粉煤灰纖維的制造與應(yīng)用

周秀苗，丁建礎(chǔ)

(河南煤業(yè)化工集團(tuán)研究院，河南鄭州 450046)

粉煤灰是燃燒煤炭或煤粉后產(chǎn)生的灰和渣，是一種大小不等、形狀不規(guī)則的粒狀體，主要由硅鋁玻璃、微晶礦物顆粒和未燃盡的殘?zhí)课⒘ＫM成，其化學(xué)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(dá)2億余噸。即使在電廠節(jié)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(xiàn)在的3倍左右［1］。隨著能源需求量的增加，粉煤灰的產(chǎn)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(huán)境保護(hù)的一個重要課題。但是目前粉煤灰的綜合應(yīng)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(dá)到了70%～80%;因此根據(jù)粉煤灰的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)性能，將其深加工轉(zhuǎn)化成高價值的超細(xì)無機(jī)纖維，進(jìn)而利用纖維實現(xiàn)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(huán)境保護(hù)的一項重要任務(wù)。

1 超細(xì)無機(jī)纖維的制備

國內(nèi)外的研究與實踐已證明，玻璃纖維、玄武巖纖維等無機(jī)纖維，均可用于特種紙的生產(chǎn)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(guān)注，并進(jìn)行了一些研究與探索。例如:南京新源天公司經(jīng)過近十年努力，在國內(nèi)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(xué)陳建定等［2］也對粉煤灰纖維項目進(jìn)行了長期的研究，得到的粉煤灰超細(xì)纖維，具有纖維長、手感柔軟的特點，攻克了目前多數(shù)礦棉企業(yè)所遇到的生產(chǎn)工藝和產(chǎn)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(jīng)預(yù)壓成型為塊狀原料后，投入沖天爐中熔融，并將其以細(xì)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(dá)到節(jié)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(tài)，因此在傳送帶網(wǎng)下利用吸風(fēng)機(jī)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(xì)纖維賦予了粉煤灰超細(xì)纖維的功能性，提高了粉煤灰的應(yīng)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(yīng)用

2.1 在造紙方面的應(yīng)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(jìn)口的發(fā)展中大國。顯而易見，依托消耗資源和進(jìn)口遠(yuǎn)不能滿足我國國民經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展和人民生活水平不斷提高對造紙業(yè)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(yōu)良的諸多優(yōu)點，處理后具有較好的親和力。可用于制造特種用途紙張，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(jù)加量的多少和紙品的區(qū)別，可節(jié)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(yōu)點，并且產(chǎn)品具有保色、柔度持久、光感等表面性能穩(wěn)定的特點，沒有輻射的危害。

河南煤業(yè)化工集團(tuán)與河南大通公司合作成立的焦作銀興特纖科技發(fā)展公司年產(chǎn)3萬t粉煤灰超細(xì)無機(jī)纖維紙漿生產(chǎn)線于2010年5月建成投產(chǎn)，生產(chǎn)的纖維紙漿經(jīng)造紙廠使用獲得成功，產(chǎn)生良好的社會環(huán)境效益和明顯的企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。另外，廈門市榕薪環(huán)保設(shè)備有限公司在實驗室研究開發(fā)成果的基礎(chǔ)上，已與鄭州特種紙廠、杭州特種紙廠、武安市紙業(yè)有限公司工業(yè)紙機(jī)上成功的配抄造出文化紙、工業(yè)包裝紙和高強(qiáng)復(fù)合紙袋紙。在后續(xù)研究開發(fā)中，已使無機(jī)纖維文化紙定量保持在45 g的標(biāo)準(zhǔn)，而且已把白度提高到85%，塵埃度降低到了50，已達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)，在成功的抄造出以上紙品的基礎(chǔ)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(qū)粉煤灰纖維紙漿項目，目前正式建成投產(chǎn)，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(chǎn)生40萬t粉煤灰，大量的粉煤灰直接填埋，不僅導(dǎo)致環(huán)境污染，占用寶貴的土地資源，同時每年產(chǎn)生工業(yè)垃圾的處理費用達(dá)1 200萬元。將粉煤灰生產(chǎn)成纖維用于造紙，既解決煤渣環(huán)境保護(hù)問題，又能節(jié)省木材和水資源［6］。據(jù)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(yīng)用

2.2.1 多功能FA板

由南京新源天節(jié)能技術(shù)實業(yè)有限公司、南京歐源科技公司合作已經(jīng)開發(fā)出一種利用粉煤灰纖維棉生產(chǎn)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(jīng)過梳棉工藝加工成6～20 mm的粒狀棉，再加入相應(yīng)的添加劑，經(jīng)過烘干、加壓、定型等數(shù)十道工序后，加工成高強(qiáng)度的FA標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)裝飾板等，也可以用于汽車、火車、輪船的內(nèi)部裝飾［7］。經(jīng)測算，建一個年產(chǎn)30萬m2的多功能FA板廠，可節(jié)約2 400畝森林24年的木材產(chǎn)量。

2.2.2 纖維棉半硬板鋼絲網(wǎng)三維復(fù)合板

它是將粉煤灰纖維棉疏松打短，加入填料、黏接劑、發(fā)泡劑、防水劑后經(jīng)模具成型，高溫烘干成為輕質(zhì)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(wǎng)中片中焊接為固定的三維空間網(wǎng)架，中間填充輕質(zhì)坯板，制成粉煤灰纖維棉鋼絲網(wǎng)三維復(fù)合板［8］。此種復(fù)合板具有輕質(zhì)、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(yīng)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(shè)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(jìn)行改性，對混凝土的穩(wěn)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(jìn)行表面處理，其方法為:將有機(jī)酸加入到加熱的無水乙醇中，攪拌使之完全溶解，得到有機(jī)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(jī)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(shù)制備的粉煤灰纖維增強(qiáng)改性瀝青，與未增強(qiáng)改性的瀝青相比，其沖擊強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度提高50% ～500%。焦作銀興特纖科技發(fā)展有限公司已將該技術(shù)應(yīng)用于實踐中，使制得的改性瀝青產(chǎn)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(yù)先制備施工料，亦可現(xiàn)場調(diào)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(fù)合瀝青料，研究結(jié)果表明，海泡石纖維對瀝青表現(xiàn)出極強(qiáng)的吸持能力，能有效調(diào)節(jié)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(wěn)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(fù)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(yīng)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(jī)填料，可提高制品的耐熱性、耐磨性、尺寸穩(wěn)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(yīng)用于塑料、橡膠等領(lǐng)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(yīng)用于聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯等領(lǐng)域。在聚氯乙烯生產(chǎn)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(yīng)用于酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯等領(lǐng)域。粉煤灰在橡膠工業(yè)中的應(yīng)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(yè)化生產(chǎn)的實現(xiàn)，粉煤灰纖維的應(yīng)用已不局限于傳統(tǒng)意義上降低成本的作用。作為一種低成本、高強(qiáng)度和高剛性的粉煤灰纖維，它能在聚合物中起到增強(qiáng)增韌的作用。徐元等［12］采用偶聯(lián)劑和軟化劑對粉煤灰纖維進(jìn)行表面預(yù)處理，由于粉煤灰纖維預(yù)處理采用的偶聯(lián)劑為有活性的硅烷偶聯(lián)劑，它既能與粉煤灰纖維形成有化學(xué)鍵作用的界面，又能與聚氯乙烯發(fā)生烷基化反應(yīng)，從而使粉煤灰纖維棉與聚氯乙烯之間具有較強(qiáng)的界面作用力。實驗結(jié)果表明，經(jīng)偶聯(lián)劑和軟化劑聯(lián)合處理的復(fù)合材料，其沖擊強(qiáng)度提高約70%，拉伸強(qiáng)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(lián)劑對粉煤灰纖維進(jìn)行預(yù)處理，制備粉煤灰纖維/NR復(fù)合材料，并對其性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明，采用鋁鋯偶聯(lián)劑對粉煤灰纖維預(yù)處理能夠改善纖維和橡膠基體界面的結(jié)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(fù)合材料的物理性能和絕緣性能。

另外，粉煤灰纖維棉熱傳導(dǎo)系數(shù)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(chǎn)品。隨著工業(yè)的長期開發(fā)和使用，天然礦產(chǎn)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(xì)纖維，賦予其纖維的功能，同時由于粉煤灰具有輕質(zhì)、隔聲、保溫、隔熱、防火等優(yōu)良的性能，從而擴(kuò)寬其應(yīng)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(hù)環(huán)境方面和降低生產(chǎn)成本方面都具有非常廣闊的利用前景。

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