粉煤灰提取玻璃微珠及其填充...氧树脂泡沫复合材料性能试验_成奖国.pdf

33第 17 卷 第 4 期2022 年 12 月贵阳学院学报（自然科学版）（季刊）JOURNAL OF GUIYANG UNIVERSITY Natural Sciences（Quarterly）Dec.2022Vol.17No.4摘 要：粉煤灰中的玻璃微珠系火力发电厂煤粉经高温燃烧后产生的中空球形圆珠体，是很好的二次资源。采用重选和磁选等分选方法可对粉煤灰中的玻璃微珠进行提取回收，可得其中的漂珠、磁珠和沉珠，三种微珠总含量占粉煤灰总量的 66.75%。将提取的空心玻璃微珠作为环氧树脂的填充剂制备了泡沫复合材料，发现材料的拉伸强度和断裂应变、密度和压缩强度等均随玻璃微珠含量增加而减小，试验条件下复合材料拉伸强度最低为 10.6 MPa，密度最低为 0.88 g/cm3，压缩强度最低为 34.2 MPa；复合材料的吸水率随着玻璃微珠体积含量的增加呈现先缓慢增加后急剧上升的变化趋势。关键词：粉煤灰；玻璃微珠；环氧树脂；复合材料中图分类号：TD98 文献标识码：A 文章编号：1673-6125（2022）04-0033-04Glass Beads Collection from Fly Ash and Its Properties Experiment on Filling Epoxy Resin Foam CompositeCHENG Jiang-guo1，2，XIE Fei1，2，ZHANG Song3（1.Mining College，Guizhou University，Guiyang 550025，Guizhou，China;2.Guizhou University Guizhou Key Laboratory of Comprehensive Utilization of Nonmetallic Mineral Resources，Guiyang 550025，Guizhou，China;3.Bijie Big Data Industry Development Center，Bijie 551700，Guizhou，China）Abstract:Glass beads in fly ash are hollow spherical beads produced by high-temperature combustion of pulverized coal in thermal power plants，which are good secondary resources.The glass beads in fly ash can be collected and recovered by gravity separation and magnetic separation，and the total content of floating beads，magnetic beads and settling beads accounts for 66.75%of the total amount of fly ash.Foam composites were prepared by using the collected hollow glass beads as the filler of epoxy resin.The results indicate that the tensile strength，breaking strain，density and compressive strength of the composites decreased with the increase of the content of glass beads.Under the experimental conditions，the tensile strength of the composites is as low a 10 MPa，the density is 0.88 g/cm3，and the compressive strength is 40 MPa;With the increase of the glass bead volume content，the water absorption of the composites increases slowly at first and then increased sharply.Key words:Fly ash；Glass beads；Epoxy resin；Composite粉煤灰提取玻璃微珠及其填充环氧树脂泡沫复合材料性能试验成奖国1，2，谢 飞1，2，张 松3（1.贵州大学 矿业学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州大学 贵州省非金属矿综合利用重点实验室，贵州 贵阳 550025；3.毕节市大数据产业发展中心，贵州 毕节 551700）收稿日期2022-08-20基金项目教育部“春晖计划”项目“从粉煤灰中提取玻璃微珠作聚合物增强填料的研究”（项目编号：Z2006-1-52003）作者简介成奖国，男，陕西武功人，讲师、博士。主要研究方向：矿物加工及矿物材料。粉煤灰的主要来源为火力发电厂。粉煤灰综合利用领域主要集中在制造水泥、筑路、混凝土集填料、建筑墙体材料以及回收金属元素等方面1。研究和分析发现，电厂粉煤灰内含有较大量的未燃尽碳粒和高附加值微珠体（各类空心玻璃微珠），这些微珠体是煤粉在煤粉炉高温燃烧过程中，无机矿物（如高岭石、伊利石等）熔化后在其表面张力作用下自然收缩成液滴，经高速流动的气体冷却后自然形成的，粉煤灰微珠在显微镜下一般呈玻璃质，珠体内部可形成一定量的晶体物DOI:10.16856/ki.52-1142/n.2022.04.02234贵阳学院学报（自然科学版）（季刊）17 卷质，同时由于玻璃体内部包裹有残存气体，从而使微珠呈空心状。存在于粉煤灰中的玻璃微珠是一种很好的二次资源，主要有漂珠、磁珠和沉珠三种，可对其进行分离和加工，用于塑料工业和隔音、保温隔热以及海洋作业漂浮材料等领域填充剂。自 20 世纪90 年代以来，学者们对从粉煤灰中分选和回收玻璃微珠进行了大量研究工作2-7，提出的玻璃微珠分选方法主要是借助传统的物理分选技术，包括重力分选、浮选以及磁选等。本文就从粉煤灰中提取玻璃微珠及其在环氧树脂泡沫复合材料中的初步应用进行研究。1 粉煤灰中玻璃微珠的提取1.1 试验原料试验所用粉煤灰来源于贵阳某火力发电厂，其化学成分见表 1。表 1 粉煤灰化学组成成分SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOK2O 烧失量含量（%）56.2125.645.262.582.062.361.15 图 1 粉煤灰中的球形微珠图 1 为粉煤灰中的玻璃微珠显微镜照片。从图中明显可以看出，粉煤灰中存在大量的球形微珠，以及附着在珠体表面的无定型颗粒。1.2 粉煤灰中玻璃微珠的分选粉煤灰中的玻璃微珠根据密度和性质主要分为漂珠、沉珠和磁珠三类，其中漂珠顾名思义就是密度小于 1 g/cm3的微珠，相对于密度大于 1 g/cm3的沉珠和磁珠而言，能够漂浮于水面上；磁珠富含Fe2O3和 Fe3O4，具有铁磁性。因此，可根据各类微珠的特性，分别选用重选、浮选以及磁选等工艺对其进行分类提取和回收。本试验首先选用普通自来水作为分选介质对粉煤灰进行粗选。称取 500g 原料粉煤灰放在大烧杯中，从烧杯底部注入自来水，并进行搅拌使粉煤灰颗粒充分悬浮，经沉降后用特制筛滤捞取上层的悬浮物；重复 5 次搅拌、沉降和捞取漂珠的操作，直至水面再无漂浮物。将捞取的漂珠进行抽滤和烘干，称重，最终得到漂珠质量为 0.85 g，表明粉煤灰中漂珠的含量极少，仅为 0.17%。采用自来水粗选后的悬浮液中富含具有铁磁性的磁珠，可采用磁选的方法进行分选。试验采用永磁体对自来水粗选后的粉煤灰悬浮液进行反复分选，将其中的含铁磁珠选出来。通过磁选得到的磁珠进行干燥、称重，质量为 118.56g，可得粉煤灰中磁珠含量为 23.71%。提取完漂珠和磁珠后的粉煤灰中主要剩余有沉珠、少量碳粒和杂质等，经浮选脱碳后，采用摇床进行分选。试验中使用实验室型 1000450 mm 摇床进行试验。给料尽可能连续均匀，使分带清楚。根据分带情况，接取中间产品，作为沉珠，抽滤、烘干，称重为 214.35 g，可知粉煤灰中沉珠含量为 42.87%。玻璃微珠总含量为 66.75%。1.3 粉煤灰中玻璃微珠的元素分析对从粉煤灰中所提取的各类玻璃微珠的化学组成进行分析，结果见表 2。从表中可以看出，不同类型的微珠类型，其化学成分存在明显的差异，如漂珠中 SiO2和 Al2O3的含量大于沉珠，而Fe2O3、CaO、MgO 的含量则又低于沉珠；磁珠化学成分主要以 Fe2O3为主，且 CaO 和 MgO 含量稍高。表 2 粉煤灰中提取的各种玻璃微珠的主要化学成分（%）珠体类型SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgO漂珠48.2826.565.6011.561.28磁珠26.6514.8535.1012.152.10沉珠45.8623.106.7512.852.35354 期成奖国等 粉煤灰提取玻璃微珠及其填充环氧树脂泡沫复合材料性能试验2 玻璃微珠在环氧树脂泡沫复合材料中的应用玻璃微珠/环氧树脂复合材料由中空玻璃微珠和树脂基体组成，树脂基体中的玻璃微珠在材料受力时能阻止裂纹的扩展，最终使环氧树脂的力学性能提高。玻璃微珠/环氧树脂复合材料因其优异的机械强度，较高的热稳定性，较低的热导率，优良的损伤容限等复合材料理想性能，而成为研究的热点8-9。将试验中提取的空心玻璃微珠（主要为沉珠）用于填充环氧树脂，制备玻璃微珠/环氧树脂泡沫复合材料，并测定了复合材料的拉伸性能和压缩性能。2.1 玻璃微珠/环氧树脂泡沫复合材料的制备首先使用硅烷偶联剂 KH550 对从粉煤灰中所提取的玻璃微珠进行湿法表面改性，将适量硅烷偶联剂和玻璃微珠加入到质量分数为 90%的无水乙醇水溶液中，于 65下进行磁力搅拌h，然后进行抽滤、干燥和分散。然后取改性玻璃微珠（质量分数为 5%）、E-54 环氧树脂及固化剂以及稀释剂于水浴中用搅拌器搅拌 30 min，使所有物料组分混合均匀，并将物料浇注在提前于烘箱预热的拉伸（哑铃型）和压缩（圆柱形）试样模具中，合上模具置于烘箱中，于 120下固化 3 h 取出脱模，得到玻璃微珠/环氧树脂泡沫复合材料试样。试样经边缘修剪及表面处理后，分别按照GB9641-88 和 GB/T8813-2008 测试标准对试样进行单向拉伸性能和压缩性能测试。同时，测定试样的吸水性等物理性能。不同体积添加量下玻璃微珠/环氧树脂复合材料的拉伸性能、压缩性能及吸水率分别如图 2 图 4 所示。2.2 玻璃微珠/环氧树脂泡沫复合材料的拉伸强度图 2 玻璃微珠/环氧树脂复合材料的拉伸性能从图 2 中可以看出，复合材料的拉伸强度随着玻璃微珠体积分数增加而降低，基本呈线性下降趋势。当玻璃微珠体积分数为环氧树脂总体积 50%的时候，其拉伸强度相对于未添加玻璃微珠的基体下降程度可达 59.7%，断裂应变下降41.9%。体系中添加玻璃微珠后，复合材料中树脂含量相对减小，当微珠含量较高时，复合材料中的树脂会呈现不连续状态，且材料弹性模量增大使其表现出一定的脆性，从而导致树脂复合材料拉伸强度和断裂应变下降8。2.3 玻璃微珠/环氧树脂泡沫复合材料的密度与压缩强度 图 3 玻璃微珠/环氧树脂复合材料的密度及压缩性能从图 3 中可以看出，环氧树脂复合材料的密度和压缩强度均随着玻璃微珠体积分数的增加而下降，其中密度呈近似线性缓慢降低趋势，而压缩强度则是先快后慢减小。当玻璃微珠体积分数为树脂体积分数的 20%时，复合材料的压缩强度下降了 34.0%，当玻璃微珠体积分数继续增加至 50%时，复合材料的压缩强度下降了 60.0%，为34.2 MPa；此时复合材料的密度为 0.88 g/cm3。这主要是因为空心玻璃微珠自身的密度及压缩强度原本就远小于基体树脂，当在材料体系中添加玻璃微珠