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粉煤灰机械研磨中物理与机械力化学现象的研究

王晓钧  
【摘要】:自八十年代以来,机械力化学在研究物质被施加机械能量时的化学性质和化学反应等方面的变化中有了一定的发展,从研究的对象、机械粉碎的方法和研究分析手段三方面取得了进步。 在对粉煤灰研究和应用不断深入和广泛的前提下,本研究应用机械力化学的原理,探讨粉煤灰机械粉碎中的一些物理和化学现象的变化。采用粒度分析、热分析、扫描电镜技术,尤其是采用核磁共振及高分辨魔角旋转核磁共振新技术等先进的手段探讨这些变化,将研究结果应用到其它的新材料或者正在发展的新领域。 论文对粉煤灰和机械力化学研究进行了综合阐述,包括粉煤灰的基本性质、粉煤灰的应用和细化粉煤灰的措施。在对机械力化学的发展、应用领域进行简要的表述的同时,将机械力化学同粉煤灰结合在一起讨论,从中可以看出:在国内外对粉煤灰机械力化学的研究中,对机械作用引起的粉煤灰热学性质的变化,特别是对机械研磨过程中粉煤灰的微观结构研究尚未有报道。 在选定了粉煤灰的灰种、确定了研磨的机械和研磨的条件和分析方法后,本研究工作得到的主要结果和结论如下: 对不同的研磨条件——包括不同的研磨机械、干湿条件、恒温与非恒温、研磨时不同的料:球:水比例等作用于粉煤灰的实验结果,得出上述条件对粉煤灰密度、颗粒粒径和粉煤灰表面的影响。 实验的数据表明:1.研磨机械本身的机械作用力大,粉煤灰经研磨后的密度变大、颗粒粒径变小。2.研磨产生的热效应是细小颗粒“团聚”的原因之一。这可以从恒温和非恒温条件下的结果比较出:在恒温条件下粉煤灰颗粒粒径随研磨时间的延长仍然在减小。机械作用力足够大时,可以克服研磨热效应的影响。3.在湿法研磨条件下,颗粒的形貌与干法条件下细小颗粒的独立分布形式不同,碎小的粒子附在大颗粒的表面,各种颗粒之间相互连接,是一种絮状现象。论文指出水介质与粉煤灰形成氢键,能够促使粉煤灰在湿磨条件下被磨碎并且容易分散于水中。 在对研磨粉煤灰进行的DTA分析中证实:随着研磨的进行,粉煤灰中吸附 水释放、石英的相变、碳的氧化和碳酸钙的分解的温度均有所降低,论文从物理 化学的角度对其中机理进行了解释。 对研磨后的粉煤灰中[5104]4一四面体的聚合状态进行了三甲基硅烷化分析、固 体27AI和2951的一维(ID)和二维(ZD)核磁共振研究。这是对机械研磨的粉 煤灰首次采用固体核磁共振进行研究。研究结果显示:粉煤灰中的4配位铝氧多 面体结构和6配位铝氧多面体铝结构在机械研磨过程中发生了变化:另一方面, 粉煤灰中的硅氧多面体铝结构以4配位结构存在,它在机械研磨过程中只出现微 小的变化。研究还显示:粉煤灰在长时间的研磨后,颗粒的“团聚”现象从NMR 实验分析是:粉煤灰中被机械研磨变形的6配位铝氧多面体由单一环境结构重新 转化为多样化环境结构。这些新的研究结果对探讨其它硅酸盐材料的碱激发活化 和结构变化起到借鉴作用。 论文中首次对粉煤灰进行的二维多量子魔角旋转核磁共振(ZD MQMAS NMR)研究清楚表明:4配位铝氧多面体结构具有三种存在形式;6配位铝氧多 面体铝结构原先在粉煤灰中有两种形式,经过机械研磨出现另一种结构变异形 式。NMR研究中出现的这种结构上的不同,反映在SEM上则是对应的干法和湿 法研磨后粉煤灰样品的形貌不同。 为将粉煤灰和研磨的粉煤灰得到有效的利用,试验将研磨的粉煤灰掺入到树 脂基复合材料中作为一般性填料使用。得到了添加前后树脂胶液的粘度变化、放 热峰温度变化、胶凝时间的变化、弯曲强度的变化和耐酸碱腐蚀性能等工艺性能 的变化规律。随粉煤灰掺入量的增加树脂胶液的粘度升高;放热峰温度降低;胶 凝时间延长;弯曲强度也降低。 实验得到掺有统灰的树脂复合材料制品的弯曲强度高于掺有一级灰的树脂 复合材料制品的弯曲强度。通过SEM观察可以看到:一级灰中的玻璃微珠与树 脂结合出现清晰的界面,研磨后的统灰与树脂则形成弥散性的界面。研究认为这 是制品强度变化的原因。 首次把HRjMAS NMR新技术用于固体和液体样品的研究。对固化后的树脂 进行的HR/MAS NMR实验的谱图中发现有侧基化或聚合度降低或树脂交联度降 低的尖锐谱峰出现。分析认为:添加粉煤灰后的制品的弯曲强度的下降,是树脂 中出现了侧基化现象或者由于粉煤灰的阻聚作用使得线形不饱和聚脂聚合度降 低或交联度降低,聚合的结点减少,最终导致复合材料制品的弯曲强度下降。 研究中开拓的H侧MAS NMR方法己经开始成功地应用于生物谷氨酸、橡胶 制品新型涂层、石化工业固体催化剂活性变化、抗骨癌新药研制、活体生物细胞 变异、纳米材料包覆水和毛竹炭化催化剂等领域或样品的研究,解释了其中谷氨 酸的聚合形式、涂层的存在、催化剂的中毒等问题。


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