超細(xì)粉煤灰在氯化聚乙烯膠管中的應(yīng)用研究

李啟坤，李 莉，張 琪，郭晶晶，常 欣，靳偉強(qiáng)，田 清

（山東弘興白炭黑有限責(zé)任公司，山東 棗莊 277000）

1　粉煤灰的特性

1.1　粉煤灰的理化性質(zhì)

粉煤灰是指在燃煤供熱、發(fā)電過程中，磨成一定細(xì)度的煤粉在煤粉爐中高溫燃燒后，由煙道氣帶出并經(jīng)收塵器收集的粉塵。粉煤灰呈灰白色，主要化學(xué)成分為氧化硅和氧化鋁等。通過放大X倍的電子顯微鏡，人們可以觀察到粉煤灰的形貌為片狀結(jié)構(gòu)。

粉煤灰中Al2O3含量高于40%，粉煤灰形成較多的莫來石，高鋁粉煤灰引起玻璃相的減少，使活性降低。SiO2的含量是玻璃體的主要成分，這些玻璃體經(jīng)過高溫煅燒儲(chǔ)藏了較高的化學(xué)能，是粉煤灰活性的來源[1]。

1.2　粉煤灰的粒度

粉煤灰粒度的大小對橡塑制品的補(bǔ)強(qiáng)性有很大影響，粒徑越小（能在橡塑基體中有效地分散），比表面積越大，表面效應(yīng)越強(qiáng)，與基體作用越強(qiáng)，限制橡塑大分子運(yùn)動(dòng)的能力和承載效率也越高，對橡塑制品的補(bǔ)強(qiáng)性提高越大。

1.3　粉煤灰的主要特點(diǎn)

一是超細(xì)粉煤灰從易于造成環(huán)境污染的電廠固廢物得到，可以消除固廢污染，變廢為寶，完全符合國家大力倡導(dǎo)的綠色環(huán)保、循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)政策；二是采用蒸汽動(dòng)能磨對電廠粉煤灰進(jìn)行超細(xì)粉碎，加工分離過程完全采用物理方法，不消耗水及任何酸堿化工原料，加工過程低能耗、低消耗，不產(chǎn)生任何污染；三是該產(chǎn)品具有近納米級超細(xì)顆粒度（D97為1 250目10μ m至2 500目5 μm），使其作為填充組分應(yīng)用時(shí)能表現(xiàn)出非常優(yōu)異的性能；四是粒徑在10 μm的超細(xì)粉煤灰替代輕鈣用于橡膠工業(yè)中，與輕鈣粉相比較，價(jià)格低廉，物理性能較優(yōu)。

人們將超細(xì)粉煤灰產(chǎn)品作為填料在橡膠制品中與輕鈣做了應(yīng)用性對比研究試驗(yàn)。用作對比試驗(yàn)的輕鈣的理化性質(zhì)如下：相對密度2.2～2.6 g/cm3，粒徑16～20 μm，pH在8～10，水分4%左右，吸油值為0.7～0.8 mL/g。從粒徑大小比較，超細(xì)粉煤灰粒徑比輕鈣稍細(xì)，由此分析，超細(xì)粉煤灰在橡膠中的應(yīng)用效果應(yīng)優(yōu)于輕鈣。

張鴻波用改性后的粉煤灰添加到橡膠制品中，發(fā)現(xiàn)改性粉煤灰替代不超過50%的半補(bǔ)強(qiáng)炭黑時(shí)，對橡膠的性能沒有不良影響，替代量超過50%以后，性能明顯下降，隨著改性粉煤灰添加量的增大，橡膠的拉伸強(qiáng)度等各項(xiàng)指標(biāo)均有所下降[1]。李寶智等選用沒有表面改性的超細(xì)粉煤灰、改性超細(xì)粉煤灰和半補(bǔ)強(qiáng)炭黑在相同的配方和工藝下作了對比試驗(yàn)，改性超細(xì)粉煤灰添加到橡膠制品中可以起到一定的補(bǔ)強(qiáng)和交聯(lián)效果[2]。鄧名煊等對比了改性粉煤灰、半補(bǔ)強(qiáng)炭黑、通用炭黑和納米活性碳酸鈣在丁苯橡膠中的補(bǔ)強(qiáng)作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)粉煤灰直接用作填料不能起到補(bǔ)強(qiáng)作用[3]。李紅娟等介紹了粉煤灰的改性技術(shù)及其在橡膠、塑料中的應(yīng)用，這些方面的應(yīng)用不僅能提高粉煤灰的利用率和附加值，改善塑料和橡膠的各項(xiàng)性能，還能解決環(huán)境污染問題，具有良好的優(yōu)勢和前景[4]。

2　試驗(yàn)

2.1　原材料品牌及產(chǎn)地

輕質(zhì)碳酸鈣（1 250目），河北井陘某鈣粉廠；超細(xì)粉煤灰粉（1 250目），山東棗莊某公司生產(chǎn)；其他原材料均為市售產(chǎn)品。

2.2　主要儀器和設(shè)備

XK-160型煉膠機(jī)，無錫明達(dá)橡塑機(jī)械有限公司；T2000E非金屬拉力試驗(yàn)機(jī)，北京友深電子儀器有限公司；M200E橡膠門尼粘度儀，北京友深電子儀器有限公司；MZ-4010B1無轉(zhuǎn)子硫化儀，江蘇明珠試驗(yàn)機(jī)械有限公司。

2.3　試驗(yàn)配方

試驗(yàn)配方如表1所示。硫化條件為150℃×60 min。

表1　CPE試驗(yàn)配方

2.4　性能測試

硫化膠的拉伸性能按《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測定》（GB/T 528-2009）測定，拉伸速度為500 mm/min。邵氏硬度按照《硫化橡膠或熱塑性橡膠 壓入硬度試驗(yàn)方法 第1部分：邵氏硬度計(jì)法（邵爾硬度）》（GB/T 531-2008）測試。

3　結(jié)果與分析

3.1　橡膠制品物理性能測試

表2　物理性能對比分析

3.1.1橡膠制品的密度

兩次配方制得的膠片密度值分別為1.49 g/cm3和1.50 g/cm3，超細(xì)粉煤灰用于氯化聚乙烯橡膠中，與等比例使用輕質(zhì)碳酸鈣成品密度相差不大。

3.1.2硫化曲線測試

由硫化曲線可以看出，試驗(yàn)?zāi)z硫化曲線的各項(xiàng)指標(biāo)與平時(shí)生產(chǎn)等比例碳酸鈣用膠基本相同，這說明超細(xì)粉煤灰用于橡膠制品中的工藝性能適用于既有的配方和條件。

3.1.3硬度

由測試結(jié)果可知，硫化試驗(yàn)?zāi)z的硬度為76，比等比例使用碳酸鈣的成品高1度，因而與平時(shí)生產(chǎn)膠料基本無明顯變化。

3.1.4拉伸及扯斷

由表2可知，超細(xì)粉煤灰試驗(yàn)?zāi)z和等比例使用碳酸鈣平時(shí)用膠的拉伸強(qiáng)度分別為7.6 MPa和6.9 MPa，處于平時(shí)生產(chǎn)用膠測試結(jié)果的上游水平，說明外膠中超細(xì)粉煤灰全部代替輕質(zhì)碳酸鈣是可行的，并且使用超細(xì)粉煤灰試驗(yàn)?zāi)z的拉伸性能較優(yōu)。

3.1.5鋼絲抽出

超細(xì)粉煤灰試驗(yàn)?zāi)z和等比例使用碳酸鈣平時(shí)用膠的鋼絲抽出值分別為117 N/根和96 N/根，結(jié)果表明超細(xì)粉煤灰等比例替代碳酸鈣以后，試驗(yàn)?zāi)z與鋼絲表面黏合效果良好。

3.2　試驗(yàn)?zāi)z管性能結(jié)果分析

3.2.1阻燃性能

利用超細(xì)粉煤灰等比例替代輕鈣后的試驗(yàn)?zāi)z管的有焰燃燒時(shí)間為8 s，無焰燃燒為10 s（以不冒煙為判點(diǎn)），完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求30 s以內(nèi)，這說明超細(xì)粉煤灰作為填充材料用于膠管中，阻燃性能完全達(dá)標(biāo)。

3.2.2抗靜電性能

本次試驗(yàn)?zāi)z管的電阻的直接測試值為3.0×105Ω，小于標(biāo)準(zhǔn)要求值1.04×108Ω（該指標(biāo)為計(jì)算值，數(shù)值為25×108Ω/膠管外徑mm），這說明超細(xì)粉煤灰作為填充材料用于膠管中，抗靜電性能完全達(dá)標(biāo)。

3.2.3層間黏合性能

試驗(yàn)過程中，用超細(xì)粉煤灰作為填充材料的試驗(yàn)?zāi)z剝除外膠后的試驗(yàn)?zāi)z管兩端，可見骨架層表面粘有一層均勻的外膠，未見成片脫落，這說明超細(xì)粉煤灰作為填充材料用于膠管中，與鋼絲層黏合較好。

4　結(jié)論

超細(xì)粉煤灰作為填料，無論膠料還是膠管，各項(xiàng)性能均符合指標(biāo)，優(yōu)于使用碳酸鈣的測試數(shù)據(jù)。超細(xì)粉煤灰代替碳酸鈣用于橡膠制品中，在不影響工藝性能的情況下，可以使外膠和膠管的外覆層具有更優(yōu)異的性能。超細(xì)粉煤灰完全代替輕質(zhì)碳酸鈣用于外膠的生產(chǎn)可以執(zhí)行。通過一系列試驗(yàn)來測試其應(yīng)用效果，筆者認(rèn)為，粉煤灰是一種優(yōu)良的填充劑，可在橡膠制品中大力推廣使用。未來人們應(yīng)繼續(xù)開發(fā)改性粉煤灰，以提高其在橡膠中的分散性，使其更好地發(fā)揮作用。