粉煤灰提取Al2O3及其改性聚丙烯的研究

董金虎

（陕西理工学院材料科学与工程学院，陕西 汉中723003）

粉煤灰提取Al2O3及其改性聚丙烯的研究

董金虎

（陕西理工学院材料科学与工程学院，陕西 汉中723003）

采用碱焙烧法从粉煤灰中提取Al2O3，将提取的Al2O3用于聚丙烯（PP）改性，并以市售Al2O3改性PP为参考，考察了Al2O3对PP力学性能及微观形态的影响。结果表明，提取的Al2O3改性PP的拉伸和冲击性能与市售Al2O3相当；当Al2O3含量增加到2%（质量分数，下同）时，PP的拉伸断面均由平整结构变为轻微的层状结构，此时拉伸和冲击性能达到最佳，拉伸强度提高了约6%、断裂伸长率提高了约23%、冲击强度提高了约14%；当Al2O3含量继续增加到5%时，层状结构更为明显，改性PP的冲击强度急剧下降。

粉煤灰；三氧化二铝；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点，近年来在建筑、化工、污水处理、农业生产等领域得到广泛应用，而且对粉煤灰的深度开发和利用还在不断进行中［1－2］。本研究以大唐略阳发电厂的粉煤灰为研究对象，该厂每年产生约100kt粉煤灰，Al2O3含量为15%～20%左右，具有提取利用价值。基于此，本研究采用碱焙烧法来提取Al2O3［3］，并将提取出的Al2O3用于PP树脂的改性研究。分别将提取的Al2O3和市售Al2O3与PP进行熔融共混，研究了Al2O3含量对PP拉伸、冲击性能的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料

PP粉料，KL0058－2002，中国克拉玛依石化公司；

Al2O3，分析纯，广东汕头市化学试剂厂；

粉煤灰，湿法细灰，大唐略阳发电厂；

Na2CO3，分析纯，天津市化学试剂三厂；

CaCO3，分析纯，西安中信精细化工有限责任公司；

H2SO4，分析纯，广东汕头市化学试剂厂；

NaOH 分析纯，天津市致远化学试剂有限公司；

硅烷偶联剂，KH－560，上海耀华化工厂；

无水乙醇，化学纯，西安三浦精细化工厂；

石蜡，化学纯，西安三浦精细化工厂。

1.2 主要设备及仪器

高温煅烧炉，YW－DSL，盐城市远威电热机械有限公司；

注塑机，SZ－100－40A，成都注塑机械厂；

循环水式真空泵，SHZ－Ⅲ，郑州科达机械仪器设备有限公司；

电热鼓风烘箱，101A－1，青岛科隆达仪器仪表有限公司；

计算机控制拉力试验机，LDS－20KN，长春市智能仪器设备有限公司；

机械式冲击试验机，JJ－22，长春市智能仪器设备有限公司；

热机械检测仪，RJY－1P，上海精密仪器仪表有限公司；

扫描电子显微镜（SEM），JSM－6390LV，日本JEOL公司。

1.3 样品制备

从粉煤灰中提取Al2O3：先将粉煤灰、Na2CO3和CaCO3按照5∶1∶1的质量比混合均匀，置于800℃的煅烧炉中煅烧1h，然后用NaOH稀溶液在80～90℃和pH值为12～13的条件下浸泡煅烧过的熟料2h以上，再用布氏漏斗和真空泵过滤掉残渣，用稀H2SO4将滤液的PH调节为6左右，静置2h以上，用布氏漏斗滤出白色絮状的Al（OH）3沉淀。最后将Al（OH）3沉淀经烘箱充分干燥除去水分后，在1000℃条件下的煅烧炉中煅烧1h，获得Al2O3；

Al2O3表面改性：分别对粉煤灰中提取的Al2O3和市售Al2O3进行表面改性，取Al2O3质量2%的硅烷偶联剂用无水乙醇稀释成稀溶液，均匀滴加到Al2O3中，在120℃条件下烘干1h，经充分研磨备用；

复合材料制备：以PP粉料为基准，加入1%的石蜡，然后分别按PP质量的0.5%、1%、2%、3%、5%加入2种经表面改性的Al2O3，充分混合均匀后，在室温下放置24h后进行性能测试。

1.4 性能测试与结构表征

拉伸强度及断裂伸长率按GB/T 1040.2—2006进行测试，哑铃形样条，拉伸速率为50mm/min；

冲击强度按GB/T 1843—1993进行测试，样条无缺口，尺寸为10mm×15mm×120mm，最大冲击能为22J；

SEM分析：对拉伸样品断面进行喷金，电子束电压为20kV，设置不同发大倍率观察样品断面微观形貌。

2 结果与讨论

2.1 粉煤灰提取Al2O3

用碱焙烧法提取Al2O3，其产率约为17%。Al2O3的结构以不规则片状为主，平均粒径为5～10μm，存在许多Al2O3颗粒的聚集体，使用前需要对Al2O3进行研磨处理，其SEM照片如图1所示。

图1 粉煤灰提取Al2O3的SEM照片Fig.1 SEM micrographs for Al2O3 component extracted from fly ash

在提取Al2O3过程中，Na2CO3和CaCO3的消耗量比较大，由于Na2CO3价格相对较高，从而成为Al2O3提取的一个重要经济指标。采用碱焙烧提取Al2O3法，在Al（OH）3析出后的溶质主要为NaOH和Na2SO4，加入石灰析出CaSO4沉淀后，得到较纯净的NaOH稀溶液。可以将处理所得的NaOH稀溶液重复用于浸泡煅烧熟料溶出铝酸钠，也可以将其浓缩，通入CO2得到Na2CO3后循环利用，Na2CO3的实际消耗量较容易控制在Al2O3提取量的15%以内。

2.2 Al2O3含量对PP力学性能的影响

从图2（a）可以看出，Al2O3用量从0增加到1%时，改性PP的拉伸强度有一定程度的提高，两种变化趋势也一致；Al2O3用量从1%增加到2%时，拉伸强度基本保持不变；但当Al2O3用量从2%增加到5%时，市售Al2O3改性PP的拉伸强度变化不大，而提取Al2O3改性PP的拉伸强度则呈下降趋势。从数据上看，Al2O3用量为1%～2%时，两种Al2O3改性PP的拉伸强度几乎相等，且均已经达到最佳值，相对纯PP提高了6%左右。

从图2（b）可以看出，经两种Al2O3改性后PP的断裂伸长率相当，Al2O3用量增加到1%时，伸长率都有较大的提高；Al2O3用量从1%增加到5%，PP的伸长率变化不大。从数据上看，Al2O3用量为1%～3%时，经两种Al2O3改性后的PP材料的伸长率相当，都达到了最佳值，相对纯PP提高了23%左右。

从图2（c）可以看出，当Al2O3用量从0增加到5%，两种Al2O3改性PP的冲击强度均呈先增大后减小趋势，且提取Al2O3改性PP的冲击强度好于市售Al2O3。提取Al2O3用量为2%～3%时，改性PP的冲击强度达到最大值，而市售Al2O3在用量为2%时，改性PP的冲击强度达到最大值。从数据上看，粉煤灰提取Al2O3改性PP的冲击强度总体好于市售Al2O3，且当Al2O3用量为2%～3%时，改性PP的冲击强度达到最佳值，相对纯PP提高了14%左右。

图2 Al2O3含量对PP力学性能的影响Fig.2 Effect of contents of Al2O3on mechanical properties of PP

2.3 Al2O3改性PP材料的微观结构

从图3可以看出，两种Al2O3对PP基体微观结构的影响一致，均是随着Al2O3含量的增加，PP基体断面由较为平整的结构逐渐转变为层状结构，而且分层程度随Al2O3的含量的增加而加大。可以发现，改性PP的拉伸强度、断裂伸长率、冲击强度在刚出现分层结构时有一定程度的提高，这是PP微观聚集结构被细微化的体现；而随着Al2O3含量的增加，分层程度加大，PP的韧性受到较大影响，冲击强度出现较大幅度下降。

图3 Al2O3改性PP拉伸断面的SEM照片Fig.3 SEM micrographs for tensile fracture surface of Al2O3modified PP

3 结论

（1）从粉煤灰中提取的Al2O3与市售Al2O3相比，在性能和微观结构上对PP改性的影响一致，证实了从粉煤灰中提取Al2O3的工艺方法可行；

（2）Al2O3用量从0.5%增加到2%时，改性PP的拉伸断面由较为平整的结构转变为轻微的层状结构，此时各项力学性能指标达到比较理想的值，Al2O3用量继续增加到5%时，层状结构的分层程度加大，冲击强度随之急剧下降；

（3）提取Al2O3用量为2%时，对PP树脂的改性效果最好，此时改性PP的拉伸强度提高了约6% 断裂伸长率提高了约23%、冲击强度提高了约14%。

［1］ 张士华，陈 光，崔 崇，等.玻璃纤维粉煤灰增强尼龙复合材料的制备与性能研究［J］.塑料工业，2009，（11）：21－24.

［2］ 杨明成，李召朋，宋卫东，等.废旧PE/木粉/粉煤灰复合材料的制备与辐射改性研究粉煤灰增强铸型聚酰胺复合材料的研究［J］.塑料工业，2010，（5）：12－15.

［3］ 冯圣生，陈 德，刘希泉.粉煤灰提取氧化铝的研究现状［J］.广州化工，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

联系人，dongjinhu＠126.com