董金虎

（陜西理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 漢中723003）

粉煤灰提取Al2O3及其改性聚丙烯的研究

董金虎

（陜西理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 漢中723003）

采用堿焙燒法從粉煤灰中提取Al2O3，將提取的Al2O3用于聚丙烯（PP）改性，并以市售Al2O3改性PP為參考，考察了Al2O3對(duì)PP力學(xué)性能及微觀形態(tài)的影響。結(jié)果表明，提取的Al2O3改性PP的拉伸和沖擊性能與市售Al2O3相當(dāng)；當(dāng)Al2O3含量增加到2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）時(shí)，PP的拉伸斷面均由平整結(jié)構(gòu)變?yōu)檩p微的層狀結(jié)構(gòu)，此時(shí)拉伸和沖擊性能達(dá)到最佳，拉伸強(qiáng)度提高了約6%、斷裂伸長(zhǎng)率提高了約23%、沖擊強(qiáng)度提高了約14%；當(dāng)Al2O3含量繼續(xù)增加到5%時(shí)，層狀結(jié)構(gòu)更為明顯，改性PP的沖擊強(qiáng)度急劇下降。

粉煤灰；三氧化二鋁；聚丙烯；改性

0 前言

粉煤灰含有 Al2O3、SiO2、Fe2O3、CaO 等主要成分，具有活性高、多孔以及富含微量元素等特點(diǎn)，近年來(lái)在建筑、化工、污水處理、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，而且對(duì)粉煤灰的深度開(kāi)發(fā)和利用還在不斷進(jìn)行中［1－2］。本研究以大唐略陽(yáng)發(fā)電廠的粉煤灰為研究對(duì)象，該廠每年產(chǎn)生約100kt粉煤灰，Al2O3含量為15%～20%左右，具有提取利用價(jià)值?；诖?，本研究采用堿焙燒法來(lái)提取Al2O3［3］，并將提取出的Al2O3用于PP樹(shù)脂的改性研究。分別將提取的Al2O3和市售Al2O3與PP進(jìn)行熔融共混，研究了Al2O3含量對(duì)PP拉伸、沖擊性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

PP粉料，KL0058－2002，中國(guó)克拉瑪依石化公司；

Al2O3，分析純，廣東汕頭市化學(xué)試劑廠；

粉煤灰，濕法細(xì)灰，大唐略陽(yáng)發(fā)電廠；

Na2CO3，分析純，天津市化學(xué)試劑三廠；

CaCO3，分析純，西安中信精細(xì)化工有限責(zé)任公司；

H2SO4，分析純，廣東汕頭市化學(xué)試劑廠；

NaOH 分析純，天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司；

硅烷偶聯(lián)劑，KH－560，上海耀華化工廠；

無(wú)水乙醇，化學(xué)純，西安三浦精細(xì)化工廠；

石蠟，化學(xué)純，西安三浦精細(xì)化工廠。

1.2 主要設(shè)備及儀器

高溫煅燒爐，YW－DSL，鹽城市遠(yuǎn)威電熱機(jī)械有限公司；

注塑機(jī)，SZ－100－40A，成都注塑機(jī)械廠；

循環(huán)水式真空泵，SHZ－Ⅲ，鄭州科達(dá)機(jī)械儀器設(shè)備有限公司；

電熱鼓風(fēng)烘箱，101A－1，青島科隆達(dá)儀器儀表有限公司；

計(jì)算機(jī)控制拉力試驗(yàn)機(jī)，LDS－20KN，長(zhǎng)春市智能儀器設(shè)備有限公司；

機(jī)械式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)，JJ－22，長(zhǎng)春市智能儀器設(shè)備有限公司；

熱機(jī)械檢測(cè)儀，RJY－1P，上海精密儀器儀表有限公司；

掃描電子顯微鏡（SEM），JSM－6390LV，日本JEOL公司。

1.3 樣品制備

從粉煤灰中提取Al2O3：先將粉煤灰、Na2CO3和CaCO3按照5∶1∶1的質(zhì)量比混合均勻，置于800℃的煅燒爐中煅燒1h，然后用NaOH稀溶液在80～90℃和pH值為12～13的條件下浸泡煅燒過(guò)的熟料2h以上，再用布氏漏斗和真空泵過(guò)濾掉殘?jiān)孟2SO4將濾液的PH調(diào)節(jié)為6左右，靜置2h以上，用布氏漏斗濾出白色絮狀的Al（OH）3沉淀。最后將Al（OH）3沉淀經(jīng)烘箱充分干燥除去水分后，在1000℃條件下的煅燒爐中煅燒1h，獲得Al2O3；

Al2O3表面改性：分別對(duì)粉煤灰中提取的Al2O3和市售Al2O3進(jìn)行表面改性，取Al2O3質(zhì)量2%的硅烷偶聯(lián)劑用無(wú)水乙醇稀釋成稀溶液，均勻滴加到Al2O3中，在120℃條件下烘干1h，經(jīng)充分研磨備用；

復(fù)合材料制備：以PP粉料為基準(zhǔn)，加入1%的石蠟，然后分別按PP質(zhì)量的0.5%、1%、2%、3%、5%加入2種經(jīng)表面改性的Al2O3，充分混合均勻后，在室溫下放置24h后進(jìn)行性能測(cè)試。

1.4 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率按GB/T 1040.2—2006進(jìn)行測(cè)試，啞鈴形樣條，拉伸速率為50mm/min；

沖擊強(qiáng)度按GB/T 1843—1993進(jìn)行測(cè)試，樣條無(wú)缺口，尺寸為10mm×15mm×120mm，最大沖擊能為22J；

SEM分析：對(duì)拉伸樣品斷面進(jìn)行噴金，電子束電壓為20kV，設(shè)置不同發(fā)大倍率觀察樣品斷面微觀形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 粉煤灰提取Al2O3

用堿焙燒法提取Al2O3，其產(chǎn)率約為17%。Al2O3的結(jié)構(gòu)以不規(guī)則片狀為主，平均粒徑為5～10μm，存在許多Al2O3顆粒的聚集體，使用前需要對(duì)Al2O3進(jìn)行研磨處理，其SEM照片如圖1所示。

圖1 粉煤灰提取Al2O3的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM micrographs for Al2O3 component extracted from fly ash

在提取Al2O3過(guò)程中，Na2CO3和CaCO3的消耗量比較大，由于Na2CO3價(jià)格相對(duì)較高，從而成為Al2O3提取的一個(gè)重要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。采用堿焙燒提取Al2O3法，在Al（OH）3析出后的溶質(zhì)主要為NaOH和Na2SO4，加入石灰析出CaSO4沉淀后，得到較純凈的NaOH稀溶液?？梢詫⑻幚硭玫腘aOH稀溶液重復(fù)用于浸泡煅燒熟料溶出鋁酸鈉，也可以將其濃縮，通入CO2得到Na2CO3后循環(huán)利用，Na2CO3的實(shí)際消耗量較容易控制在Al2O3提取量的15%以內(nèi)。

2.2 Al2O3含量對(duì)PP力學(xué)性能的影響

從圖2（a）可以看出，Al2O3用量從0增加到1%時(shí)，改性PP的拉伸強(qiáng)度有一定程度的提高，兩種變化趨勢(shì)也一致；Al2O3用量從1%增加到2%時(shí)，拉伸強(qiáng)度基本保持不變；但當(dāng)Al2O3用量從2%增加到5%時(shí)，市售Al2O3改性PP的拉伸強(qiáng)度變化不大，而提取Al2O3改性PP的拉伸強(qiáng)度則呈下降趨勢(shì)。從數(shù)據(jù)上看，Al2O3用量為1%～2%時(shí)，兩種Al2O3改性PP的拉伸強(qiáng)度幾乎相等，且均已經(jīng)達(dá)到最佳值，相對(duì)純PP提高了6%左右。

從圖2（b）可以看出，經(jīng)兩種Al2O3改性后PP的斷裂伸長(zhǎng)率相當(dāng)，Al2O3用量增加到1%時(shí)，伸長(zhǎng)率都有較大的提高；Al2O3用量從1%增加到5%，PP的伸長(zhǎng)率變化不大。從數(shù)據(jù)上看，Al2O3用量為1%～3%時(shí)，經(jīng)兩種Al2O3改性后的PP材料的伸長(zhǎng)率相當(dāng)，都達(dá)到了最佳值，相對(duì)純PP提高了23%左右。

從圖2（c）可以看出，當(dāng)Al2O3用量從0增加到5%，兩種Al2O3改性PP的沖擊強(qiáng)度均呈先增大后減小趨勢(shì)，且提取Al2O3改性PP的沖擊強(qiáng)度好于市售Al2O3。提取Al2O3用量為2%～3%時(shí)，改性PP的沖擊強(qiáng)度達(dá)到最大值，而市售Al2O3在用量為2%時(shí)，改性PP的沖擊強(qiáng)度達(dá)到最大值。從數(shù)據(jù)上看，粉煤灰提取Al2O3改性PP的沖擊強(qiáng)度總體好于市售Al2O3，且當(dāng)Al2O3用量為2%～3%時(shí)，改性PP的沖擊強(qiáng)度達(dá)到最佳值，相對(duì)純PP提高了14%左右。

圖2 Al2O3含量對(duì)PP力學(xué)性能的影響Fig.2 Effect of contents of Al2O3on mechanical properties of PP

2.3 Al2O3改性PP材料的微觀結(jié)構(gòu)

從圖3可以看出，兩種Al2O3對(duì)PP基體微觀結(jié)構(gòu)的影響一致，均是隨著Al2O3含量的增加，PP基體斷面由較為平整的結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閷訝罱Y(jié)構(gòu)，而且分層程度隨Al2O3的含量的增加而加大。可以發(fā)現(xiàn)，改性PP的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、沖擊強(qiáng)度在剛出現(xiàn)分層結(jié)構(gòu)時(shí)有一定程度的提高，這是PP微觀聚集結(jié)構(gòu)被細(xì)微化的體現(xiàn)；而隨著Al2O3含量的增加，分層程度加大，PP的韌性受到較大影響，沖擊強(qiáng)度出現(xiàn)較大幅度下降。

圖3 Al2O3改性PP拉伸斷面的SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM micrographs for tensile fracture surface of Al2O3modified PP

3 結(jié)論

（1）從粉煤灰中提取的Al2O3與市售Al2O3相比，在性能和微觀結(jié)構(gòu)上對(duì)PP改性的影響一致，證實(shí)了從粉煤灰中提取Al2O3的工藝方法可行；

（2）Al2O3用量從0.5%增加到2%時(shí)，改性PP的拉伸斷面由較為平整的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)檩p微的層狀結(jié)構(gòu)，此時(shí)各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)達(dá)到比較理想的值，Al2O3用量繼續(xù)增加到5%時(shí)，層狀結(jié)構(gòu)的分層程度加大，沖擊強(qiáng)度隨之急劇下降；

（3）提取Al2O3用量為2%時(shí)，對(duì)PP樹(shù)脂的改性效果最好，此時(shí)改性PP的拉伸強(qiáng)度提高了約6% 斷裂伸長(zhǎng)率提高了約23%、沖擊強(qiáng)度提高了約14%。

［1］ 張士華，陳 光，崔 崇，等.玻璃纖維粉煤灰增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料的制備與性能研究［J］.塑料工業(yè)，2009，（11）：21－24.

［2］ 楊明成，李召朋，宋衛(wèi)東，等.廢舊PE/木粉/粉煤灰復(fù)合材料的制備與輻射改性研究粉煤灰增強(qiáng)鑄型聚酰胺復(fù)合材料的研究［J］.塑料工業(yè)，2010，（5）：12－15.

［3］ 馮圣生，陳 德，劉希泉.粉煤灰提取氧化鋁的研究現(xiàn)狀［J］.廣州化工，2010，38（4）：23－24.

Research on Al2O3Component Extracted from Fly Ash Modified PP

DONG Jinhu
（Materials Science and Engneering，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723003，China）

Al2O3was extracted from fly ash via high－temperature alkali calcinations.The properties of PP containing such extracted Al2O3were compared with commercial PP/Al2O3composites.It showed that，the tensile and impact properties of PP/extracted Al2O3were similar to commercial composites.When the content of the extracted Al2O3increased to 2%，the microstructure of PP matrix changed from smooth structure to slight lamellar structure，and the tensile strength，elongation at break，and impact strength increased by 6%，23%，and 14%，respectively，based on neat PP.However，when the content of extracted Al2O3increased to 5%，the impact strength of PP decreased dramatically.

fly ash；aluminum oxide；polypropylene；modification

TQ325.1＋4

B

1001－9278（2011）12－0086－04

2011－08－04

聯(lián)系人，dongjinhu＠126.com