粉煤灰/聚丙烯復合材料制備及性能研究

柴淑媛，魏雅娟，曲金星

（華電電力科學研究院有限公司，浙江 杭州 310030）

引言

粉煤灰是煤粉在鍋爐中燃燒后副產(chǎn)物，因其火山灰效應、微集料效應、形態(tài)效應，在建筑建材領(lǐng)域具有廣泛的應用。雖然粉煤灰綜合利用率在逐年增加，由2001 年的63%提高至2018 年的74.9%[1]，但每年仍有大量粉煤灰無法利用，對大氣、水體、土壤造成污染，破壞人類的生態(tài)環(huán)境。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，粉煤灰綜合利用除了利用量大、技術(shù)成熟的水泥和混凝土等建材應用方向[2-7]，現(xiàn)新增了石油壓裂支撐劑[8-11]、環(huán)境保護[12-16]、橡塑填料[17-20]等方面的應用。

聚丙烯（PP）是重要的通用塑料，具有耐化學腐蝕、良好的高耐磨及加工性能等優(yōu)點，其來源豐富、性價比優(yōu)越，在家電、日用品、汽車等各個領(lǐng)域都得到了廣泛的應用。但由于PP 在使用中熱穩(wěn)定性、力學性能較差，大大限制了它的應用領(lǐng)域。填充改性是聚丙烯的重要改性手段之一，不僅可以大大降低材料成本，且可以顯著改善聚丙烯的性能擴大使用范圍。

本研究首先制備了未改性/改性粉煤灰PP 復合材料，并評估了未改性/改性粉煤灰及粉煤灰填量對復合材料力學性能、熱變形溫度及表面形貌的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

硅烷偶聯(lián)劑（KH550），南京曙光化工集團有限公司；

聚丙烯（PP），2203T，揚子石化公司；

無水乙醇，上海凌峰化學試劑有限公司；

復合抗氧劑，B215，南京華立明科工貿(mào)有限公司；

芥酸酰胺，南京華立明科工貿(mào)有限公司；

實驗中所用粉煤灰來自某電廠，外觀呈深灰色，微觀形貌如圖1 所示，粉煤灰呈光滑的球狀，通過X 熒光分析得到粉煤灰主要組成成分如表1 所示。

圖1 粉煤灰微觀形貌

表1 粉煤灰主要組成成分

1.2 實驗儀器及設(shè)備

高速混合機，SHR-10A，張家港市米亞格機械科技有限公司；

雙螺桿擠出機，TE-35，南京科亞化工裝備有限公司；

注塑機，CJ80M3V，震德塑料機械有限公司；

擺錘沖擊試驗儀，UJ-4，承德試驗機械廠；

熱形變溫度儀，ETM-DHVT302A，深圳萬測試驗設(shè)備有限公司；

萬能材料試驗機，CMT-5254，深圳SANS 公司；

掃描電子顯微鏡，TESCAN VEGA3 LM，泰思肯貿(mào)易（上海）有限公司；

X 射線熒光光譜儀，ZSXPrimusIIX，株式會社理學Rigaku Corporation。

1.3 樣品制備

粉煤灰活化處理：將KH550 與無水乙醇按1：1 混合配成溶液，多次逐滴加入置于高速混合機內(nèi)的粉煤灰中，充分混合30min，出料得到活化粉煤灰。

PP/粉煤灰復合材料的制備：將0%、10%、20%、30%、40%、50%的粉煤灰分別與PP 混合。將原料由雙螺桿熔融擠出造粒，粒料烘干后采用注塑機對粒料進行注塑成型，最終制得測試標準樣條，標準樣條在80℃烘箱中退火4h 后在室溫下放置24h 后進行性能測試。

1.4 性能測試與表征

拉伸性能按GB1040.2-2006《塑料 拉伸性能的測定第2 部分：模塑和擠塑塑料的試驗條件》測試，拉伸速率為10mm/min；彎曲性能按GB/T 9341-2008《塑料彎曲性能的測定》測試，彎曲速率為2mm/min；沖擊性能按GB/T 1843-2008《塑料懸臂梁沖擊強度的測定》測試；熱變形溫度按照GB/T 1634.2-2006《塑料彎曲負載熱變形溫度試驗方法》測定。采用掃描電子顯微鏡觀察樣品微觀形貌；采用X 射線熒光光譜儀分析粉煤灰組成成分。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 粉煤灰對復合材料力學性能影響

2.1.1 拉伸強度

由圖2 可以觀察到隨著未活化粉煤灰含量的增加，復合材料的拉伸強度呈下降趨勢，當不添加粉煤灰時，復合材料的拉伸強度為38.2MPa，添加10%未活化粉煤灰時，拉伸強度稍有上升，達到38.5MPa，說明適當?shù)姆勖夯姨盍喜挥绊憦秃喜牧系睦鞆姸?；粉煤灰含量繼續(xù)增加時，拉伸強度下降，但當粉煤灰灰含量大于20%時，活化粉煤灰復合材料的拉伸強度高于未活化粉煤灰復合材料，當粉煤灰含量達到50%時，活化粉煤灰復合材料的拉伸強度比未活化粉煤灰復合材料高4.7%。

圖2 不同粉煤灰/PP 復合材料拉伸強度

2.1.2 彎曲強度

由圖3 可以看出，當不添加粉煤灰時，復合材料的彎曲強度為31.6MPa，繼續(xù)添加未活化粉煤灰到20%時，彎曲強度達到32.1MPa，添加50%未活化粉煤灰，彎曲強度下降到29.8MPa，適當?shù)姆勖夯姨盍蠈秃喜牧系膹澢鷱姸扔绊懖淮?。隨著活化粉煤灰含量的增加，復合材料的彎曲強度呈一直上升趨勢，含量為50%時，彎曲強度高達37.1MPa，比未填充粉煤灰復合材料和未處理粉煤灰復合材料的彎曲強度分別提高了17.4%和24.5%。

2.1.3 缺口沖擊強度

圖3 不同粉煤灰/PP 復合材料彎曲強度

圖4 不同粉煤灰/PP 復合材料沖擊強度

圖5 不同粉煤灰/PP 復合材料熱變形溫度（1.8MPa）

由圖4 可以看出，復合材料的缺口沖擊強度隨著粉煤灰含量的增加而降低，未添加粉煤灰時復合材料的缺口沖擊強度為26kJ/m2，填充10%未活化/活化粉煤灰的復合材料缺口沖擊強度分別為8.9kJ/m2和13.8kJ/m2，填充50%未活化/活化粉煤灰的復合材料缺口沖擊強度分別為2.6kJ/m2和5.3kJ/m2，粉煤灰活化后復合材料的缺口沖擊強度提高了104%。

2.2 粉煤灰對復合材料熱變形溫度的影響

從圖5 可以看出，粉煤灰的加入可以大大提高復合材料的熱形變溫度，當彎曲應力為1.8MPa，不添加粉煤灰時，復合材料的熱形變溫度為58.6℃，隨著粉煤灰含量的增加，熱變形溫度升高，當粉煤灰含量為50%時，未活化粉煤灰復合材料和活化粉煤灰復合材料的熱變形溫度分別達到66.4℃和74.4℃，比不添加粉煤灰的熱形變溫度分別提高了13.3%和27.0%，且未活化粉煤灰復合材料熱變形溫度比活化粉煤灰復合材料熱變形溫度升高了12.0%。

2.3 粉煤灰對復合材料微觀形貌的影響

由圖6 可以看出不同填充量未活化/活化粉煤灰在PP 中的分布情況。粉煤灰填充量為10%時，活化/未活化粉煤灰在材料中分散均勻，因此對于復合材料的各項性能影響較小。當填充量達到50%時，粉煤灰密集的分散在基體中，活化粉煤灰在材料中分散較均勻，但未活化粉煤灰顆粒有明顯的團聚現(xiàn)象。由于PP 是非極性聚合物，具有憎水性，且它與大多無機填料間相容性差，填充體系界面難于形成較好的粘結(jié)[21-22]，因此，對粉煤灰進行改性可以使粉煤灰均勻分散并與PP 更好的結(jié)合，減小高填充量對復合材料的影響。

3 結(jié)論

圖6 不同粉煤灰/PP 復合材料斷面形貌

（1）添加10%未活化粉煤灰時，對復合材料的拉伸強度和彎曲強度影響不大，當粉煤灰含量超過20%時，復合材料的力學性能不斷下降。說明適當?shù)姆勖夯姨盍蠈秃喜牧系睦鞆姸群蛷澢鷱姸扔绊懖淮?。當粉煤灰活化后，各項性能均?yōu)于未活化粉煤灰，當粉煤灰含量達到50%時，活化粉煤灰/PP 復合材料的拉伸強度、彎曲強度、沖擊強度分別比未活化粉煤灰/PP 復合材料高4.7%、24.5%、104%。

（2）粉煤灰的加入可以提高復合材料的熱形變溫度，當粉煤灰含量為50%時，未活化粉煤灰復合材料和活化粉煤灰復合材料的熱變形溫度分別達到66.4℃和74.4℃，比不添加粉煤灰的熱形變溫度分別提高了13.3%和27.0%，且活化粉煤灰復合材料熱變形溫度比未活化粉煤灰復合材料熱變形溫度升高了12.0%。

（3）粉煤灰填充量為10%時，活化/未活化粉煤灰在材料中分散均勻，因此對于復合材料的各項性能影響較小。當填充量達到50%時，未活化粉煤灰顆粒有明顯的團聚現(xiàn)象。對粉煤灰進行改性可以使粉煤灰均勻分散并與PP 更好的結(jié)合，減小高填充量對復合材料的影響。