超细粉煤灰在橡塑制品中的应用研究

方 明，李 莉，张 琪，胡 冬，靳伟强，田 清，常 欣

（山东弘兴白炭黑有限责任公司，山东 枣庄 277000）

我国粉煤灰数量巨大，并且增长速度快，对粉煤灰的治理和综合利用已经引起人们的高度关注。国内外学者在粉煤灰的应用方面进行了大量的研究，李宝智研究了粉煤灰的显微结构、分离加工以及表面改性，发现粉煤灰可基本达到功能性填料的作用[1]。张鸿波用改性后的粉煤灰添加到橡胶制品中，发现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[2]。刘俊红等介绍了掺有粉煤灰的高分子复合材料的应用研究状况，发现粉煤灰的粒度、表面吸附性是影响粉煤灰作为补强材料的关键因素[3]。李启坤等研究了超细粉煤灰在氯化聚乙烯胶管中的应用，发现1 250 目超细粉煤灰可以应用在氯化聚乙烯胶料和胶管中，其各项物理性能指标优于同比例使用碳酸钙的测试数据[4]。邓名煊等用未超细的粉煤灰原灰与炭黑在丁苯橡胶复合体系中进行补强性能的对比试验，结果发现，粉煤灰原灰仅用作增容填料，可大量用于一些要求较低的橡胶制品中，如果将粉煤灰超细粉碎至纳米级，再经表面活化处理，可提高粉煤灰在橡胶中的补强性能[5]。

本文以粉煤灰为原材料，利用蒸汽动能磨对粉煤灰进行超细加工，最终可以实现粉煤灰的高附加值利用。将超细后的粉煤灰替代重质碳酸钙和轻质碳酸钙，作为无机填料应用于橡胶行业，不仅提升了粉煤灰的附加值，而且符合国家对粉煤灰的相关利用政策，为粉煤灰的再利用提供了新出路，对保护环境、促进资源综合利用具有良好的示范意义。

1 粉煤灰的性质

1.1 粉煤灰的化学组成

粉煤灰是燃煤电厂的排放物，粉煤灰的排放造成资源的浪费，污染环境[6]。粉煤灰呈灰白色，主要化学成分如表1所示。

表1 粉煤灰常见化学组成

由表1 可见，粉煤灰的主要组分为SiO2和Al2O3， 其中SiO2在橡胶中起增量补强作用，可部分替代炭黑和白炭黑；Al2O3和CaO 在橡胶中起增量作用，可替代特种碳酸钙；SO3起加硫作用，还有未燃尽的可燃物起炭黑作用[4]。粉煤灰中各种成分的分子结构和状态不是独立存在的，因而粉煤灰中的C 和SiO2并未起到补强作用[5]。张季爽等研究了活化粉煤灰填充橡胶的表面形貌、表面成分等，结果发现，橡胶横断面上的硅和铝含量比外表面高，但是硫的含量较低，粉煤灰中的多面体颗粒与橡胶结合 紧密[7]。

1.2 粉煤灰的粒径

图1 超细粉煤灰的粒径分布

由图1 可以看出，经粉碎后的粉煤灰粒径小，并且粒度分布窄，这说明用过热蒸汽作为动力源的气流粉碎系统可以很好地实现对粉煤灰的超细粉碎，并且得到的粉体均匀性好。

粉煤灰粒径的大小对橡塑制品的补强性有很大影响，粒径越小，限制橡塑大分子运动的能力和承载效率也越高，因而对橡塑制品的补强性提高越大。经过超细粉碎后的粉煤灰，其粒径达到一定细度以下，可实现在橡塑中作为功能填料的应用。

2 试验

2.1 原材料及产地

超细粉煤灰粉（1 250 目），山东枣庄某公司生产；轻质碳酸钙（1 250 目），河北石家庄某钙粉厂；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；M200E 橡胶门尼黏度仪，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；T2000E 非金属拉力试验机，北京友深电子仪器有限公司。

2.3 试验配方

超细粉煤灰在EPDM、橡胶输送带和SBR 中的试验配方分别如表2、表3 和表4所示。

表2 超细粉煤灰在EPDM 中的试验配方

表3 超细粉煤灰在橡胶输送带中的试验配方

表4 超细粉煤灰在SBR 中的试验配方

2.4 性能测试

硫化胶的拉伸性能按参照《硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定标准》（GB/T 528-2009）进行测定，其中拉伸速度为500 mm/min。

3 结果与分析

3.1 在EPDM 橡胶制品中的物理性能测试

表5 超细粉煤灰在EPDM 中的物理性能对比分析

由表5 可以看出，超细粉煤灰作为无机填料添加到EPDM 制品的配方中，与同粒径的碳酸钙数值差别不大，但是前者扯断强度为9.5 MPa，远高于后者的6.0 MPa，因而将超细粉煤灰用于生产EPDM 制品，优势较为明显。同时，门尼黏度略高，这是由于超细粉煤灰粒径较细，混炼时生热大，黏度稍高。粉煤灰用于三元乙丙橡胶中，硫化速度稍快，这可能是由于粉煤灰的pH 呈碱性且高于碳酸钙。

3.2 在橡胶输送带中的物理性能测试

表6 超细粉煤灰用于橡胶输送带中的物理性能对比分析

在橡胶输送带配方试验中，添加相同份数的超细粉煤灰和碳酸钙，结果表明，两者物理性能差异不大，同时，胶带表层均无裂隙和胶剥现象，但前者耐磨性大大提高，抗应力胶剥裂缝最强，如表6所示。

3.3 在丁苯橡胶中的物理性能测试

表7 超细粉煤灰用于SBR 中的物理性能对比分析

由于丁苯橡胶为非自补强橡胶，在没有补强材料的情况下，混炼胶的拉伸强度等物理指标会很低，因而在丁苯橡胶体系中更能表征出填充材料补强性能的强弱。由表7 可以看出，将相同量超细粉煤灰与碳酸钙用于丁苯橡胶体系中，各项物理指标相差不大，其中前者的拉伸强度和断裂伸长率都高于后者，但是强度均较低，这说明超细粉煤灰可以用作填料添加到橡胶制品中，但是补强性能较弱。

4 结论

超细粉煤灰作为填料用于EPDM 和输送带等橡胶制品中，各项性能均符合指标，并且优于使用碳酸钙的测试数据。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。但是，超细粉煤灰粒径小，混炼生热大，分散困难，因此计划继续在超细粉煤灰的改性上做研究，以提高其在橡胶中的分散性，以期其更好地发挥作用。