均匀分散并与PP 更好的结合，减小高填充量对复合材料的影响。