粉煤灰提取Al2O3及其改性聚丙烯的研究

董金虎

（陜西理工學院材料科學與工程學院，陜西 漢中723003）

粉煤灰提取Al2O3及其改性聚丙烯的研究

董金虎

（陜西理工學院材料科學與工程學院，陜西 漢中723003）

采用堿焙燒法從粉煤灰中提取Al2O3，將提取的Al2O3用于聚丙烯（PP）改性，并以市售Al2O3改性PP為參考，考察了Al2O3對PP力學性能及微觀形態的影響。結果表明，提取的Al2O3改性PP的拉伸和沖擊性能與市售Al2O3相當；當Al2O3含量增加到2%（質量分數，下同）時，PP的拉伸斷面均由平整結構變為輕微的層狀結構，此時拉伸和沖擊性能達到最佳，拉伸強度提高了約6%、斷裂伸長率提高了約23%、沖擊強度提高了約14%；當Al2O3含量繼續增加到5%時，層狀結構更為明顯，改性PP的沖擊強度急劇下降。

粉煤灰；三氧化二鋁；聚丙烯；改性

0 前言

粉煤灰含有 Al2O3、SiO2、Fe2O3、CaO 等主要成分，具有活性高、多孔以及富含微量元素等特點，近年來在建筑、化工、污水處理、農業生產等領域得到廣泛應用，而且對粉煤灰的深度開發和利用還在不斷進行中［1－2］。本研究以大唐略陽發電廠的粉煤灰為研究對象，該廠每年產生約100kt粉煤灰，Al2O3含量為15%～20%左右，具有提取利用價值。基于此，本研究采用堿焙燒法來提取Al2O3［3］，并將提取出的Al2O3用于PP樹脂的改性研究。分別將提取的Al2O3和市售Al2O3與PP進行熔融共混，研究了Al2O3含量對PP拉伸、沖擊性能的影響。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PP粉料，KL0058－2002，中國克拉瑪依石化公司；

Al2O3，分析純，廣東汕頭市化學試劑廠；

粉煤灰，濕法細灰，大唐略陽發電廠；

Na2CO3，分析純，天津市化學試劑三廠；

CaCO3，分析純，西安中信精細化工有限責任公司；

H2SO4，分析純，廣東汕頭市化學試劑廠；

NaOH 分析純，天津市致遠化學試劑有限公司；

硅烷偶聯劑，KH－560，上海耀華化工廠；

無水乙醇，化學純，西安三浦精細化工廠；

石蠟，化學純，西安三浦精細化工廠。

1.2 主要設備及儀器

高溫煅燒爐，YW－DSL，鹽城市遠威電熱機械有限公司；

注塑機，SZ－100－40A，成都注塑機械廠；

循環水式真空泵，SHZ－Ⅲ，鄭州科達機械儀器設備有限公司；

電熱鼓風烘箱，101A－1，青島科隆達儀器儀表有限公司；

計算機控制拉力試驗機，LDS－20KN，長春市智能儀器設備有限公司；

機械式沖擊試驗機，JJ－22，長春市智能儀器設備有限公司；

熱機械檢測儀，RJY－1P，上海精密儀器儀表有限公司；

掃描電子顯微鏡（SEM），JSM－6390LV，日本JEOL公司。

1.3 樣品制備

從粉煤灰中提取Al2O3：先將粉煤灰、Na2CO3和CaCO3按照5∶1∶1的質量比混合均勻，置于800℃的煅燒爐中煅燒1h，然后用NaOH稀溶液在80～90℃和pH值為12～13的條件下浸泡煅燒過的熟料2h以上，再用布氏漏斗和真空泵過濾掉殘渣，用稀H2SO4將濾液的PH調節為6左右，靜置2h以上，用布氏漏斗濾出白色絮狀的Al（OH）3沉淀。最后將Al（OH）3沉淀經烘箱充分干燥除去水分后，在1000℃條件下的煅燒爐中煅燒1h，獲得Al2O3；

Al2O3表面改性：分別對粉煤灰中提取的Al2O3和市售Al2O3進行表面改性，取Al2O3質量2%的硅烷偶聯劑用無水乙醇稀釋成稀溶液，均勻滴加到Al2O3中，在120℃條件下烘干1h，經充分研磨備用；

復合材料制備：以PP粉料為基準，加入1%的石蠟，然后分別按PP質量的0.5%、1%、2%、3%、5%加入2種經表面改性的Al2O3，充分混合均勻后，在室溫下放置24h后進行性能測試。

1.4 性能測試與結構表征

拉伸強度及斷裂伸長率按GB/T 1040.2—2006進行測試，啞鈴形樣條，拉伸速率為50mm/min；

沖擊強度按GB/T 1843—1993進行測試，樣條無缺口，尺寸為10mm×15mm×120mm，最大沖擊能為22J；

SEM分析：對拉伸樣品斷面進行噴金，電子束電壓為20kV，設置不同發大倍率觀察樣品斷面微觀形貌。

2 結果與討論

2.1 粉煤灰提取Al2O3

用堿焙燒法提取Al2O3，其產率約為17%。Al2O3的結構以不規則片狀為主，平均粒徑為5～10μm，存在許多Al2O3顆粒的聚集體，使用前需要對Al2O3進行研磨處理，其SEM照片如圖1所示。

圖1 粉煤灰提取Al2O3的SEM照片Fig.1 SEM micrographs for Al2O3 component extracted from fly ash

在提取Al2O3過程中，Na2CO3和CaCO3的消耗量比較大，由于Na2CO3價格相對較高，從而成為Al2O3提取的一個重要經濟指標。采用堿焙燒提取Al2O3法，在Al（OH）3析出后的溶質主要為NaOH和Na2SO4，加入石灰析出CaSO4沉淀后，得到較純凈的NaOH稀溶液。可以將處理所得的NaOH稀溶液重復用于浸泡煅燒熟料溶出鋁酸鈉，也可以將其濃縮，通入CO2得到Na2CO3后循環利用，Na2CO3的實際消耗量較容易控制在Al2O3提取量的15%以內。

2.2 Al2O3含量對PP力學性能的影響

從圖2（a）可以看出，Al2O3用量從0增加到1%時，改性PP的拉伸強度有一定程度的提高，兩種變化趨勢也一致；Al2O3用量從1%增加到2%時，拉伸強度基本保持不變；但當Al2O3用量從2%增加到5%時，市售Al2O3改性PP的拉伸強度變化不大，而提取Al2O3改性PP的拉伸強度則呈下降趨勢。從數據上看，Al2O3用量為1%～2%時，兩種Al2O3改性PP的拉伸強度幾乎相等，且均已經達到最佳值，相對純PP提高了6%左右。

從圖2（b）可以看出，經兩種Al2O3改性后PP的斷裂伸長率相當，Al2O3用量增加到1%時，伸長率都有較大的提高；Al2O3用量從1%增加到5%，PP的伸長率變化不大。從數據上看，Al2O3用量為1%～3%時，經兩種Al2O3改性后的PP材料的伸長率相當，都達到了最佳值，相對純PP提高了23%左右。

從圖2（c）可以看出，當Al2O3用量從0增加到5%，兩種Al2O3改性PP的沖擊強度均呈先增大后減小趨勢，且提取Al2O3改性PP的沖擊強度好于市售Al2O3。提取Al2O3用量為2%～3%時，改性PP的沖擊強度達到最大值，而市售Al2O3在用量為2%時，改性PP的沖擊強度達到最大值。從數據上看，粉煤灰提取Al2O3改性PP的沖擊強度總體好于市售Al2O3，且當Al2O3用量為2%～3%時，改性PP的沖擊強度達到最佳值，相對純PP提高了14%左右。

圖2 Al2O3含量對PP力學性能的影響Fig.2 Effect of contents of Al2O3on mechanical properties of PP

2.3 Al2O3改性PP材料的微觀結構

從圖3可以看出，兩種Al2O3對PP基體微觀結構的影響一致，均是隨著Al2O3含量的增加，PP基體斷面由較為平整的結構逐漸轉變為層狀結構，而且分層程度隨Al2O3的含量的增加而加大。可以發現，改性PP的拉伸強度、斷裂伸長率、沖擊強度在剛出現分層結構時有一定程度的提高，這是PP微觀聚集結構被細微化的體現；而隨著Al2O3含量的增加，分層程度加大，PP的韌性受到較大影響，沖擊強度出現較大幅度下降。

圖3 Al2O3改性PP拉伸斷面的SEM照片Fig.3 SEM micrographs for tensile fracture surface of Al2O3modified PP

3 結論

（1）從粉煤灰中提取的Al2O3與市售Al2O3相比，在性能和微觀結構上對PP改性的影響一致，證實了從粉煤灰中提取Al2O3的工藝方法可行；

（2）Al2O3用量從0.5%增加到2%時，改性PP的拉伸斷面由較為平整的結構轉變為輕微的層狀結構，此時各項力學性能指標達到比較理想的值，Al2O3用量繼續增加到5%時，層狀結構的分層程度加大，沖擊強度隨之急劇下降；

（3）提取Al2O3用量為2%時，對PP樹脂的改性效果最好，此時改性PP的拉伸強度提高了約6% 斷裂伸長率提高了約23%、沖擊強度提高了約14%。

［1］ 張士華，陳 光，崔 崇，等.玻璃纖維粉煤灰增強尼龍復合材料的制備與性能研究［J］.塑料工業，2009，（11）：21－24.

［2］ 楊明成，李召朋，宋衛東，等.廢舊PE/木粉/粉煤灰復合材料的制備與輻射改性研究粉煤灰增強鑄型聚酰胺復合材料的研究［J］.塑料工業，2010，（5）：12－15.

［3］ 馮圣生，陳 德，劉希泉.粉煤灰提取氧化鋁的研究現狀［J］.廣州化工，2010，38（4）：23－24.

Research on Al2O3Component Extracted from Fly Ash Modified PP

DONG Jinhu
（Materials Science and Engneering，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723003，China）

Al2O3was extracted from fly ash via high－temperature alkali calcinations.The properties of PP containing such extracted Al2O3were compared with commercial PP/Al2O3composites.It showed that，the tensile and impact properties of PP/extracted Al2O3were similar to commercial composites.When the content of the extracted Al2O3increased to 2%，the microstructure of PP matrix changed from smooth structure to slight lamellar structure，and the tensile strength，elongation at break，and impact strength increased by 6%，23%，and 14%，respectively，based on neat PP.However，when the content of extracted Al2O3increased to 5%，the impact strength of PP decreased dramatically.

fly ash；aluminum oxide；polypropylene；modification

TQ325.1＋4

B

1001－9278（2011）12－0086－04

2011－08－04

聯系人，dongjinhu＠126.com