葉 蘭，李寒旭*，滕艷華

(1.安徽理工大學(xué)灰化學(xué)實驗室，安徽 淮南 232000；2.安徽理工大學(xué) 材料工程學(xué)院，安徽 淮南 232000)

氣化飛灰是由煤氣化反應(yīng)產(chǎn)物、未反應(yīng)物及其冷凝物聚集而成的不規(guī)則的細(xì)小顆粒物[1]。粉煤灰是氣流床和流化床燃燒產(chǎn)生的，是煤在富氧條件下燃燒產(chǎn)生的。而氣化爐飛灰則是煤氣化過程中在還原性氣氛中產(chǎn)生，所以飛灰中炭的反應(yīng)性和硅鋁酸鹽礦物的特性不同，活性不同[2]。近年來由于其產(chǎn)量逐漸增加，若不加以回收利用，既會造成資源浪費，又會形成垃圾堆放，不僅影響環(huán)境，同時還會阻礙氣化飛灰的資源化利用進(jìn)程[2]，因此，如何更有效地利用氣化飛灰顯得日趨迫切。

袁新強等[4]以粉煤灰為功能填料，Mg(OH)2為阻燃劑，制備出的PMMA/粉煤灰/Mg(OH)2復(fù)合材料隔熱性能顯著提高，并有效地降低了生產(chǎn)成本。Ananthu.M等[5]利用貝殼納米顆粒中含有的磷酸鈣具有抗腐蝕性，將其作為填材料，制備了PMMA/貝殼類生物復(fù)合材料，有效地提高了該生物復(fù)合材料的硬度和耐磨性。Bruna Rosa Rrado等[6]利用有機改性蒙脫土成功制備出一種PMMA納米復(fù)合材料，該材料比純PMMA的紫外可見透光率降低了4.5%左右。Feng Wang等[7]利用ZrO2多孔基體的孔隙率及微觀結(jié)構(gòu)對材料的力學(xué)性能有所改善，制備了機械性能良好 的ZrO2/PMMA多孔復(fù)合材料。

本文選用的氣化爐氣化飛灰與燃煤電廠粉煤灰的化學(xué)組成相似，主要SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3等，但同時，氣化飛灰比一般粉煤灰具有更小的粒徑，比表面積大、晶體與非晶體含量差距較大等特征，且氣化飛灰中同樣含有的大量玻璃微珠以及化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點[8]，能夠很好地作為聚合物的一種填充材料。本文利用粉煤氣化爐所產(chǎn)生的氣化飛灰含有玻璃微珠的球形形貌特征，可作為一種聚合物的填充物，制備了一種與聚合物耦合性良好的氣化飛灰/PMMA復(fù)合材料。

2 實驗部分

2.1 主要試劑

鹽酸，分析純，上海振企化學(xué)試劑有限公司；

MMA單體溶液，分析純，阿拉丁試劑網(wǎng)；

AIBN，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-570，鼎海塑膠化工；

無水乙醇，分析純，上海試劑一廠綜合經(jīng)營公司；

氣化飛灰，產(chǎn)自云南某氣化爐；

硬脂酸，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

2.2 主要設(shè)備及儀器

震機式標(biāo)準(zhǔn)振篩機，ZBSX-92A，紹興市拓展儀器有限公司；

磁選管，CXG/90A，煤炭科學(xué)研究總院唐山研究院；

超聲波清洗機，JP-030S，深圳市潔盟清洗設(shè)備有限公司；

恒溫水浴鍋，HH-1，金壇市城東新銳儀器廠；

掃描電鏡，日本電子JSM-6490LV；

X射線衍射儀，MSAL XD-3，北京普析通用有限公司。

2.3 樣品制備

氣化爐氣化飛灰處理：首先將該氣化飛灰通過振篩機進(jìn)行篩選，選取200目以下飛灰再進(jìn)行磁選，選取未經(jīng)磁化的飛灰，利用1mol/LHCl進(jìn)行酸處理，水洗至中性后烘干，利用硅烷偶聯(lián)劑KH-570對飛灰進(jìn)行改性，以無水乙醇為溶劑，在超聲波清洗機中超聲30min，烘干備用。

PMMA復(fù)合材料的制備：在超聲波清洗機中，將PMMA預(yù)聚合料與改性后氣化飛灰以一定比例充分混和。

注塑成型：將上述混合漿料緩慢注入干凈的玻璃模具中，在60℃水浴鍋中恒溫3h，再升至80℃，保溫約40min，待模具內(nèi)漿料逐漸變粘后，將其取出，置于60℃烘箱中保溫6h，即可成型。

2.4 性能測試及結(jié)構(gòu)表征

XRF分析：氣化飛灰的灰成分采用XRF-1800射線熒光分析儀進(jìn)行分析，測試條件為：測量時間100s，管壓9kV，管流150μA。

SEM分析：樣品的表觀形貌采用日本電子JSM-6490LV掃描電子顯微鏡(SEM-EDX)進(jìn)行分析，測試條件為：加速電壓為0.5～30kV，放大倍率為1.35kx。

XRD圖譜分析：樣品的礦物組成由MSAL SD-3型多晶X-射線粉末衍射儀(XRD)分析，測試條件為：Cu靶，36kV，30mA。

3 結(jié)果與討論

3.1 XRF灰化學(xué)組成分析

樣品SiO2Al2O3Fe2O3CaOSO3K2OTiO2Na2OMgOP2O5云南飛灰44.2418.607.626.893.271.381.210.880.350.15

對于飛灰的灰化學(xué)組成分析可得，飛灰中的硅鋁和為62.84%，鈣鋁比為0.44，歸一化后，鋁含量占總體的21.99%。

3.2 SEM分析

圖1 氣化飛灰/PMMA復(fù)合材料

圖2 PMMA純樣

圖1、圖2分別為氣化飛灰/PMMA復(fù)合材料和PMMA純樣斷裂處的SEM圖片，從上述兩圖對比可看出，PMMA純樣斷裂處平滑，裂痕為利器切割時導(dǎo)致；而添加了氣化飛灰的復(fù)合材料斷面不僅變得粗糙，且大部分球形微珠被PMMA所包覆，不僅如此在球形微珠與PMMA之間還生成了線狀網(wǎng)絡(luò)，通過硅烷偶聯(lián)劑的作用，飛灰中有效組分與PMMA能夠成功耦合，形成了無機-有機-復(fù)合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，復(fù)合效果加強。

3.3 XRD圖譜分析

圖3 PMMA純樣與添加10%飛灰/PMMA復(fù)合材料XRD圖

選取氣化飛灰/PMMA復(fù)合材料樣與純PMMA樣進(jìn)行分析，由上圖可知，純PMMA樣以高分子，即有機相為主，無明顯特征峰，即為無定型的非晶相；添加飛灰的復(fù)合材料XRD圖譜中出現(xiàn)了兩個明顯的特征衍射峰，分別處于2θ=30°～33°及2θ=45°～47°之間，根據(jù)Jade6.0軟件中的pdf卡片對比，檢索出該物相為Al2O3礦物質(zhì)，證明飛灰中能與PMMA耦合的有效成分為Al2O3，即Al-O無機相有效地與有機相耦合，同時證實上述SEM圖中的變化。

4 結(jié)論

(1)氣化飛灰/PMMA復(fù)合材料中，改性后的飛灰其內(nèi)含的球形微珠能很好地被包覆在PMMA中，同時XRD圖譜分析中，證實了飛灰與PMMA成功耦合的關(guān)鍵組成成分為Al2O3。

(2)氣化飛灰與PMMA耦合成功為該復(fù)合材料后續(xù)的性能改善提供理論基礎(chǔ)。