超细粉煤灰在氯化聚乙烯胶管中的应用研究

李启坤，李 莉，张 琪，郭晶晶，常 欣，靳伟强，田 清

（山东弘兴白炭黑有限责任公司，山东 枣庄 277000）

1　粉煤灰的特性

1.1　粉煤灰的理化性质

粉煤灰是指在燃煤供热、发电过程中，磨成一定细度的煤粉在煤粉炉中高温燃烧后，由烟道气带出并经收尘器收集的粉尘。粉煤灰呈灰白色，主要化学成分为氧化硅和氧化铝等。通过放大X倍的电子显微镜，人们可以观察到粉煤灰的形貌为片状结构。

粉煤灰中Al2O3含量高于40%，粉煤灰形成较多的莫来石，高铝粉煤灰引起玻璃相的减少，使活性降低。SiO2的含量是玻璃体的主要成分，这些玻璃体经过高温煅烧储藏了较高的化学能，是粉煤灰活性的来源[1]。

1.2　粉煤灰的粒度

粉煤灰粒度的大小对橡塑制品的补强性有很大影响，粒径越小（能在橡塑基体中有效地分散），比表面积越大，表面效应越强，与基体作用越强，限制橡塑大分子运动的能力和承载效率也越高，对橡塑制品的补强性提高越大。

1.3　粉煤灰的主要特点

一是超细粉煤灰从易于造成环境污染的电厂固废物得到，可以消除固废污染，变废为宝，完全符合国家大力倡导的绿色环保、循环经济产业政策；二是采用蒸汽动能磨对电厂粉煤灰进行超细粉碎，加工分离过程完全采用物理方法，不消耗水及任何酸碱化工原料，加工过程低能耗、低消耗，不产生任何污染；三是该产品具有近纳米级超细颗粒度（D97为1 250目10µ m至2 500目5 µm），使其作为填充组分应用时能表现出非常优异的性能；四是粒径在10 µm的超细粉煤灰替代轻钙用于橡胶工业中，与轻钙粉相比较，价格低廉，物理性能较优。

人们将超细粉煤灰产品作为填料在橡胶制品中与轻钙做了应用性对比研究试验。用作对比试验的轻钙的理化性质如下：相对密度2.2～2.6 g/cm3，粒径16～20 µm，pH在8～10，水分4%左右，吸油值为0.7～0.8 mL/g。从粒径大小比较，超细粉煤灰粒径比轻钙稍细，由此分析，超细粉煤灰在橡胶中的应用效果应优于轻钙。

张鸿波用改性后的粉煤灰添加到橡胶制品中，发现改性粉煤灰替代不超过50%的半补强炭黑时，对橡胶的性能没有不良影响，替代量超过50%以后，性能明显下降，随着改性粉煤灰添加量的增大，橡胶的拉伸强度等各项指标均有所下降[1]。李宝智等选用没有表面改性的超细粉煤灰、改性超细粉煤灰和半补强炭黑在相同的配方和工艺下作了对比试验，改性超细粉煤灰添加到橡胶制品中可以起到一定的补强和交联效果[2]。邓名煊等对比了改性粉煤灰、半补强炭黑、通用炭黑和纳米活性碳酸钙在丁苯橡胶中的补强作用，结果发现粉煤灰直接用作填料不能起到补强作用[3]。李红娟等介绍了粉煤灰的改性技术及其在橡胶、塑料中的应用，这些方面的应用不仅能提高粉煤灰的利用率和附加值，改善塑料和橡胶的各项性能，还能解决环境污染问题，具有良好的优势和前景[4]。

2　试验

2.1　原材料品牌及产地

轻质碳酸钙（1 250目），河北井陉某钙粉厂；超细粉煤灰粉（1 250目），山东枣庄某公司生产；其他原材料均为市售产品。

2.2　主要仪器和设备

XK-160型炼胶机，无锡明达橡塑机械有限公司；T2000E非金属拉力试验机，北京友深电子仪器有限公司；M200E橡胶门尼粘度仪，北京友深电子仪器有限公司；MZ-4010B1无转子硫化仪，江苏明珠试验机械有限公司。

2.3　试验配方

试验配方如表1所示。硫化条件为150℃×60 min。

表1　CPE试验配方

2.4　性能测试

硫化胶的拉伸性能按《硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定》（GB/T 528-2009）测定，拉伸速度为500 mm/min。邵氏硬度按照《硫化橡胶或热塑性橡胶 压入硬度试验方法 第1部分：邵氏硬度计法（邵尔硬度）》（GB/T 531-2008）测试。

3　结果与分析

3.1　橡胶制品物理性能测试

表2　物理性能对比分析

3.1.1橡胶制品的密度

两次配方制得的胶片密度值分别为1.49 g/cm3和1.50 g/cm3，超细粉煤灰用于氯化聚乙烯橡胶中，与等比例使用轻质碳酸钙成品密度相差不大。

3.1.2硫化曲线测试

由硫化曲线可以看出，试验胶硫化曲线的各项指标与平时生产等比例碳酸钙用胶基本相同，这说明超细粉煤灰用于橡胶制品中的工艺性能适用于既有的配方和条件。

3.1.3硬度

由测试结果可知，硫化试验胶的硬度为76，比等比例使用碳酸钙的成品高1度，因而与平时生产胶料基本无明显变化。

3.1.4拉伸及扯断

由表2可知，超细粉煤灰试验胶和等比例使用碳酸钙平时用胶的拉伸强度分别为7.6 MPa和6.9 MPa，处于平时生产用胶测试结果的上游水平，说明外胶中超细粉煤灰全部代替轻质碳酸钙是可行的，并且使用超细粉煤灰试验胶的拉伸性能较优。

3.1.5钢丝抽出

超细粉煤灰试验胶和等比例使用碳酸钙平时用胶的钢丝抽出值分别为117 N/根和96 N/根，结果表明超细粉煤灰等比例替代碳酸钙以后，试验胶与钢丝表面黏合效果良好。

3.2　试验胶管性能结果分析

3.2.1阻燃性能

利用超细粉煤灰等比例替代轻钙后的试验胶管的有焰燃烧时间为8 s，无焰燃烧为10 s（以不冒烟为判点），完全符合标准要求30 s以内，这说明超细粉煤灰作为填充材料用于胶管中，阻燃性能完全达标。

3.2.2抗静电性能

本次试验胶管的电阻的直接测试值为3.0×105Ω，小于标准要求值1.04×108Ω（该指标为计算值，数值为25×108Ω/胶管外径mm），这说明超细粉煤灰作为填充材料用于胶管中，抗静电性能完全达标。

3.2.3层间黏合性能

试验过程中，用超细粉煤灰作为填充材料的试验胶剥除外胶后的试验胶管两端，可见骨架层表面粘有一层均匀的外胶，未见成片脱落，这说明超细粉煤灰作为填充材料用于胶管中，与钢丝层黏合较好。

4　结论

超细粉煤灰作为填料，无论胶料还是胶管，各项性能均符合指标，优于使用碳酸钙的测试数据。超细粉煤灰代替碳酸钙用于橡胶制品中，在不影响工艺性能的情况下，可以使外胶和胶管的外覆层具有更优异的性能。超细粉煤灰完全代替轻质碳酸钙用于外胶的生产可以执行。通过一系列试验来测试其应用效果，笔者认为，粉煤灰是一种优良的填充剂，可在橡胶制品中大力推广使用。未来人们应继续开发改性粉煤灰，以提高其在橡胶中的分散性，使其更好地发挥作用。