高品质粉煤灰的开发及使用途径研究
吴华雄 马远沿 邓 超 孟林珍 湖北省电力试验研究所,湖北 武汉 430077
塑料制品中一般都加入一些无机或有机的填充剂,它们可以改善制品的成型加工性能,提高塑料制品的某些质量指标,降低制品成本。在国外,从70年代初开始从粉煤灰中提取空心微球作为塑料制品的填充剂,并在多种材料中得到成功的应用;70年代末美国科研人员开始成功地用磨细(或分选)的粉煤灰作为聚丙烯塑料的填充剂,并取得良好的效果。80年代开始,我国科研人员研究用粉煤灰填充聚氯乙烯塑料制品,也取得了成功。 本文重点研究从普通粉煤灰中分选出高品质的超细粉煤灰,并利用它作为聚乙烯塑料的填充剂进行试验研究,在此基础上,企望试生产出用粉煤灰填充的合格的聚乙烯落水管;该研究一方面可以开拓粉煤灰综合利用的途径,另一方面也可以大大降低生产聚乙烯管的生产成本,具有很大的经济效益和环境效益。
1 粉煤灰化学组成对填充塑料的影响
粉煤灰能否用作塑料的填料,首先决定它的化学性质;即粉煤灰的存在,不应使塑料在加工、使用过程中的性能恶化。 根据调查和分析常用填充剂和粉煤灰的化学组成,得知:(1)粉煤灰的化学组成和塑料、橡胶工业传统所用的填充剂如陶土、滑石粉、增强剂玻璃纤维等相似,其中SiO2、Al2O3占大多数,其余为Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、SO3等,此外,还含有的其他微量元素。(2)粉煤灰的化学性质取决于煤的品种、产地、煤粉的细度、燃烧方式和温度,粉煤灰的收集和排灰方式等。粉煤灰的化学组成及其波动范围如下:
SiO2
40%~60%
Al2O3
20%~30%
Fe2O3
4%~10%(高者15%~20%)
CaO
2.5%~7%(高者15%~20%)
MgO
0.5%~2.5%(高者5%)
Na2O+K2O
0.5%~2.5%
SO3
0.1%~1.5%(高者4%~6%)
烧失量
3.0%~30%
根据粉煤灰的化学组成,通过分析研究其对填充塑料性能的影响主要有如下几种情况: (1) 粉煤灰中存在的硫有两类存在方式,一类是可溶性盐,如碱金属的硫酸盐以及MgSO4等;过量的可溶性盐会导致塑料的微裂或疏松,影响材料的持久性;另一类是粉煤灰中的硫化物,主要是FeS和CaS,在常温并存在水中的情况下,硫化物极易水解,并伴随着体积膨胀,影响塑料制品的耐久性,并腐蚀设备。 (2) 粉煤灰的烧失量主要是未燃尽的碳。这种未燃炭多数是以多孔的焦炭或半焦炭与煤的混合体存在,具有较大的吸水能力,因此,它的存在不仅影响制品的外观,而且增加了它的吸水率。所以,对粉煤灰中炭的含量应有控制,一般建议控制在<2%~4%。 (3) 原材料如果含水量高会使塑料制品失光起泡,严重时会发脆。因此,塑料制品在加工制造过程中,都要严格控制原材料的含水量,一般要求在0.5%以下。粉煤灰经过干燥处理后能够满足要求。 (4) 粉煤灰中含有的过渡金属元素是可能会引起塑料的催化降解,但根据研究资料表明:氧化铁含量在3.8%~11.9%,并不影响塑料的加工;至于其它微量元素对塑料热性能的影响,由于分离和测定的困难,不易对其作出评价,因此为安全起见建议在塑料中添加抗氧化剂。
2 粉煤灰物理性质对填充塑料的影响
常见塑料填料主要考虑下列物理性能:比重、视比容、硬度、比表面积(细度)、吸油量(ml/100 g)、形状等。考虑这些性能主要是为了保证加工性能和制品的性能。球形颗粒比其他形状颗粒的填充剂具有更优的性能。 对于粉煤灰在其他性能满足的情况下,主要考虑细度和形状。而大部分燃煤发电厂的粉煤灰都是以不规则形状和球形两种形态存在,一般球形颗粒占50%以上,经过分选或球磨的细粉煤灰其球形颗粒可达90%以上。粉煤灰本身所具有的物理性质表明其是一种比较好的塑料填充剂。
3 高品质粉煤灰(超细灰)的分选
根据国内外的研究资料介绍,粉煤灰作为塑料的填充剂,其质量主要有细度、颗粒的形状、SO3的含量、烧失量、含水量等来反映,其中最重要的是粉煤灰颗粒大小的分布及颗粒的形状。因此,在粉煤灰其化学组成能够满足作为塑料填充剂要求的情况下,我们主要研究其颗粒的粒径大小及形状的分布情况。现采集某厂电除尘的干灰混合样,其化学组成如表1所示,物理特性见表2所示。
表1 粉煤灰的化学成分 单位:%
项目
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
烧失量(850℃)
SO3
含量
49.77
27.69
10.57
4.86
1.17
3.26
0.77
表2 粉煤灰的物理特性
含水量 /%
比 重 /g.cm-3
容 重 /kg.m-3
比表面积 /cm2.g-1
筛余量/[1] [2] [3] [4] 下一页
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