粉煤灰纖維的制造與應用

周秀苗，丁建礎

(河南煤業化工集團研究院，河南鄭州 450046)

粉煤灰是燃燒煤炭或煤粉后產生的灰和渣，是一種大小不等、形狀不規則的粒狀體，主要由硅鋁玻璃、微晶礦物顆粒和未燃盡的殘炭微粒所組成，其化學成分以氧化硅和氧化鋁為主。2008年我國消耗煤量28.5億t，粉煤灰的年排放量達2億余噸。即使在電廠節能效率不斷提高的情況下，到2020年，我國粉煤灰的年總排放量也將是現在的3倍左右［1］。隨著能源需求量的增加，粉煤灰的產生量也與日俱增，因此長期以來粉煤灰的綜合利用成為一個環境保護的一個重要課題。但是目前粉煤灰的綜合應用還主要集中在建筑和道路工程等方面，且利用率不到40%，而歐美國家的粉煤灰利用率已達到了70%～80%;因此根據粉煤灰的化學成分和結構性能，將其深加工轉化成高價值的超細無機纖維，進而利用纖維實現多種用途，成為近年來研究者和工程人員感興趣的課題，也成為環境保護的一項重要任務。

1 超細無機纖維的制備

國內外的研究與實踐已證明，玻璃纖維、玄武巖纖維等無機纖維，均可用于特種紙的生產和作為填料使用。因此，粉煤灰纖維的研究也引起很多研究者的關注，并進行了一些研究與探索。例如:南京新源天公司經過近十年努力，在國內首先成功地利用粉煤灰制成纖維棉及其制品。華東理工大學陳建定等［2］也對粉煤灰纖維項目進行了長期的研究，得到的粉煤灰超細纖維，具有纖維長、手感柔軟的特點，攻克了目前多數礦棉企業所遇到的生產工藝和產品性能方面的難題。其工藝過程分為兩個步驟［3］:①成纖過程。也就是將含量70%左右的粉煤灰(高鈣粉煤灰、低鈣粉煤灰、干排粉煤灰、濕排粉煤灰)、氧化鈣及其它輔料為原料，經預壓成型為塊狀原料后，投入沖天爐中熔融，并將其以細流流出，以噴或吹的方式將其制成纖維。在這個過程中，可通過降低粉煤灰的熔點，達到節能的目的，在這里以氧化鈣作為助熔劑，降低粉煤灰的熔點。②纖維收集過程。在成纖過程形成的粉煤灰纖維在被引到纖維采集室時仍是漂浮狀態，因此在傳送帶網下利用吸風機降低空氣壓力，將纖維控制在輸送帶上。粉煤灰纖維很快以纖維散狀形式輸送出來，同時噴灑必要的冷卻劑或表面處理劑。用該方法制備的超細纖維賦予了粉煤灰超細纖維的功能性，提高了粉煤灰的應用附加值，例如在造紙、隔音、隔熱、保溫、絕緣材料、吸附材料、脫色材料、密度板材料、路面瀝青膨脹材料等方面具有很好的利用前景。

2 粉煤灰纖維的應用

2.1 在造紙方面的應用

我國是個森林資源匱乏、紙品消費量大，紙品及原料高度依賴進口的發展中大國。顯而易見，依托消耗資源和進口遠不能滿足我國國民經濟迅速發展和人民生活水平不斷提高對造紙業的要求。

采用上述方法制備的粉煤灰纖維呈白色，具有直徑小(3～5 μm)，長度大，彈性好以及防火、防水性優良的諸多優點，處理后具有較好的親和力?？捎糜谥圃焯胤N用途紙張，如包裝用紙、耐熱紙、防火紙、防潮紙等，尤其適用于檔案用紙。采用粉煤灰纖維配抄的特種紙，依據加量的多少和紙品的區別，可節約10%以上的造紙成本［4］。粉煤灰纖維配抄紙具有防火、耐溫、吸濕性小、防腐耐久、防蛀等優點，并且產品具有保色、柔度持久、光感等表面性能穩定的特點，沒有輻射的危害。

河南煤業化工集團與河南大通公司合作成立的焦作銀興特纖科技發展公司年產3萬t粉煤灰超細無機纖維紙漿生產線于2010年5月建成投產，生產的纖維紙漿經造紙廠使用獲得成功，產生良好的社會環境效益和明顯的企業經濟效益。另外，廈門市榕薪環保設備有限公司在實驗室研究開發成果的基礎上，已與鄭州特種紙廠、杭州特種紙廠、武安市紙業有限公司工業紙機上成功的配抄造出文化紙、工業包裝紙和高強復合紙袋紙。在后續研究開發中，已使無機纖維文化紙定量保持在45 g的標準，而且已把白度提高到85%，塵埃度降低到了50，已達到了國家標準，在成功的抄造出以上紙品的基礎上，還抄造出壁原紙、箱板紙、著色紙等［5］。新疆天富特種纖維紙漿制造有限公司西北地區粉煤灰纖維紙漿項目，目前正式建成投產，作為粉煤灰纖維紙漿項目投資方之一的新疆天富熱電股份有限公司每年都會產生40萬t粉煤灰，大量的粉煤灰直接填埋，不僅導致環境污染，占用寶貴的土地資源，同時每年產生工業垃圾的處理費用達1 200萬元。將粉煤灰生產成纖維用于造紙，既解決煤渣環境保護問題，又能節省木材和水資源［6］。據介紹，原木紙漿目前每噸已賣到5 000多元，而粉煤灰紙漿每噸僅賣3 000多元，降低成本的同時也提升了市場競爭力。

2.2 在板材方面的應用

2.2.1 多功能FA板

由南京新源天節能技術實業有限公司、南京歐源科技公司合作已經開發出一種利用粉煤灰纖維棉生產的多功能FA板，這種板材主要是將3～6 μm的粉煤灰纖維棉經過梳棉工藝加工成6～20 mm的粒狀棉，再加入相應的添加劑，經過烘干、加壓、定型等數十道工序后，加工成高強度的FA標準板材。具有防火、防水、絕緣、吸音、保溫等多項功能，可以替代木材做辦公家具、普通家具、室內裝飾板等，也可以用于汽車、火車、輪船的內部裝飾［7］。經測算，建一個年產30萬m2的多功能FA板廠，可節約2 400畝森林24年的木材產量。

2.2.2 纖維棉半硬板鋼絲網三維復合板

它是將粉煤灰纖維棉疏松打短，加入填料、黏接劑、發泡劑、防水劑后經模具成型，高溫烘干成為輕質坯板，再把鍍鋅短鋼絲由斜角插入與兩面大小間隔相等的冷拔低碳鋼絲網中片中焊接為固定的三維空間網架，中間填充輕質坯板，制成粉煤灰纖維棉鋼絲網三維復合板［8］。此種復合板具有輕質、隔聲、保溫、隔熱、防火、抗震、耐水、無毒等特性。大多用于高層建筑，是我國墻體改革的指定建材。

2.3 粉煤灰纖維在瀝青混凝土中的應用

目前，減少道路病害、提高道路壽命的研究為世界各國所重視。瀝青的路面設計大修期為15年，而目前我國的瀝青路面往往8～9年就需要檢修。由此可見，采用纖維對瀝青進行改性，對混凝土的穩定性，低溫彎曲和防水、防裂性能有很好的效果。

陳建定等［9］先將粉煤灰纖維進行表面處理，其方法為:將有機酸加入到加熱的無水乙醇中，攪拌使之完全溶解，得到有機酸表面處理劑;將粉煤灰纖維加熱到80～120℃后，在其上均勻地噴灑有機酸表面處理劑，然后在80～120℃下烘干，得到表面處理的粉煤灰纖維。再將表面處理的粉煤灰纖維加入到加熱至60～90℃的瀝青中，攪拌均勻即得到粉煤灰纖維改性的瀝青。采用本技術制備的粉煤灰纖維增強改性瀝青，與未增強改性的瀝青相比，其沖擊強度、壓縮強度、拉伸強度提高50% ～500%。焦作銀興特纖科技發展有限公司已將該技術應用于實踐中，使制得的改性瀝青產品具有低溫不開裂、高溫不軟化的特性;其工藝過程簡易，成本低廉;可預先制備施工料，亦可現場調配和施工。

郭振華等［10］采用粉煤灰纖維和海泡石纖維制備了復合瀝青料，研究結果表明，海泡石纖維對瀝青表現出極強的吸持能力，能有效調節瀝青與膠漿的含量。粉煤灰纖維在瀝青中主要起加固和改善混合料的作用。兩種纖維的添加，使瀝青混合料的高溫變形性、水穩定性、低溫抗裂性和抗疲勞性等顯著提高。因此粉煤灰/海泡石纖維復合瀝青混合料將成為高等級道路的新型材料，具有較大的使用價值和廣泛的應用前景。

2.4 橡膠、塑料制品的充填材料

在橡膠、塑料制品中添加無機填料，可提高制品的耐熱性、耐磨性、尺寸穩定性及剛度等，并降低制品成本。目前粉煤灰作為高分子聚合物填充劑已有許多成功的例子，并廣泛應用于塑料、橡膠等領域。不論是在熱塑性塑料還是在熱固性塑料中，粉煤灰作為填充劑都有了一些成功的例子。例如:在熱塑性塑料中，粉煤灰已成功應用于聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯等領域。在聚氯乙烯生產中粉煤灰取代碳酸鈣，效果良好，且能降低材料的成本［11］。在熱固性塑料中，粉煤灰已成功應用于酚醛樹脂、環氧樹脂、不飽和聚酯等領域。粉煤灰在橡膠工業中的應用，主要是部分或全部代替炭黑、CaCO3、高嶺土、陶土等直接或改性后填充于橡膠中。隨著粉煤灰纖維工業化生產的實現，粉煤灰纖維的應用已不局限于傳統意義上降低成本的作用。作為一種低成本、高強度和高剛性的粉煤灰纖維，它能在聚合物中起到增強增韌的作用。徐元等［12］采用偶聯劑和軟化劑對粉煤灰纖維進行表面預處理，由于粉煤灰纖維預處理采用的偶聯劑為有活性的硅烷偶聯劑，它既能與粉煤灰纖維形成有化學鍵作用的界面，又能與聚氯乙烯發生烷基化反應，從而使粉煤灰纖維棉與聚氯乙烯之間具有較強的界面作用力。實驗結果表明，經偶聯劑和軟化劑聯合處理的復合材料，其沖擊強度提高約70%，拉伸強度提高約11%，同時其阻燃能力得到提高。

賀磊等［13］采用鋁鋯偶聯劑對粉煤灰纖維進行預處理，制備粉煤灰纖維/NR復合材料，并對其性能進行研究。結果表明，采用鋁鋯偶聯劑對粉煤灰纖維預處理能夠改善纖維和橡膠基體界面的結合狀況;粉煤灰纖維最佳用量為40份，可明顯提高粉煤灰纖維/NR復合材料的物理性能和絕緣性能。

另外，粉煤灰纖維棉熱傳導系數低，具有多孔徑、耐火、耐高溫等性能。因此，可以利用它制成多種耐火、防火、保溫和吸聲產品。隨著工業的長期開發和使用，天然礦產資源日漸枯竭和全球森林資源匱乏，而廢棄物粉煤灰卻日漸增多。因此將粉煤灰制備成超細纖維，賦予其纖維的功能，同時由于粉煤灰具有輕質、隔聲、保溫、隔熱、防火等優良的性能，從而擴寬其應用渠道，因此粉煤灰纖維是粉煤灰的一個重要的利用途徑，在保護環境方面和降低生產成本方面都具有非常廣闊的利用前景。

［1］Pedro M，Theodero W B，Derek H L.Influence of calcium nitrite inhibitor and crack width on corrosion of steel in high performance concrete subjected to a simulated marine environment［J］.Cement and Concrete Composites，2004，26(3):243-253.

［2］陳建定，鄭小彭，陳忠榮.以粉煤灰為原料制造超細纖維的方法［P］.CN 200410018352，2005-02-16.

［3］唐 明，丘 晴，王 博.混凝土外加劑及摻合料［M］.沈陽東北大學出版社，1999.

［4］南京新源天節能技術有限公司.造紙用粉煤灰纖維生產［EB/OL］.http://www.njxyt.com/soft_show.php?id=37

［5］廈門市榕薪環保設備有限公司.粉煤灰造紙纖維漿板［EB/OL］.http://www.xmrxhb.co m/Show Product.asp?ID=20

［6］沈鎮平.新疆天富公司粉煤灰纖維紙漿項目投產［J］.福建紙業信息，2009，(2):21

［7］中華紡織網.南京開發出粉煤灰纖維棉多功能FA板［EB/OL］.http://www.texindex.com.cn/Articles/2003-4-17/5364.html.2003-09-17.

［8］戴 紅，李炳華，王國勤.粉煤灰纖維在防火節能建材中的應用［J］.保溫材料與節能技術，1998，(5):23-25

［9］王彥華，陳建定，翁盛光.一種粉煤灰纖維表面處理及用于瀝青增強的改性技術［P］.CN 200410035033，2008-08-27.

［10］郭振華，劉 波.粉煤灰/海泡石纖維復合瀝青混合料的制備與性能研究［J］.功能材料，2007，38:3453-3456.

［11］王淑榮，王僉良.粉煤灰在高分子材料中的應用［J］.山西化工，1991，(2):24-26.

［12］徐 元，陳建定，王彥華.廢渣粉煤灰纖維棉增強PVC復合材料［J］.玻璃鋼/復合材料，2007，(3):37-40.

［13］賀 磊，陳均志，王永昌.粉煤灰纖維/NR復合材料的制備與性能研究［J］.橡膠工業，2010，57(2):94-97.