粉煤灰制备高分子复合材料研究现状

□□ 俞 能，柴淑媛，曲金星，魏雅娟 (华电电力科学研究院有限公司，浙江 杭州 310030)

引言

近年来，随着电力等行业的发展，燃煤电厂排出的主要固体废弃物——粉煤灰产量剧增。2018年，我国粉煤灰排放量为5.3亿t，综合利用量为4.0亿t，综合利用率为74.9%。粉煤灰的堆存不仅污染环境，也造成极大的资源浪费。由于粉煤灰的成分接近于传统填料的化学组成，且活性高，表面改性容易，因此经表面处理后与高分子材料具有较好的界面结合，能起到改善高分子材料性能、降低成本的作用。因此，利用粉煤灰来填充高分子材料具有很大的优势，而且将粉煤灰用于制备复合材料符合国家“废弃物资源化”的政策，也为粉煤灰的利用开辟了新的领域。

1 粉煤灰/聚乙烯(PE)复合材料

PE具有加工成型容易，价格低廉，且电绝缘性能优良，化学稳定性好，耐酸碱侵蚀的特性，使其多应用于制造管材及电线电缆等。在PE中填充粉煤灰，对PE进行改性，可以改善其耐燃性差、拉伸强度不高、低刚性等缺点，使其应用更加广泛。

Porbka A等[1]研究了粉煤灰对粉煤灰/低密度聚乙烯复合材料的加工性能及机械性能的影响。研究表明：粉煤灰在基体中的具有良好分散性，粉煤灰含量增加会增加混合物的粘度，当粉煤灰粒径为15～30 μm时，可以正常加工，但当30～60 μm的粉煤灰添加量达到50%时，在进样的过程中会阻塞机器，加工困难。粉煤灰的添加大大提高了复合材料的杨氏模量、热阻等性能，且当粉煤灰填料量<20%时，复合材料具有良好的机械性能。

杨明成等[2]采用辐射交联技术制备出废旧PE/木粉/粉煤灰新型塑木复合材料，并研究其综合性能。研究结果显示：复合材料的弯曲强度随粉煤灰含量的增加而升高，冲击强度先升高后降低，这是由于粉煤灰独特的球状玻璃微珠在混合料中产生了“滚珠效应”，避免不规则形状所造成的应力集中，提高了制品的冲击性能，填充量过大时，分散不均匀，不能提高冲击强度。当粉煤灰用量为10份时，弯曲强度提高幅度为6%，复合材料的摩擦系数降幅高达37.3%，达到最佳综合性能。

叶强等[3]制备了不同掺量、不同细度的粉煤灰/PE复合材料，并研究其力学性能、耐热老化性和抗冻融性。试验结果表明：细粉煤灰掺量增加，板材的最大弯曲荷载、弯曲强度、弯曲模量均呈现不同程度的增长。掺量相同时，粗粉煤灰制备的复合材料力学性能比细粉煤灰制备的复合材料性能有所下降。复合材料的抗冻融循环能力高于耐人工气候老化能力，且粉煤灰的粗细程度对灰塑复合材料的耐人工气候老化和耐冻融性能几乎没有影响。

Ahmad I等[4]利用双螺杆挤出机制备了粉煤灰/高密度聚乙烯复合材料。试验结果表明：弯曲强度和弯曲模量随着粉煤灰掺量的增加而增加，粒径小的粉煤灰表现出最佳的拉伸强度，冲击强度随着粉煤灰含量的增加缓慢降低，当粉煤灰填量为20%时，冲击强度降低约35%。粉煤灰填量大小会影响PE的延展性。但当填料粒径<3 μm时，可在一定程度上保留材料的延性。

2 粉煤灰/聚丙烯(PP)复合材料

PP具有耐化学腐蚀、电绝缘性、高强度、高耐磨性、良好的机械性能和加工性能等优点，其来源丰富、质轻、性价比高，在家电、日用品、机械、汽车等各个领域都得到了广泛应用。由于PP在使用中热稳定性、抗静电能力、耐冲击性能较差，大大限制了其应用。将粉煤灰和PP复合可以提高性能、降低成本。

王曾鹏等[5]用磨细和硅烷偶联剂的改性方式对粉煤灰进行处理，然后与聚丙烯熔融共混制备成复合材料。结果表明：两种改性方式的粉煤灰复合材料的弯曲强度、拉伸强度和冲击强度有了较大提升，熔体流动速率、热稳定性也都得到了改善。试验证明：粉煤灰的填充对PP具有很好的增强增韧效果，并且改性之后的粉煤灰填充量为20%时，综合性能最佳。

Das K等[6]用1∶1的粉煤灰和废旧聚丙烯制备出复合材料，研究其弯曲性能、吸水性和热降解性能。经偶联剂处理的粉煤灰填充聚丙烯制备的复合材料挠曲强度、弯曲模量、断裂伸长率均有所增加；热降解性能也得到一定的提高。

刘莉等[7]以硅烷偶联剂和表面活性剂复合处理粉煤灰表面，用马来酸酐(MAH)和过氧化二异丙苯(DCP)接枝聚丙烯作为相容剂，通过双螺杆挤出机挤出制备复合材料。当粉煤灰添加量<40%时，弯曲强度随着粉煤灰含量的增加而增加，拉伸强度基本保持不变，冲击强度呈现降低的趋势。在粉煤灰含量为50%的复合材料中添加增韧剂可改善粉煤灰和PP基体相容性，使粉煤灰和PP基体紧密结合在一起，提高其冲击强度。

贺燕等[8]用熔融共混法制备了粉煤灰/聚丙烯复合材料，粉煤灰经硅烷偶联剂DB550处理后，粉煤灰的最佳添加量由未处理的15%增长到处理后的25%，复合材料的抗拉强度和弹性模量分别达到32.99 MPa和0.44 GPa，提高了38%和29%。

曹新鑫等[9]制备了粉煤灰/聚丙烯复合材料。试验结果表明：粉煤灰能提高复合材料的抗静电性、热变形温度、热稳定性；加入少量粉煤灰对结晶有促进作用；当粉煤灰质量分数为15%时，复合材料具有最佳的综合性能。

3 粉煤灰/聚氯乙烯(PVC)复合材料

PVC具有阻燃、耐腐蚀、耐磨损等特点而使其得以广泛应用。但聚氯乙烯存在热稳定性差、冲击强度低、硬而脆等缺点。通过矿物粉体增韧改性PVC，可以扩大其应用领域。

董金虎等[10]研究了粉煤灰含量对PVC/粉煤灰复合板性能的影响。当复合板中粉煤灰含量为10%时，韧性最佳；当复合板中粉煤灰含量<30%时，拉伸强度随粉煤灰含量增加而缓慢升高，粉煤灰含量>30%时，则呈快速降低趋势。

LIN J M等[11]制备了粉煤灰/PVC复合材料。研究发现：复合材料的硬度随粉煤灰粒度的减小而增大；当粉煤灰的含量<40%时，复合材料的硬度随着粉煤灰含量的增大而增大；粉煤灰的含量>50%时，复合材料的硬度降低。在粉煤灰掺量达到40%时，复合材料的冲击强度比纯PVC的冲击强度高两倍，达到最大值，为1.97 kJ/m2。

高小磊[12]研究了粉煤灰目数等对粉煤灰/PVC复合材料性能的影响。研究表明：800目粉煤灰制备的复合板材具有最优的力学性能和加工性能；芯层中粉煤灰含量为55%的复合板材力学性能较优。

马蓬杨等[13]通过试验研究发现加入增塑剂可有效降低PVC的剪切粘度，当复合材料中粉煤灰掺量为75%、添加30%的增塑剂，其拉伸强度为7.2 MPa，弯曲强度达到28.3 MPa。

闫超群等[14]采用模压发泡方法制备了高填充粉煤灰/PVC复合发泡板。试验结果表明：当ZnO、NaHCO3和AC发泡剂的配比为1∶1.5∶2时，满足复合发泡板加工需求。当粉煤灰填充量为61.16%，复合发泡剂添加量为6份时，复合发泡板的弯曲强度和冲击强度达到国家硬质聚氯乙烯低发泡板材的标准。

4 粉煤灰/橡胶复合材料

天然或合成橡胶的主要补强填料为炭黑，粉煤灰性质与炭黑接近，利用改性粉煤灰填充天然橡胶，既可节约炭黑，又可实现粉煤灰利用。粉煤灰填充橡胶复合材料可以改善橡胶的热稳定性、电绝缘性、力学性能及阻燃性等。

唐忠锋等[15]研究了硅烷偶联剂活化粉煤灰/天然橡胶复合材料。随着粉煤灰含量的增加，其耐热性和阻燃性也随之提高，粉煤灰的加入使天然橡胶分子链活动受限制，进而提高了其受热分解温度。试验证明：复合材料的拉伸强度、硬度和断裂伸长率相比未活化粉煤灰复合材料明显增大，最佳活化粉煤灰添加量为20份。

武卫莉等[16]制备了粉煤灰/废胶粉复合材料。试验结果表明：用Si-69对粉煤灰的改性效果好于KH-550，KH550中的Si-OH和粉煤灰表面的-OH脱水缩合形成Si-O键，因此，粉煤灰/废胶粉复合材料具有较好的力学性能。拉伸强度为6.8 MPa，扯断伸长率为49%，邵尔A硬度为84度，磨耗为1.3 cm3/km，可用作板材或铺路材料。

王继虎等[17]将改性粉煤灰添加到硅橡胶中，制备出粉煤灰/硅橡胶复合材料。研究表明：改性后的粉煤灰比表面积增加，分散程度提高，使其在橡胶中分散更均匀。复合材料的力学性能、热阻和阻燃性与未改性粉煤灰相比，也有所提升。

魏雅娟等[18]研究了不同粉煤灰分别填充天然橡胶。研究结果表明，经两种粉煤灰补强的天然橡胶混炼胶的永久变形、100%定伸应力、硬度均有所提升，但PC灰补强效果不如CFB灰，这是由于CFB灰中存在的部分可燃物起到类似炭黑的补强作用，且表面疏松多孔的CFB灰较球形PC灰与天然橡胶存在更多的交联点。

5 结语

目前的研究表明，经表面改性处理过的粉煤灰用于填充高分子材料，可以改善高分子材料的综合性能，并降低生产成本。但目前的研究仍然存在几方面的问题：

(1)改性效果较好的表面改性剂价格较高，不适用于生产，且改性机理类研究较少。

(2)我国粉煤灰原料品质不稳定，粒径范围大，成分波动大，用于高分子填料中的效果不太理想，限制了其应用领域。

(3)回收塑料与粉煤灰复合加工工艺研究较少，需要寻求适合工业生产的配方和工艺。