超細粉煤灰在氯化聚乙烯膠管中的應用研究

李啟坤，李 莉，張 琪，郭晶晶，常 欣，靳偉強，田 清

（山東弘興白炭黑有限責任公司，山東 棗莊 277000）

1　粉煤灰的特性

1.1　粉煤灰的理化性質

粉煤灰是指在燃煤供熱、發電過程中，磨成一定細度的煤粉在煤粉爐中高溫燃燒后，由煙道氣帶出并經收塵器收集的粉塵。粉煤灰呈灰白色，主要化學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構。

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，這些玻璃體經過高溫煅燒儲藏了較高的化學能，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強性有很大影響，粒徑越小（能在橡塑基體中有效地分散），比表面積越大，表面效應越強，與基體作用越強，限制橡塑大分子運動的能力和承載效率也越高，對橡塑制品的補強性提高越大。

1.3　粉煤灰的主要特點

一是超細粉煤灰從易于造成環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的綠色環保、循環經濟產業政策；二是采用蒸汽動能磨對電廠粉煤灰進行超細粉碎，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，不產生任何污染；三是該產品具有近納米級超細顆粒度（D97為1 250目10μ m至2 500目5 μm），使其作為填充組分應用時能表現出非常優異的性能；四是粒徑在10 μm的超細粉煤灰替代輕鈣用于橡膠工業中，與輕鈣粉相比較，價格低廉，物理性能較優。

人們將超細粉煤灰產品作為填料在橡膠制品中與輕鈣做了應用性對比研究試驗。用作對比試驗的輕鈣的理化性質如下：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，超細粉煤灰粒徑比輕鈣稍細，由此分析，超細粉煤灰在橡膠中的應用效果應優于輕鈣。

張鴻波用改性后的粉煤灰添加到橡膠制品中，發現改性粉煤灰替代不超過50%的半補強炭黑時，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，橡膠的拉伸強度等各項指標均有所下降[1]。李寶智等選用沒有表面改性的超細粉煤灰、改性超細粉煤灰和半補強炭黑在相同的配方和工藝下作了對比試驗，改性超細粉煤灰添加到橡膠制品中可以起到一定的補強和交聯效果[2]。鄧名煊等對比了改性粉煤灰、半補強炭黑、通用炭黑和納米活性碳酸鈣在丁苯橡膠中的補強作用，結果發現粉煤灰直接用作填料不能起到補強作用[3]。李紅娟等介紹了粉煤灰的改性技術及其在橡膠、塑料中的應用，這些方面的應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性能，還能解決環境污染問題，具有良好的優勢和前景[4]。

2　試驗

2.1　原材料品牌及產地

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

2.2　主要儀器和設備

XK-160型煉膠機，無錫明達橡塑機械有限公司；T2000E非金屬拉力試驗機，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無轉子硫化儀，江蘇明珠試驗機械有限公司。

2.3　試驗配方

試驗配方如表1所示。硫化條件為150℃×60 min。

表1　CPE試驗配方

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力應變性能的測定》（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 壓入硬度試驗方法 第1部分：邵氏硬度計法（邵爾硬度）》（GB/T 531-2008）測試。

3　結果與分析

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，超細粉煤灰用于氯化聚乙烯橡膠中，與等比例使用輕質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，試驗膠硫化曲線的各項指標與平時生產等比例碳酸鈣用膠基本相同，這說明超細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

由測試結果可知，硫化試驗膠的硬度為76，比等比例使用碳酸鈣的成品高1度，因而與平時生產膠料基本無明顯變化。

3.1.4拉伸及扯斷

由表2可知，超細粉煤灰試驗膠和等比例使用碳酸鈣平時用膠的拉伸強度分別為7.6 MPa和6.9 MPa，處于平時生產用膠測試結果的上游水平，說明外膠中超細粉煤灰全部代替輕質碳酸鈣是可行的，并且使用超細粉煤灰試驗膠的拉伸性能較優。

3.1.5鋼絲抽出

超細粉煤灰試驗膠和等比例使用碳酸鈣平時用膠的鋼絲抽出值分別為117 N/根和96 N/根，結果表明超細粉煤灰等比例替代碳酸鈣以后，試驗膠與鋼絲表面黏合效果良好。

3.2　試驗膠管性能結果分析

3.2.1阻燃性能

利用超細粉煤灰等比例替代輕鈣后的試驗膠管的有焰燃燒時間為8 s，無焰燃燒為10 s（以不冒煙為判點），完全符合標準要求30 s以內，這說明超細粉煤灰作為填充材料用于膠管中，阻燃性能完全達標。

3.2.2抗靜電性能

本次試驗膠管的電阻的直接測試值為3.0×105Ω，小于標準要求值1.04×108Ω（該指標為計算值，數值為25×108Ω/膠管外徑mm），這說明超細粉煤灰作為填充材料用于膠管中，抗靜電性能完全達標。

3.2.3層間黏合性能

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

4　結論

超細粉煤灰作為填料，無論膠料還是膠管，各項性能均符合指標，優于使用碳酸鈣的測試數據。超細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異的性能。超細粉煤灰完全代替輕質碳酸鈣用于外膠的生產可以執行。通過一系列試驗來測試其應用效果，筆者認為，粉煤灰是一種優良的填充劑，可在橡膠制品中大力推廣使用。未來人們應繼續開發改性粉煤灰，以提高其在橡膠中的分散性，使其更好地發揮作用。