柴淑媛，魏雅娟，曲金星

（華電電力科學(xué)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(yīng)、微集料效應(yīng)、形態(tài)效應(yīng)，在建筑建材領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)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(yīng)用方向[2-7]，現(xiàn)新增了石油壓裂支撐劑[8-11]、環(huán)境保護(hù)[12-16]、橡塑填料[17-20]等方面的應(yīng)用。

聚丙烯（PP）是重要的通用塑料，具有耐化學(xué)腐蝕、良好的高耐磨及加工性能等優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)用。但由于PP 在使用中熱穩(wěn)定性、力學(xué)性能較差，大大限制了它的應(yīng)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(kuò)大使用范圍。

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

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

硅烷偶聯(lián)劑（KH550），南京曙光化工集團(tuán)有限公司；

聚丙烯（PP），2203T，揚(yáng)子石化公司；

無水乙醇，上海凌峰化學(xué)試劑有限公司；

復(fù)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備

高速混合機(jī)，SHR-10A，張家港市米亞格機(jī)械科技有限公司；

雙螺桿擠出機(jī)，TE-35，南京科亞化工裝備有限公司；

注塑機(jī)，CJ80M3V，震德塑料機(jī)械有限公司；

擺錘沖擊試驗(yàn)儀，UJ-4，承德試驗(yàn)機(jī)械廠；

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

萬能材料試驗(yàn)機(jī)，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(xué)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(jī)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(fù)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(jī)對粒料進(jìn)行注塑成型，最終制得測試標(biāo)準(zhǔn)樣條，標(biāo)準(zhǔn)樣條在80℃烘箱中退火4h 后在室溫下放置24h 后進(jìn)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(yàn)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(qiáng)度的測定》測試；熱變形溫度按照GB/T 1634.2-2006《塑料彎曲負(fù)載熱變形溫度試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 粉煤灰對復(fù)合材料力學(xué)性能影響

2.1.1 拉伸強(qiáng)度

由圖2 可以觀察到隨著未活化粉煤灰含量的增加，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度呈下降趨勢，當(dāng)不添加粉煤灰時，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為38.2MPa，添加10%未活化粉煤灰時，拉伸強(qiáng)度稍有上升，達(dá)到38.5MPa，說明適當(dāng)?shù)姆勖夯姨盍喜挥绊憦?fù)合材料的拉伸強(qiáng)度；粉煤灰含量繼續(xù)增加時，拉伸強(qiáng)度下降，但當(dāng)粉煤灰灰含量大于20%時，活化粉煤灰復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度高于未活化粉煤灰復(fù)合材料，當(dāng)粉煤灰含量達(dá)到50%時，活化粉煤灰復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度比未活化粉煤灰復(fù)合材料高4.7%。

圖2 不同粉煤灰/PP 復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度

2.1.2 彎曲強(qiáng)度

由圖3 可以看出，當(dāng)不添加粉煤灰時，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度為31.6MPa，繼續(xù)添加未活化粉煤灰到20%時，彎曲強(qiáng)度達(dá)到32.1MPa，添加50%未活化粉煤灰，彎曲強(qiáng)度下降到29.8MPa，適當(dāng)?shù)姆勖夯姨盍蠈?fù)合材料的彎曲強(qiáng)度影響不大。隨著活化粉煤灰含量的增加，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度呈一直上升趨勢，含量為50%時，彎曲強(qiáng)度高達(dá)37.1MPa，比未填充粉煤灰復(fù)合材料和未處理粉煤灰復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度分別提高了17.4%和24.5%。

2.1.3 缺口沖擊強(qiáng)度

圖3 不同粉煤灰/PP 復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度

圖4 不同粉煤灰/PP 復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度

圖5 不同粉煤灰/PP 復(fù)合材料熱變形溫度（1.8MPa）

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

2.2 粉煤灰對復(fù)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(fù)合材料的熱形變溫度，當(dāng)彎曲應(yīng)力為1.8MPa，不添加粉煤灰時，復(fù)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(dāng)粉煤灰含量為50%時，未活化粉煤灰復(fù)合材料和活化粉煤灰復(fù)合材料的熱變形溫度分別達(dá)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(fù)合材料熱變形溫度比活化粉煤灰復(fù)合材料熱變形溫度升高了12.0%。

2.3 粉煤灰對復(fù)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(fù)合材料的各項(xiàng)性能影響較小。當(dāng)填充量達(dá)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(tuán)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(jī)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(jìn)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(fù)合材料的影響。

3 結(jié)論

圖6 不同粉煤灰/PP 復(fù)合材料斷面形貌

（1）添加10%未活化粉煤灰時，對復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度影響不大，當(dāng)粉煤灰含量超過20%時，復(fù)合材料的力學(xué)性能不斷下降。說明適當(dāng)?shù)姆勖夯姨盍蠈?fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度影響不大。當(dāng)粉煤灰活化后，各項(xiàng)性能均優(yōu)于未活化粉煤灰，當(dāng)粉煤灰含量達(dá)到50%時，活化粉煤灰/PP 復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度分別比未活化粉煤灰/PP 復(fù)合材料高4.7%、24.5%、104%。

（2）粉煤灰的加入可以提高復(fù)合材料的熱形變溫度，當(dāng)粉煤灰含量為50%時，未活化粉煤灰復(fù)合材料和活化粉煤灰復(fù)合材料的熱變形溫度分別達(dá)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(fù)合材料熱變形溫度比未活化粉煤灰復(fù)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(fù)合材料的各項(xiàng)性能影響較小。當(dāng)填充量達(dá)到50%時，未活化粉煤灰顆粒有明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象。對粉煤灰進(jìn)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(fù)合材料的影響。