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煤填充高分子复合材料的研究

卢建军  
【摘要】:煤是复杂的网状大分子物质。传统煤利用途径由于需经热化学转化而普遍存在环境污染严重、利用效率低下的问题。以煤为原料制取化学品和材料越来越受到关注。直接利用煤的网状大分子结构,开发不经或少经热化学转化而直接利用的煤填充高分子复合材料新技术,是煤清洁、高效利用的新途径。而刚性粒子聚合物复合材料技术的快速进步,为直接利用煤的芳香大分子,制取煤填充高分子复合材料带来了新的机遇。 通过对煤进行闭环的超细粉碎分级,脱除部分挥发分、表面化学改性和强制排气式共混,制得了具有广泛用途、成本低廉的黑色煤粉填充聚烯烃母料,将该母料用于热塑性塑料,获得具有较好强度、韧性和优良电绝缘性能的复合材料,并在耐腐蚀管材、电缆料等产品中的初步应用。 以上述制备煤填充高分子新型材料的开发工作为载体,作者系统研究了煤的超细粉碎及性质、超细煤粉表面润湿性、煤表面傅-克烷基化 改性、超细煤粉/聚烯烃复合材料力学性能及增强增韧规律、煤填充高分子复合材料电性能等科学问题,并初步探讨了煤表面的在位聚合改性,获得如下主要结论: (1)煤的气流粉碎及旋风分离 三种不同煤阶煤样经闭环超细气流粉碎及两级旋风分级后,体积平均粒径分别达到约5.0μm和2.5μm,算术平均粒径可达亚微米级;煤岩组分及矿物质得到一定程度的解离,并在旋风分离过程中重新组合,使各粒径煤样的元素组成和工业分析结果发生明显变化。 (2)傅-克烷基化表面 改性 傅-克烷基化反应是不破坏煤的大分子整体结构却能改善其表面极性和降低表面张力的有效手段。 通过红外光谱分析和元素组成分析,对煤样在非强溶剂和无溶剂温和条件下的酸催化傅-克烷基化表面改性反应研究表明,煤表面芳香结构中傅-克反应可接枝的烷基数为0.5~2.3个/百个碳原子范围。 采用与烷基化具有相似机理但副反应较少的马来酸酐傅-克酰基化反应,通过元 摘要太原理工人学博卜学位论文 素分析和化学滴定考察煤芳香结构中傅一克反应的活性,结果表明,煤表面芳香结构 中傅一克反应活性位数量在0.06一0.56个/百个碳原子范围。 (3)超细煤粉及改性煤粉表面润湿性 采用了毛细管上升法测试煤粉表面润湿性。为了消除粉体颗粒粒径本身对测试结 果的影响,首次对超细煤样粉体层等效毛细管半径进行理论推导,得到改进的 Washburn方程: 12=竺三竺旦一里三一D‘ 伪~一,,才1_、尸、 ‘,llJ、i一占少 定义了润湿性指数A表征液体对煤的润湿性,其物理意义为ico、口,通过下式计 算得到。当粉体堆积密度相同时,A值越大,接触角越小,润湿性越好。 6(l一二b. A=二圣二‘一二二二k e£改D那 润湿性研究表明,超细粉碎使煤粉表面张力{降低,煤粉表面趋于亲油憎水; 偶联剂可有效改善超细煤粉的分散性,但对降低表面张力作用不明显;傅克烷基化表 面改性则有效地提高了煤样对正己烷、苯的润湿性。反相色谱法测试吸附焙结果表明, 煤样表面烷基化改性使吸附焙值降低,进一步证明了烷基化对煤样表面的改善作用。 (4)煤填充高分子复合材料力学性能 超细煤粉填充聚丙烯复合材料力学性能的研究结果表明,烟煤和无烟煤经过脱除 部分挥发分的预处理后,都可用于与塑料共混制备复合材料;偶联剂改性对低变质程 度烟煤/聚丙烯复合材料的力学性能基本不起改善作用,而对于经气流超细粉碎后的 小粒径高变质程度烟煤及无烟煤则有一定的增强作用;烷基化改性在煤表面接枝了烷 基,使平均粒径小于10林m的煤/聚丙烯复合材料拉伸屈服强度普遍提高,煤填充高 分子复合材料可在较高含煤量情况下维持良好的力学性能。 烷基化改性煤/聚丙烯复合材料在煤含量为20wt%时,复合材料的拉伸强度大于 24.OMPa,断裂伸长率大于100%,缺口冲击强度不小于8.okJ/mZ。 (5)煤填充高分子复合材料断裂韧性 采用更为科学的平面应力断裂韧性测试力一法表征了煤填充高分子复合材料的韧 J胜。超细煤粉填充聚丙烯复合材料平面断裂韧性的系统测试以及微观结构的观测表 太原理工大学博士学位论文摘要 明,煤填充聚丙烯复合材料在高煤含量情况下仍具备一定的韧性(当煤含量达50wt% 时,应力强度因子犬七仍能保持纯聚丙烯的50%左右);烷基化改性在煤样表面接枝 了长链的烷基,使粉煤/聚丙烯复合材料平面断裂韧性普遍提高。 烷基化改性煤填充聚丙烯复合材料在煤含量为ZOwt%时,平面断裂韧性凡c大于 3 .OMPa·ml尼。 (6)煤填充高分子复合材料电性能 煤填充聚合物复合材料只有克服无序相能垒和聚合物/煤颗粒相邻过渡区能垒, 达到一定的逾渗阂值,刁一‘有可能形成导体或半导体材料。 X射线衍射测试表明即使在高变质程度下煤中的石墨晶区含量仍较低,煤填充聚 合物复合材料电性能主要由基体材料性能决定, 通过动电容静电计对煤填充聚丙烯复合材料直流电导性研究表明,煤填充聚丙烯 复合材料是绝缘材料,其绝缘电阻在10’“弘cm以上,在高含量情况下,仍能保持良 好的绝缘性,而与煤种无关


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