無(wú)煙煤/丁苯橡膠復(fù)合材料的力學(xué)性能研究

康浩，潘文平

(荔浦師范學(xué)校，廣西 桂林 546600)

聚合物/煤抗靜電增強(qiáng)復(fù)合材料是以煤為主要原料，加入偶聯(lián)劑，經(jīng)過(guò)超細(xì)粉碎，結(jié)合表面改性而制成的兼有抗靜電與增強(qiáng)性能的一種新型復(fù)合材料。聚合物/煤抗靜電增強(qiáng)復(fù)合材料要求原料煤應(yīng)具有較高的含碳量及結(jié)構(gòu)度、超細(xì)的粒徑(一般要求小于5 μm)、表面應(yīng)力集中點(diǎn)少等條件以保證煤的顆粒在聚合物基體中充分分散，從而有利于增大兩者的接觸面積，以便能夠在復(fù)合材料中形成良好的導(dǎo)電通道[1～3]。所以采用煤來(lái)制備聚合物基抗靜電材料符合現(xiàn)代復(fù)合材料“微細(xì)化、活性化、功能化”的主流發(fā)展方向。

與炭黑相比，機(jī)械法制備的超細(xì)煤粉粒度遠(yuǎn)比炭黑粒大，其“結(jié)構(gòu)性”(即聚集成鏈狀或葡萄狀的程度)低，分散聚合物基體中不易形成導(dǎo)電通道；從加工性來(lái)說(shuō)，超細(xì)煤比炭黑更易在聚合物中分散均勻，不易形成架橋現(xiàn)象；經(jīng)面改性在煤表面形成烷基層，阻隔了電子的轉(zhuǎn)移；煤表面含氧基團(tuán)等明顯比炭黑多，使導(dǎo)電能壘增加。另外，煤中揮發(fā)分及礦物雜質(zhì)也影響其導(dǎo)電性[4～6]。

聚合物/煤復(fù)合材料的應(yīng)用研究已取得較大的進(jìn)展，但是將煤與聚合物通過(guò)簡(jiǎn)單的機(jī)械共混制備聚合物會(huì)導(dǎo)致兩者的相容性較差，表現(xiàn)在力學(xué)性能上將會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料強(qiáng)度較低、韌性較差，達(dá)不到高質(zhì)量聚合物基復(fù)合材料的要求[7]。如何提高聚合物/煤復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性，將是今后主要亟待解決的問(wèn)題。

鑒于煤作為填料，添加至聚合物中所帶來(lái)的一些優(yōu)異性能，故本課題主要研究?jī)?nèi)容如下：

（1）要研究無(wú)煙煤的酸浸改性，必須先了解無(wú)煙煤的微晶片層結(jié)構(gòu)特性。為此擬對(duì)如下內(nèi)容進(jìn)行研究：無(wú)煙煤的顆粒形貌的分析，無(wú)煙煤的粒度分布，無(wú)煙煤的接觸角分析等。

（2）酸浸處理：采用合適的酸對(duì)無(wú)煙煤進(jìn)行酸浸處理，研究酸浸條件對(duì)無(wú)煙煤的粒度分布、接觸角大小的影響。

（3）研究不同改性劑對(duì)無(wú)煙煤的粒度分布、堆積密度的影響。

（4）通過(guò)拉伸強(qiáng)度、定伸應(yīng)力、斷裂伸長(zhǎng)率、撕裂強(qiáng)度、硬度等的測(cè)量研究無(wú)煙煤填充丁苯橡膠的應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

95%的濃硫酸，工業(yè)級(jí)，開(kāi)封化學(xué)試劑廠；高速萬(wàn)能粉碎機(jī)粉碎后煤樣，山西朔州平朔煤礦；硬脂酸，分析純，重慶瑞聯(lián)化學(xué)試劑公司；KH-550，分析純，上海天虹化學(xué)試劑有限公司；KH-Si69，分析純，上海天虹化學(xué)試劑有限公司；六偏磷酸鈉，分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；無(wú)水乙醇分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；丁苯橡膠，工業(yè)級(jí)，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所；氧化鋅，化學(xué)純，天津市富宇化學(xué)試劑廠；硫磺，化學(xué)純，西安新瑞化學(xué)品公司；促進(jìn)劑NS，化學(xué)純，佛山新美瑞橡膠助劑有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

DF-101集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，北京科偉永興儀器有限公司；HZY-6型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，鞏義市實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；X(S)K-160型開(kāi)放式煉膠(塑)機(jī)，上海橡塑機(jī)械第一廠；ZWL-3型無(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀，天津市泰斯特儀器有限公司；KKY-230型電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，上海光地儀器設(shè)備有限公司；PHS-3C型pH測(cè)定儀，上海光學(xué)儀器有限公司；QM-3SP2行星式球磨機(jī)，優(yōu)德利有限公司；HF-2013型激光粒度分析儀，北京科偉永興儀有限公司器。

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.3.1 硫酸與水配比

按正確的方法把95%的濃硫酸稀釋成20%、40%、60%、80%的硫酸，經(jīng)計(jì)算得出配制20%的硫酸需要濃硫酸11.44 mL，水80 mL；40%硫酸需濃硫酸22.88 mL，水60 mL；60%硫酸需濃硫酸34.32 mL，水40 mL；80%硫酸需濃硫酸45.76 mL，水20 mL；然后讓稀釋好的硫酸降溫到常溫。待降到常溫，將50 g煤樣倒入500 mL燒杯里，讓硫酸把煤樣充分潤(rùn)濕，用玻璃棒攪拌均勻后開(kāi)始水浴加熱并計(jì)時(shí)。

稱(chēng)取50 g煤樣與配制好的100 g相應(yīng)濃度硫酸充分混合，放進(jìn)集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中，設(shè)置溫度為60℃，時(shí)間2 h。加熱到時(shí)間后，用水稀釋?zhuān)谘h(huán)水式真空泵上抽濾直到洗滌液至中性方可停止洗滌。從過(guò)濾設(shè)備上取下煤樣放入蒸發(fā)皿，把樣品和蒸發(fā)皿放入電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱烘干煤樣。

1.3.2 比表面積的定義及計(jì)算

1g多孔固體所具有的總表面積(包括外表面積和內(nèi)表面積)定義為比表面，以m2/g表示。粒子的比表面積(specific surface area)的表示方法根據(jù)計(jì)算基準(zhǔn)不同可分為體積比表面積Sv和重量比表面積Sw。

Sw，Sv分別為重量和體積比表面積，r為粒子真密度，dvs體積面積平均數(shù)徑。比表面積是表征粉體中粒子粗細(xì)的一種量度，也是表示固體吸附能力的重要參數(shù)。可用于計(jì)算無(wú)孔粒子和高度分散粉末的平均粒徑。粒子的比表面積形狀系數(shù)越接近于6，該粒子越接近于球體或立方體，不對(duì)稱(chēng)粒子的比表面積形態(tài)系數(shù)大于6。

1.3.3 無(wú)煙煤的改性

（1）硬脂酸濕法改性

稱(chēng)取60%硫酸酸浸2 h干燥后的無(wú)煙煤25 g與按照上述用量配置好的硬脂酸混合加入100 g水放入球磨罐中，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速為500 r/min，時(shí)間為4 h。

（2）硅烷KH-Si69濕法改性

稱(chēng)取60%硫酸酸浸2 h干燥后的無(wú)煙煤25 g與按照上述用量配置好的硅烷KH-Si69混合加入100 g水放入球磨罐中，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速為500 r/min，時(shí)間為4 h。

（3）硅烷KH-Si550濕法改性

稱(chēng)取60%硫酸酸浸2 h干燥后的無(wú)煙煤25 g與按照上述用量配置好的硅烷KH-Si550混合加入100 g水放入球磨罐中，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速為500 r/min，時(shí)間為 4 h。

（4）空白試驗(yàn)

稱(chēng)取60%硫酸酸浸2 h干燥后的無(wú)煙煤25 g，加水100 g混合加入球磨罐中，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速為500 r/min，時(shí)間為4 h。

1.3.4 復(fù)合材料制備

按照丁苯橡膠復(fù)合材料的配方，將改性無(wú)煙煤與丁苯橡膠進(jìn)行熔融共混，使無(wú)煙煤粉體在丁苯橡膠中達(dá)到均勻分散，從而制得納米復(fù)合材料，其制備過(guò)程：將丁苯橡膠在混煉機(jī)雙棍之間混煉10次；加硬脂酸，兩邊各做3次拉刀搗膠；加氧化鋅，兩邊各做3次拉刀搗膠；加促進(jìn)劑NS，兩邊各做3次拉刀搗膠；加無(wú)煙煤，兩邊各做3次拉刀膠；加硫磺，兩邊各做3次拉刀膠；取下膠料，將整輥膠豎著薄通6次；出片，稱(chēng)重；接著測(cè)其硫化時(shí)間，最后壓片，以便測(cè)其力學(xué)性能。

橡膠復(fù)合材料的實(shí)驗(yàn)配方(單位份)：丁苯橡膠200，改性無(wú)煙煤50，氧化鋅6，硬脂酸2，硫磺3.5，促進(jìn)劑NS 2。

1.3.5 測(cè)試指標(biāo)

復(fù)合材料力學(xué)性能采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，主要測(cè)試項(xiàng)目有：拉伸強(qiáng)度(GB/T528—98)，定伸應(yīng)力、硬度(170/10-15 MPa)，撕裂強(qiáng)度(GB/T529)，斷裂伸長(zhǎng)率等五項(xiàng)。

拉伸強(qiáng)度：在拉伸試驗(yàn)中，試樣直至斷裂為止所承受的最大拉伸應(yīng)力除以試樣橫截面積。

定伸應(yīng)力：在拉伸試驗(yàn)中，試樣定向伸長(zhǎng)到試樣長(zhǎng)度的200%、300%、500%時(shí)的最大力除以試樣橫截面積。

拉伸強(qiáng)度或定伸應(yīng)力按下式計(jì)算：

式中：σt為拉伸強(qiáng)度或定伸應(yīng)力，MPa；P為最大負(fù)荷或定向伸長(zhǎng)時(shí)最大力，N；b為試樣寬度，mm； d為試樣厚度，mm。

撕裂強(qiáng)度：在撕裂實(shí)驗(yàn)中，試樣直至撕裂所能承受的最大力除以試樣厚度。

斷裂伸長(zhǎng)率：在拉力作用下，試樣斷裂時(shí)標(biāo)線間距離的增加量與初始標(biāo)距之比(以百分率表示)。斷裂伸長(zhǎng)率按下式計(jì)算：

式中：εt為斷裂伸長(zhǎng)率，%；G0為試樣原始標(biāo)距，mm；G為試樣斷裂時(shí)標(biāo)線間距離，mm。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 硫酸濃度對(duì)無(wú)煙煤的粒度影響

如圖1、2所示，不同濃度下的硫酸在60℃水浴加熱條件下酸浸2 h，經(jīng)過(guò)酸浸后試驗(yàn)樣品的表面積比原煤比表面積都有所升高，隨著硫酸濃度的變化比表面積是逐漸降低又逐漸升高的變化過(guò)程，如表1所示在硫酸濃度為60%時(shí)結(jié)果比較優(yōu)良；同時(shí)，我們以從表格里看出，隨著硫酸濃度的變化，重量平均徑呈現(xiàn)先增加又逐漸減小又增加的變化過(guò)程，而硫酸濃度為60%的比表面積比原煤的大而且是所有樣品中比表面積最大的一個(gè)。即得出硫酸濃度為60%時(shí)的處理方法比較合理，將采用硫酸濃度為60%時(shí)進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

圖1 激光粒度測(cè)試?yán)塾?jì)區(qū)間頻率圖

表1 激光粒度測(cè)定結(jié)果

圖2 激光粒度測(cè)試?yán)塾?jì)區(qū)間頻率矩形圖

接著對(duì)樣品進(jìn)行接觸角測(cè)量，接觸角測(cè)量結(jié)果顯示如表2。

表2 60%硫酸酸浸結(jié)果

由表1和圖3接觸角綜合分析可知，試驗(yàn)采用硫酸濃度為60%效果較好，那么取這個(gè)濃度去做后續(xù)試驗(yàn)，以達(dá)到最佳條件。

圖3 接觸角測(cè)試圖

2.2 酸浸時(shí)間對(duì)無(wú)煙煤的粒度影響

經(jīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知60%濃硫酸處理的煤樣效果較好，那么接下試驗(yàn)將考慮到這個(gè)濃度下的不同時(shí)間對(duì)試驗(yàn)的影響。

由圖4、5所示，隨著時(shí)間的增加，酸浸后樣品的比表面積都是逐漸增加，達(dá)到2 h時(shí)取到最大值，之后隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，樣品比表面逐漸變小。

圖4 激光粒度測(cè)試?yán)塾?jì)區(qū)間頻率圖

圖5 激光粒度測(cè)試?yán)塾?jì)區(qū)間頻率矩形圖

產(chǎn)生上述結(jié)果的原因隨著30～120 min時(shí)間的變化比表面積逐漸增加，120 min前酸浸過(guò)程中樣品沒(méi)有徹底的反應(yīng)；過(guò)了120 min后，樣品反應(yīng)已經(jīng)結(jié)束，伴隨著不停攪拌和加熱導(dǎo)致部分顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象加劇，而且細(xì)微顆粒封死煤樣顆粒的細(xì)小空隙，導(dǎo)致煤樣的比表面積逐漸減小。

同時(shí)，對(duì)酸浸后的無(wú)煙煤樣品進(jìn)行接觸角測(cè)量，接觸角測(cè)量結(jié)果如圖6所示。

圖6 接觸角測(cè)量圖

綜合考慮粒度分析和接觸角測(cè)量?jī)煞矫嬉蛩兀贸鏊峤舛葹?0%的硫酸效果最佳，而酸浸時(shí)間為2 h是效果最好。

2.3 酸類(lèi)型對(duì)無(wú)煙煤的粒度影響

為了確定是否是60%硫酸酸浸無(wú)煙煤2 h是最好的方案，特選取酸含量相同的草酸和鹽酸進(jìn)行對(duì)比，首先確定草酸和硫酸的用量，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)過(guò)程考慮的是酸含量相同而不是酸濃度相同，其計(jì)算方法如下:草酸用量的確定:稱(chēng)量得出100 g 60%硫酸質(zhì)量為61.3 g，稱(chēng)取相同質(zhì)量的草酸也為61.3 g。

鹽酸用量的確定，實(shí)驗(yàn)室放置的鹽酸為體積分?jǐn)?shù)為32%，而硫酸體積分?jǐn)?shù)為95%，有前面計(jì)算知，60%硫酸所加95%硫酸的體積為34.32 mL，經(jīng)計(jì)算得出所需鹽酸體積為101.887 5 mL。

由表3和圖7、8分析可知，與60%硫酸酸含量相同的草酸和鹽酸與硫酸對(duì)比進(jìn)行試驗(yàn)，其比表面積明顯沒(méi)有60%的硫酸比表面積大，其中鹽酸比表面積最小，而重量平均徑和中位徑無(wú)太大差別，接觸角中依然是硫酸接觸角最大，因此可以斷定出用60%硫酸酸浸無(wú)煙煤將會(huì)取得最好的效果。

表3 不同類(lèi)型的酸浸無(wú)煙煤的激光粒度測(cè)試結(jié)果

圖7 激光粒度測(cè)試?yán)塾?jì)區(qū)間頻率圖

2.4 酸浸無(wú)煙煤的接觸角

當(dāng)液滴自由地處于不受力場(chǎng)影響的空間時(shí)，由于界面張力的存在而呈圓球狀。但是，當(dāng)液滴與固體平面接觸時(shí)，其最終形狀取決于液滴內(nèi)部的內(nèi)聚力和液滴與固體間的黏附力的相對(duì)大小。當(dāng)一液滴放置在固體平面上時(shí)，液滴能自動(dòng)地在固體表面鋪展開(kāi)來(lái)，或以與固體表面成一定接觸角的液滴存在，如圖9所示。

圖8 激光粒度測(cè)試?yán)塾?jì)區(qū)間頻率矩形圖

假定不同的界面間力可用作用在界面方向的界面張力來(lái)表示，則當(dāng)液滴在固體平面上處于平衡位置時(shí)，這些界面張力在水平方向上的分力之和應(yīng)等于零，即：

式中γS/A、γL/A、γL/A分別為固-氣、液-氣和固-液界面張力；θ為液體與固體間的界面和液體表面的切線所夾（包含液體）的角度，稱(chēng)為接觸角(contact angle)，θ在0o～180o之間。接觸角是反應(yīng)物質(zhì)與液體潤(rùn)濕性關(guān)系的重要尺度，θ=90o可作為潤(rùn)濕與不潤(rùn)濕的界限，θ＜90o時(shí)可潤(rùn)濕，θ＞90o時(shí)不潤(rùn)濕。

圖9 60%硫酸酸浸2 h的無(wú)煙煤接觸角圖

經(jīng)過(guò)測(cè)定：平朔無(wú)煙煤原煤：122.5°；60%硫酸酸浸2 h后接觸角：126°。即煤本身就是大分子有機(jī)物，有一定疏水能力，但是由于煤中含有一定的無(wú)機(jī)物及表面親水官能團(tuán)導(dǎo)致親水能力強(qiáng)。無(wú)煙煤經(jīng)過(guò)酸處理后，脫出一部分無(wú)機(jī)礦物質(zhì)，接觸角由122.5°升到126°，但要想無(wú)煙煤作為一種材料做有機(jī)復(fù)合物還得對(duì)其進(jìn)一步表面改性處理，使其更加疏水，從而更加親油以便改善與有機(jī)物的親和能力。

2.5 無(wú)煙煤掃描電鏡圖

圖10所示，左圖是原煤經(jīng)過(guò)破碎處理后的掃描電鏡的圖像，右圖是破碎后的如原煤經(jīng)60%的硫酸在60℃條件下浸泡2 h的掃描電鏡圖像。由圖可以看出，平朔無(wú)煙煤是一種煤化程度比較高的，在高煤化程度的無(wú)煙煤具有和石墨的類(lèi)似的片層結(jié)構(gòu)，即使破碎后的細(xì)煤粉并不是小顆粒狀，而是小片層。由左圖可看出無(wú)煙煤表面黏附了好多細(xì)的小片層，而且排列緊密，沒(méi)有明顯的孔隙結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)酸處理后(如右圖)，孔隙結(jié)構(gòu)明顯，比表面變大，表面附屬的小片層比較松散，而且經(jīng)過(guò)酸洗后無(wú)煙煤的亮度有很大提高，經(jīng)過(guò)酸浸過(guò)程能夠從無(wú)煙煤中脫出一大部分礦物質(zhì)。

圖10 60%硫酸酸浸與原煤對(duì)比掃描電鏡圖

2.6 懸浮液濃度對(duì)粒度影響

本改性方案是先確定改性過(guò)程中所需水和無(wú)煙煤最佳的含量，實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果分析如下：

首先確定水和煤的含量比：所需進(jìn)行比較的為水含量20%，水含量40%，水含量60%。

水含量20%確定方法為：25 g煤+100 g水。

水含量40%確定方法：50 g煤+75 g水。

水含量60%確定方法：75 g煤+50 g水。

稱(chēng)量完成后放入QM-3SP2行星式球磨機(jī)球磨2 h，其中所選球配比為中球:小球?yàn)?:6，球磨結(jié)束后用激光粒度測(cè)試儀測(cè)試不同水含量的煤樣的粒度分布。結(jié)果顯示如表4。

表4 激光粒度測(cè)試結(jié)果

由圖11分析可知，隨著含水量的增加，樣品比表面積逐漸降低，其中水含量為20%的無(wú)煙煤球磨后其比表面積最大，累計(jì)區(qū)間頻率最高，粒度最細(xì)，效果最好。

2.7 球磨時(shí)間對(duì)粒度影響

通過(guò)對(duì)比水含量為40%的無(wú)煙煤球磨2 h和4 h的結(jié)果顯示，數(shù)據(jù)分析如表5。

表5 激光粒度測(cè)試結(jié)果

圖11 不同懸浮液濃度的激光粒度測(cè)試?yán)塾?jì)區(qū)間頻率圖

由圖12分析可知，球磨4 h后其累計(jì)區(qū)間頻率最高，粒度最細(xì)，由表5分析可知，球磨4 h后比表積最大，因此選定球磨時(shí)間為4 h。

圖12 不同球磨時(shí)間的激光粒度測(cè)試?yán)塾?jì)區(qū)間頻率圖

2.8 改性無(wú)煙煤粒度分布

為了了解經(jīng)過(guò)球磨改性后樣品的粒度分布情況，了解細(xì)化后煤樣粒度能否滿足填充做有復(fù)合材料的要求，應(yīng)用rise-2008激光粒度分析儀來(lái)測(cè)試球磨后樣品的粒度分布情況，測(cè)試數(shù)據(jù)如表6。

表6 激光粒度測(cè)試結(jié)果

由表6可知，經(jīng)過(guò)改性后樣品比表面積均有所增加，其中硬脂酸濕法改性效果最好，由圖13、14可知，同樣硬脂酸累計(jì)區(qū)間頻率最高，粒度最細(xì)，又進(jìn)行堆積密度測(cè)試，其結(jié)果顯示硬脂酸改性后堆積密度比不經(jīng)改性的煤樣有所提高，其結(jié)果也顯示是硬脂酸改性效果最好。

球磨改性后煤樣粒度明顯提高，粒度越細(xì)其填充性能越好能夠滿足做橡膠填充的實(shí)驗(yàn)，另外在堆積密度測(cè)量實(shí)驗(yàn)中也表現(xiàn)出改性后的無(wú)煙煤具有更好的堆積密度，無(wú)煙煤經(jīng)過(guò)酸浸后，再進(jìn)行表面改性，通過(guò)化學(xué)表面處理可明顯消除顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象，顆粒粒度越大使無(wú)煙煤粉體得到高度分散，視密度大大降低。視密度與粉體粒度密相關(guān)，顆粒越小，其分散性越好。綜合上述兩個(gè)原因，得出無(wú)煙煤可以填充橡膠進(jìn)行試驗(yàn)。

圖13 不同改性劑球磨無(wú)煙煤的激光粒度測(cè)試?yán)塾?jì)區(qū)間頻率圖

圖14 不同改性劑球磨無(wú)煙煤的激光粒度測(cè)試?yán)塾?jì)區(qū)間頻率矩形圖

2.9 改性無(wú)煙煤對(duì)丁苯橡膠的增強(qiáng)

不同改性劑改性煤樣填充丁苯橡膠復(fù)合材料的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表7。

（1）拉伸強(qiáng)度：由圖15可知，改性煤填充橡膠比未改性煤填充橡膠所能承受的拉伸強(qiáng)度明顯增大，同時(shí)當(dāng)無(wú)煙煤填充橡膠之后其拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)比無(wú)填料的橡膠拉伸強(qiáng)度大，可見(jiàn)無(wú)煙煤填充橡膠完全改變了橡膠的力學(xué)性能。其中硅烷KH-69所能承受的拉伸強(qiáng)度最大。

（2）定伸應(yīng)力：定向伸長(zhǎng)200%、300%、500%所測(cè)的數(shù)據(jù)顯示始硅KH-69最大。

表7 試樣測(cè)試結(jié)果

（3）硬度：其變化不呈現(xiàn)一定的規(guī)律，但始終表現(xiàn)出無(wú)煙煤填充橡膠之后硬度增大，其中未改性煤樣的硬度要比KH-69和硬脂酸改性的硬度大，但沒(méi)有KH-550硬度大，但4個(gè)樣品差別不大。

（4）斷裂伸長(zhǎng)率：由表7及圖16可知，數(shù)據(jù)明顯表現(xiàn)出來(lái)無(wú)煙煤填充后遠(yuǎn)遠(yuǎn)比無(wú)填料的橡膠斷裂伸長(zhǎng)率要大很多，其中KH-69最大。

圖15 不同改性劑球無(wú)煙煤后填充橡膠拉伸強(qiáng)度

圖16 不同改性劑球磨無(wú)煙煤后填充橡膠斷裂伸長(zhǎng)率

（5）撕裂強(qiáng)度：數(shù)據(jù)并不顯示一定的規(guī)律，其中未改性煤樣的撕裂強(qiáng)度最大。

綜合上述分析結(jié)果，無(wú)煙煤填充丁苯橡膠要比為填料的橡膠在各個(gè)方面都表現(xiàn)出了優(yōu)良的性質(zhì)，同時(shí)改性后的無(wú)煙煤填充橡膠比未改性的無(wú)煙煤填充橡膠在力學(xué)性能方面表顯出優(yōu)良性質(zhì)。這可能是因?yàn)槊罕砻娴墓倌軋F(tuán)和低分子化合物的嵌布及多孔性有利于化學(xué)改性[8]；煤芳香大分子結(jié)構(gòu)的直接利用可避免煤熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程污染，提高煤利用效率；煤的芳香結(jié)構(gòu)可改善線性聚合物材料的強(qiáng)度和耐熱性[9～10]。因此，煤制聚合物復(fù)合材料，是簡(jiǎn)捷、低成本的煤潔凈高效利用途徑。

丁苯橡膠/無(wú)煙煤復(fù)合材料的制備應(yīng)用不僅提高了無(wú)煙煤的利用率、附加價(jià)值，也降低了生產(chǎn)成本，是一種高效經(jīng)濟(jì)的功能性材料。KH-69的改性提高了無(wú)煙煤片層分離，表面張力降低，親油性提高，促進(jìn)了煤粒子與丁苯橡膠的相容性，具有一定的強(qiáng)度，改善了丁苯橡膠的力學(xué)性能和加工性能。

3 結(jié)語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)研究為用無(wú)煙煤作為丁苯橡膠的有機(jī)填充中的應(yīng)用提供了有力的數(shù)據(jù)支持，改變了傳統(tǒng)對(duì)煤炭資源應(yīng)用的不合理性，避免環(huán)境的污染和資源的浪費(fèi)，而且還能大幅度降低聚合物基復(fù)合材料的物，改變了無(wú)機(jī)物填充有機(jī)物難以親和的特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)一系列的化學(xué)方法是無(wú)煙煤疏水能力增強(qiáng)，經(jīng)過(guò)細(xì)化后力度明顯達(dá)到微米級(jí)別。通過(guò)掃描電鏡，清晰的可以確定高度煤化程度的無(wú)煙煤具有和石墨類(lèi)似片層結(jié)構(gòu)，即使細(xì)化到一定程度，細(xì)微的無(wú)煙煤仍然是一個(gè)個(gè)的小片層。我們利用無(wú)煙煤的各種特性，盡可能的開(kāi)發(fā)新型復(fù)合功能材料。

對(duì)無(wú)煙煤粗碎后，用濃硫酸對(duì)其進(jìn)行酸浸處理，得出酸浸最佳適宜的條件是60%的濃硫酸在60℃水浴鍋加熱2 h，此時(shí)無(wú)煙煤的比表面積可達(dá)到7.732 m2/g。經(jīng)過(guò)酸浸后，采用不同的改性方法對(duì)無(wú)煙煤表進(jìn)行改性處理，以使得無(wú)煙煤對(duì)丁苯橡膠的親和能力加強(qiáng)。經(jīng)過(guò)對(duì)比，硅烷偶聯(lián)劑(KH-550)濕法改性用量為2.0時(shí)其堆積密度可達(dá)0.398，比酸浸后無(wú)煙煤相比分別提高了16.37%，可以看出經(jīng)過(guò)濕法改性之后無(wú)煙煤的疏水能力得到很大提高。

無(wú)煙煤經(jīng)過(guò)不同改性方法之后分別以10%填充丁苯橡膠，發(fā)現(xiàn)硅烷KH-69濕法改性的無(wú)煙煤填充10%比未改性無(wú)煙煤填充丁橡膠的性能得到了改善，拉伸強(qiáng)度提高了34.8%，斷裂伸長(zhǎng)率提高了14.8%

總之，本研究確定了無(wú)煙煤表面處理的方法為無(wú)煙煤在橡膠復(fù)合材料制備過(guò)程中降低了成本的，是煤潔凈高效利用的新途徑，為今后無(wú)煙煤在新材料方面的應(yīng)用具有一定意義的。

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