超細粉煤灰在橡塑制品中的應用研究

方 明，李 莉，張 琪，胡 冬，靳偉強，田 清，常 欣

（山東弘興白炭黑有限責任公司，山東 棗莊 277000）

我國粉煤灰數量巨大，并且增長速度快，對粉煤灰的治理和綜合利用已經引起人們的高度關注。國內外學者在粉煤灰的應用方面進行了大量的研究，李寶智研究了粉煤灰的顯微結構、分離加工以及表面改性，發現粉煤灰可基本達到功能性填料的作用[1]。張鴻波用改性后的粉煤灰添加到橡膠制品中，發現隨著改性粉煤灰添加量的增大，橡膠的拉伸強度等各項指標均有所下降[2]。劉俊紅等介紹了摻有粉煤灰的高分子復合材料的應用研究狀況，發現粉煤灰的粒度、表面吸附性是影響粉煤灰作為補強材料的關鍵因素[3]。李啟坤等研究了超細粉煤灰在氯化聚乙烯膠管中的應用，發現1 250 目超細粉煤灰可以應用在氯化聚乙烯膠料和膠管中，其各項物理性能指標優于同比例使用碳酸鈣的測試數據[4]。鄧名煊等用未超細的粉煤灰原灰與炭黑在丁苯橡膠復合體系中進行補強性能的對比試驗，結果發現，粉煤灰原灰僅用作增容填料，可大量用于一些要求較低的橡膠制品中，如果將粉煤灰超細粉碎至納米級，再經表面活化處理，可提高粉煤灰在橡膠中的補強性能[5]。

本文以粉煤灰為原材料，利用蒸汽動能磨對粉煤灰進行超細加工，最終可以實現粉煤灰的高附加值利用。將超細后的粉煤灰替代重質碳酸鈣和輕質碳酸鈣，作為無機填料應用于橡膠行業，不僅提升了粉煤灰的附加值，而且符合國家對粉煤灰的相關利用政策，為粉煤灰的再利用提供了新出路，對保護環境、促進資源綜合利用具有良好的示范意義。

1 粉煤灰的性質

1.1 粉煤灰的化學組成

粉煤灰是燃煤電廠的排放物，粉煤灰的排放造成資源的浪費，污染環境[6]。粉煤灰呈灰白色，主要化學成分如表1所示。

表1 粉煤灰常見化學組成

由表1 可見，粉煤灰的主要組分為SiO2和Al2O3， 其中SiO2在橡膠中起增量補強作用，可部分替代炭黑和白炭黑；Al2O3和CaO 在橡膠中起增量作用，可替代特種碳酸鈣；SO3起加硫作用，還有未燃盡的可燃物起炭黑作用[4]。粉煤灰中各種成分的分子結構和狀態不是獨立存在的，因而粉煤灰中的C 和SiO2并未起到補強作用[5]。張季爽等研究了活化粉煤灰填充橡膠的表面形貌、表面成分等，結果發現，橡膠橫斷面上的硅和鋁含量比外表面高，但是硫的含量較低，粉煤灰中的多面體顆粒與橡膠結合 緊密[7]。

1.2 粉煤灰的粒徑

圖1 超細粉煤灰的粒徑分布

由圖1 可以看出，經粉碎后的粉煤灰粒徑小，并且粒度分布窄，這說明用過熱蒸汽作為動力源的氣流粉碎系統可以很好地實現對粉煤灰的超細粉碎，并且得到的粉體均勻性好。

粉煤灰粒徑的大小對橡塑制品的補強性有很大影響，粒徑越小，限制橡塑大分子運動的能力和承載效率也越高，因而對橡塑制品的補強性提高越大。經過超細粉碎后的粉煤灰，其粒徑達到一定細度以下，可實現在橡塑中作為功能填料的應用。

2 試驗

2.1 原材料及產地

超細粉煤灰粉（1 250 目），山東棗莊某公司生產；輕質碳酸鈣（1 250 目），河北石家莊某鈣粉廠；其他原材料均為市售產品。

2.2 主要儀器和設備

XK-160 型煉膠機，無錫明達橡塑機械有限公司；M200E 橡膠門尼黏度儀，北京友深電子儀器有限公司；MZ-4010B1 無轉子硫化儀，江蘇明珠試驗機械有限公司；T2000E 非金屬拉力試驗機，北京友深電子儀器有限公司。

2.3 試驗配方

超細粉煤灰在EPDM、橡膠輸送帶和SBR 中的試驗配方分別如表2、表3 和表4所示。

表2 超細粉煤灰在EPDM 中的試驗配方

表3 超細粉煤灰在橡膠輸送帶中的試驗配方

表4 超細粉煤灰在SBR 中的試驗配方

2.4 性能測試

硫化膠的拉伸性能按參照《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應力應變性能的測定標準》（GB/T 528-2009）進行測定，其中拉伸速度為500 mm/min。

3 結果與分析

3.1 在EPDM 橡膠制品中的物理性能測試

表5 超細粉煤灰在EPDM 中的物理性能對比分析

由表5 可以看出，超細粉煤灰作為無機填料添加到EPDM 制品的配方中，與同粒徑的碳酸鈣數值差別不大，但是前者扯斷強度為9.5 MPa，遠高于后者的6.0 MPa，因而將超細粉煤灰用于生產EPDM 制品，優勢較為明顯。同時，門尼黏度略高，這是由于超細粉煤灰粒徑較細，混煉時生熱大，黏度稍高。粉煤灰用于三元乙丙橡膠中，硫化速度稍快，這可能是由于粉煤灰的pH 呈堿性且高于碳酸鈣。

3.2 在橡膠輸送帶中的物理性能測試

表6 超細粉煤灰用于橡膠輸送帶中的物理性能對比分析

在橡膠輸送帶配方試驗中，添加相同份數的超細粉煤灰和碳酸鈣，結果表明，兩者物理性能差異不大，同時，膠帶表層均無裂隙和膠剝現象，但前者耐磨性大大提高，抗應力膠剝裂縫最強，如表6所示。

3.3 在丁苯橡膠中的物理性能測試

表7 超細粉煤灰用于SBR 中的物理性能對比分析

由于丁苯橡膠為非自補強橡膠，在沒有補強材料的情況下，混煉膠的拉伸強度等物理指標會很低，因而在丁苯橡膠體系中更能表征出填充材料補強性能的強弱。由表7 可以看出，將相同量超細粉煤灰與碳酸鈣用于丁苯橡膠體系中，各項物理指標相差不大，其中前者的拉伸強度和斷裂伸長率都高于后者，但是強度均較低，這說明超細粉煤灰可以用作填料添加到橡膠制品中，但是補強性能較弱。

4 結論

超細粉煤灰作為填料用于EPDM 和輸送帶等橡膠制品中，各項性能均符合指標，并且優于使用碳酸鈣的測試數據。粉煤灰是一種優良的填充劑，可在橡膠制品中大力推廣使用。但是，超細粉煤灰粒徑小，混煉生熱大，分散困難，因此計劃繼續在超細粉煤灰的改性上做研究，以提高其在橡膠中的分散性，以期其更好地發揮作用。