粉煤灰用于摩擦材料的可行性探討

摘要：粉煤灰是燃煤電廠排放的廢棄物，會帶來環境污染、水質污染及堆積占地等問題。合理有效地利用粉煤灰，不僅能改善其對環境的污染問題，而且可以實現廢物二次利用，帶來非常可觀的經濟效益。本文主要通過粉煤灰的特性分析、粉煤灰作為摩擦材料組分的實驗研究及成本分析等多方面，說明粉煤灰作為摩擦材料的組分是可行的，能達到改善環境和綜合利用我國粉煤灰資源的目的。

關鍵詞：粉煤灰 摩擦材料 摩擦磨損

0 引言

在現存的工業材料中，有一種在化學成分上為硅鋁質、在礦物相上為硅酸鹽相、在性能方面具有作為摩擦材料潛質的工業廢渣——粉煤灰。粉煤灰為火力發電廠的工業廢渣。據統計，目前我國粉煤灰累計堆存量達8億噸，年排放量約1.6億噸。隨著我國發電規模的不斷擴大，粉煤灰的產量逐年增加，且產量巨大，估計到2020年，我國粉煤灰的年排放量將達到目前年排放量的3倍左右，加上目前已有存量，總堆存量將達到30多億噸[1-2]。粉煤灰的儲存大量占用了土地和山巒，管護不當還會嚴重污染環境，影響人們日常生產生活。粉煤灰露天堆放，造成空氣含塵量增高，遇雨天易流動和塌漏，破壞植被，土地退化，地面水和地下水源受到污染，無論是風天揚塵、還是雨天沖刷，危害極大。如何大量利用粉煤灰，趨利避害，變廢物為資源，保護環境就成為我們急待探討解決的重點問題。

目前，國家每年都投入了大量的人力財力來維護工業廢渣粉煤灰，并將粉煤灰綜合利用技術列為重點推廣應用的十項新技術之一。作為一種資源，約40%的粉煤灰已被用于水泥的混合材、路基、墻板、燒結磚等，但粉煤灰的利用方面還存在很多問題。一是粉煤灰的利用量遠遠小于產生量，庫存不斷增加。規劃中的燃煤電廠若如期建成，粉煤灰產生量將在現有基礎上增加三倍。二是粉煤灰綜合利用渠道狹窄，僅局限于生產建材產品和回填，利用量少。據統計資料表明：歐美一些國家粉煤灰資源利用率較高，如荷蘭粉煤灰的利用率為100%，法國為75%，德國為65%。而我國粉煤灰的利用率雖然由1989年的24%增加到了40%，但相比之下我國粉煤灰的利用率仍較低。三是利用粉煤灰生產建材產品企業規模普遍較小，設備、技術落后，產品質量沒有保證，粉煤灰利用量低。四是人們普遍對粉煤灰大量排放將帶來的嚴重危害認識不足，缺乏積極綜合利用意識。針對這些問題，加強工業廢渣粉煤灰資源化、生態化、高附加值化研究，也是相關研究工作者面臨的急不可待之事。

在已開展的國內外相關研究中，粉煤灰主要用于水泥混合材及混凝土摻合料，并已得到了廣泛應用。在這方面的研究中，主要是利用它具有潛在的火山灰活性。值得關注的是，粉煤灰不僅含有豐富的有用成分，更重要的是其具有一些特殊的功能特性（如摩擦學特性），根據這些特性考察新的研究方向、開發更有價值的利用途徑——工業廢渣粉煤灰高附加值化研究，已成為現在粉煤灰資源化發展的主導思想。

1 可行性分析

1.1 從粉煤灰的結構及性質方面分析 一般地，粉煤灰呈灰褐色，外觀類似水泥，粉煤灰顆粒為球形或微珠狀，直徑在1μm～200μm之間，比表面積大，表面疏松多孔[3，4]，具有一定的吸附特性[5]。粉煤灰是燃煤電廠的副產物，其主要含有SiO2、A12O3、Fe2O3（粉煤灰的主要化學成分見表1[6]），這些成分均為現有摩擦材料中的主要組分材料，這樣看來粉煤灰具有作為摩擦材料組分的潛質。粉煤灰具有均勻的物相組成及穩定的工程特性，它是經過1200℃的高溫煅燒而形成的。因此，它作為摩擦組分應該會具有良好的熱穩定性。與常見摩擦材料中的金屬組分相比，粉煤灰具有很低的密度（2000～3000kg/m3），若可用于生產摩擦材料，制得的產品質量較輕。粉煤灰還具有高的比熱（約800KJ/Kg·K），這個特性可望能貯存剎車片或離合器面片在使用時的摩擦熱，從而避免其過熱。粉煤灰的這些特性，使其可望成為摩擦材料的組分材料。因此，用粉煤灰作為摩擦材料的組分具有技術可行性。

1.2 從制動車的發展對摩擦材料的性能要求分析 隨著科學技術的發展，人們對交通運輸工具和動力機械的速度、負荷和安全性要求越來越高。制動車的安全性能關系到人民生命與財產安全。而摩擦材料是制動車剎車、離合器的關鍵材料。重載、高速行駛、制動頻繁的運載工具，以及使用環境惡劣的裝甲車、坦克、直升機等，都對響應快、摩擦因數足夠高而穩定、抗熱衰退性能良好、質量輕、壽命長和環境適應性強的高性能摩擦材料提出了迫切的需求，要求其具有合適穩定的摩擦系數、較低的磨損和較高的爆裂強度、良好的結合平穩性和舒適性、不擦傷對偶材料、無噪聲、低成本、低污染等[7]。因此，開展環保、高性能、低成本制動車摩擦材料的研究具有重要的意義。

1.3 從加速區域經濟發展的角度考慮 汽車制造業是我國的重大產業之一，就江蘇省鹽城市來看，汽車制造及相關產業是鹽城市的龍頭產業，地處鹽城市城區的江蘇威特集團有限公司是中國最大的汽車摩擦制動材料生產企業，年銷售額2.5億元，創利稅近3000萬元，出口創匯1000萬美元。但與國外先進企業相比，我國在摩擦材料的制備技術、產品質量及生產成本方面尚存在很大差距。

在國內外摩擦材料競爭十分激烈的情況下，開展環保高性能摩擦材料的研究迫在眉睫，這將有助于提高企業的核心技術競爭力和參與國際市場競爭力，進一步縮短和國外同行企業間的技術差距，并與鹽城市主導產業——汽車制造業相呼應，壯大汽車制造產業圈。在國內、乃至國際上形成區域性特色產業群，加速區域經濟的發展。

1.4 從具體的試驗研究和經濟效益分析 根據初步試驗研究結果發現，粉煤灰可作為摩擦材料的主要組分。表2中1#配方是一種常見的商用摩擦材料配方，若保持1#配方中各組分比例不變，添加30%粉煤灰進入組分得到2#。兩種摩擦材料的摩擦磨損性能測試結果見圖1。

圖1（a）和（b）分別是添加粉煤灰前后的兩種摩擦材料摩擦系數和磨損率隨著溫度的變化情況。由圖可見，整個溫度升高過程中，1#不含粉煤灰試樣的摩擦系數曲線波動較大，高溫下出現明顯的“熱衰退”現象，且磨損也非常嚴重。而2#試樣在整個溫度升高過程中摩擦系數變化平穩，基本都在0.4左右，磨損率較低。可見，添加粉煤灰能提高并穩定樹脂基摩擦材料的摩擦系數，降低磨損率，從而有效改善其摩擦磨損性能。

從上面分析發現，粉煤灰在性能方面完全滿足摩擦材料的要求，是非常好的摩擦材料改性劑。且粉煤灰價格低廉，僅約50元/噸左右，同現有摩擦材料中其它價格高達幾萬元/噸的組分相比，具有無法比擬的價格優勢。若按表2中1#配方配1噸的料子，那么不含粉煤灰時需要8952.0元，若添加10%的粉煤灰時，成本就降為8061.8元，每噸節約近890.2元；同樣若添加30%的廢渣粉煤灰，成本降為6281.4元，每噸配料就可以節約成本2670.6元。若江蘇威特集團有限公司的離合器面片及剎車片等摩擦材料，用30%粉煤灰替代原有材料，預計可實現新增利潤1600萬元。就全國摩擦材料的生產廠家而言，帶來的經濟效益將更為可觀。因此，用工業廢渣粉煤灰增強摩擦材料具有重要的研究和應用價值。

1.5 滿足國家新材料發展需求 《國家“十一五”科學技術發展規劃》中將“重點研究開發材料清潔生產技術、高效低耗制備技術、材料與生態環境協調技術，加強在材料設計、制備與加工、應用及回收等產品全生命周期中的技術集成與應用，形成高效、節能、環保和可循環的新型制造工藝，發展綜合性能高，資源消耗少，環境負荷低的重大材料產品及相關工藝技術”作為重點科技任務。本研究將以循環經濟為理念，以新型礦物纖維、超細及納米粉體材料改性為手段，以制備生態友好型高性能摩擦材料為研究目標，符合我國長期科技發展規劃綱要精神及前瞻性研究的方向領域。

2 粉煤灰作為添加劑必須注意的問題

粉煤灰可以作為摩擦材料改性劑，但在使用過程中應注意：

2.1 選擇以無機質粉煤灰代替部分有機物作為摩擦材料主要組分，通過改性，不僅使粉煤灰具有填料的功能，還具有能形成功能良好的摩擦層和結構穩定的摩擦材料，研究無機質粉煤灰作為摩擦材料主要組分時的摩擦摩損機理，建立摩擦摩損模型。

2.2 注意選取合適的粉煤灰添加量。過多，則會導致整個體系的粘結性能下降，產品強度過低，質量變差。過少，對摩擦材料的增強效果不明顯。

2.3 盡量減少有機粘結劑的含量，并通過提高成型壓力和熱處理溫度來提高摩擦材料性能，減弱摩擦材料對樹脂粘接作用的完全依賴，促使樹脂由結構功能元素變成了工藝介質元素，以減少離合器面片的高溫熱衰退。

2.4 粉煤灰增強樹脂基摩擦材料的研究還涉及到無機材料的摩擦特性、有機-無機的界面復合、材料微結構與摩擦性能的關系等科學問題。

3 結論

對于粉煤灰，采用合理摻量，使用粉煤灰增強摩擦材料是完全可行的。這樣不僅可以大大降低摩擦材料的生產成本，協助燃煤電廠等產粉煤灰的相關企業解決了粉煤灰儲存難的老問題，給燃煤電廠和摩擦材料企業帶來雙贏的效果，取得巨大的經濟效益，而且避免了資源浪費和環境污染，有著重大的社會意義。這是非常值得推廣的好事。

參考文獻：

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[6]范錦忠.利用粉煤灰生產超輕陶粒的可行性分析[J].粉煤灰.2010， (3):36-40.

[7]李世鵬.銅基粉末冶金摩擦材料基體及其摩擦[D].中南大學，2004.

基金項目：江蘇高校自然科學重大基礎研究項目(08KJA43009)；江蘇省生態環境材料重點實驗室開放基金資助項目(XKY2007011)。