丁苯橡胶无烟煤复合材料的制备应用毕业论文.doc
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1、摘 要 本课题以无烟煤为原材料,经酸浸处理后,以硅烷偶联剂、硬脂酸为表面改性剂,在行星式球磨机中进行研磨改性,将改性后的无烟煤填充到丁苯橡胶中制备无烟煤/橡胶复合材料。采用比表面积、粒径、接触角及堆积密度等指标对无烟煤的酸浸和改性效果进行了表征,确定其最佳实验条件为:硫酸浓度为60%、水浴温度60、酸浸时间2小时;硅烷湿法改性,改性剂用量2.8%。对无烟煤/丁苯橡胶复合材料的力学性能进行了测试,并探讨了填料的用量、改性剂的类型等因素对复合材料力学性能的影响。结果表明:复合材料的力学性能得到了明显的改善。本研究为无烟煤在橡胶中的应用提供了有力的数据支持,改变了传统对煤炭资源应用的不合理性,避免环
2、境的污染和资源的浪费,而且还能大幅度降低聚合物基复合材料的成本,是煤洁净高效利用的新途径。关键词:无烟煤;酸浸;细化;表面改性;力学性能ABSTRACTThe subject was studied by basing on the characteristics of the anthracite, taking sulphuric acid to purification , with silane coupling agent and stearic acid as surface modifier, using panetary ball mill to ultrafine the m
3、odified anthracite, the modified anthracite will be filled to the stuber, preparing anthracite / stuber composites. A series of research and analysis were conducted by anthracite surface area, particle size, contact angle and packing density of powder characteristics, the acid leaching and modified
4、method the optimal conditions were 60% sulfuric acid, water bath temperature 60 , acid leaching time 2 hours. Silane wet modification, modified dosage of 2.8%. And anthracite / stuber composite mechanical properties were characterized and tested, and discussed the amount of filler, different modifie
5、r factors on the mechanical properties of composite materials, the results show that the mechanical properties of composite materials has significantly improvement.The results of this study anthracite applications in stuber which offer strong in the data support,and it changed the traditional applic
6、ation of the irrationality of coal resources,avoiding environmental pollution and waste of resources, but it also significantly reduces the cost of polymer matrix composites, which it is a new way to use clean and efficient of coal.Keywords:anthracite;acid leaching;refining;surface modification;mech
7、anical propertie 目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1无烟煤的特性11.1.1储量和地位11.1.2国内外研究现状51.2无烟煤的应用61.2.1导电防静电类聚合物/煤复合材料61.2.2绝缘类聚合物/煤复合材料71.2.3阻燃类聚合物/煤复合材料81.2.4新型功能性复合材料。91.2.5无烟煤的工业用途101.3本课题的研究内容101.3.1无烟煤的微观结构特性研究101.3.3无烟煤的改性研究及煤基复合材料的制备101.3.4复合材料力学性能的测试101.4研究安排102 无烟煤的酸浸处理112.1试验材料及仪器112.2硫酸酸浓度的影响112.2.1实验过
8、程112.2.2实验结果和分析122.3酸浸时间的影响142.3.1实验结果和分析142.4酸类型的影响172.5比表面积的定义及计算192.6接触角202.6.1接触角定义202.6.2接触角测量步骤202.7扫描电镜图像分析212.8本章小结223.无烟煤的改性233.1.松散密度233.2.改性过程的主要原材料233.3改性过程中所用仪器233.4 改性方案233.4.1悬浮液浓度的确定233.4.2球磨时间的确定:243.4.3改性剂用量及分散剂的确定:253.4.4实验过程263.4.5性能分析263. 5本章小结284 改性无烟煤对丁苯橡胶的增强29作用研究294.1实验部分294
9、.1.1实验原料:294.1.2设备及测试仪器:294.1.3复合材料制备294.1.4 测试指标294.2 结果与讨论304.3本章小结325 总 结34参考文献35致 谢371 绪 论1.1无烟煤的特性1.1.1储量和地位我国无烟煤预测储量为4740亿吨,占全国煤炭总资源量的10%,年产2亿吨。无烟煤块煤主要应用是化肥(氮肥、合成氨)、陶瓷、制造锻造等行业;无烟粉煤主要应用在冶金行业用于高炉喷吹(高炉喷吹用煤主要包括无烟煤、贫煤、瘦煤和气煤)。无烟煤作为一种不可再生资源,长期以来其结构未被充分利用,不仅转化利用率低,造成资源的严重浪费。煤炭资源的利用结构转变在探索着新思路,通过对煤炭资源的
10、改性处理作为新型功能填料,从而提高其附加值。而当今煤炭表面改性的产品在塑料、橡胶、胶粘剂等高分子材料、高聚合物基复合材料、功能材料、涂料等工业添料中得到广泛使用。无烟煤是一种煤化程度最大的煤,固定碳含量高,挥发分产率低,密度大,硬度大。通过改性处理,无烟煤微粒尺寸越小,其表面能就越高,粒子的活性就越大,比表面积大,孔隙率小,吸附性能强。通过对无烟煤的改性处理及超细化,使得无烟煤颗粒易与聚合物结合,它们之间的作用力得到极大的增强,具有好的相容性,复合物的结构更为致密。就会使无烟煤与聚合物的力学强度以及材料本身的加工性能得到极大的提高。但是,由于纳米颗粒具有极大的比表面积和较高的表面能,在制备和使
11、用过程中极易发生粒子团聚,形成二次粒子,使粒径变大,从而大大限制其发挥优势。因此通过化学方法法对无烟煤进行处理,不同的方法对其表面改性使之与聚合物更加亲和,使无烟煤填料在聚合物基体中充分分散。综上所述,从而得出对无烟煤的改性处理及细化填充丁苯橡胶的研究具有很好的研究价值。地球上的化石燃料的地质总储量中,煤炭约占80。目前,世界上已有80多个国家发现了煤炭资源。全世界煤炭地质总储量为107500亿吨标准煤,其中技术经济可采储量为10391亿吨。世界煤炭探明可采储量见表1-1。表1-1 世界煤炭探明可采储量(单位:亿吨)地区国家烟煤和无烟煤次烟煤褐煤合计东欧即前苏联前苏联1040.00370.00
12、1000.002410.00波兰296.00116.00412.00其它25.6732.92273.90332.49小计1361.67402.921389.903154.49北美加拿大45.9012.8728.2786.23美国1126.68959.29319.632405.61小计1171.77972.16347.902491.84亚洲中国622.00337.00186.001145.00印度606.4819.00625.48印尼9.6270.54240.47320.63日本8.270.178.44朝鲜3.003.006.00台湾省1.001.00其它4.268.689.1722.11小计1
13、254.63419.22454.812128.66西欧德国239.19561.50800.69英国33.005.0038.00西班牙8.504.002.0014.50其它12.642.56100.85116.05小计293.336.56669.35969.24大洋洲澳大利亚453.4037.00419.00909.40新西兰0.270.810.091.17其它0.020.02小计453.6937.81419.09910.59非洲南非553.33553.33其它54.7812.630.0467.45表1-1 世界煤炭探明可采储量(单位:亿吨)续小计608.1112.630.04620.78中南美
14、哥伦比亚42.402.9945.39墨西哥12.524.170.5117.20委内瑞拉4.174.17其它9.9136.391.2447.54小计69.0043.551.75114.30中东伊朗1.931.93小计1.931.93世界世界合计5214.134894.863282.8410391.83资料来源:第15属世界能源会议1992年世界能源资源调查报告书90的地质储量和60的技术经济可采储量集中在美国、前苏联、中国和澳大利亚等国。据世界煤炭研究会的预测,从19772000年,24年内,按最高产量累计可达到1030亿吨。以现代开采和利用煤炭的速率计算,煤炭资源尚能使用几百年。当前世界能源年
15、消耗量中,煤炭仍占三分之一。世界能源发展史现正进入一个新时期,石油的黄金时代即将告终,大量增加煤炭的生产和利用已是当务之急。19821992年世界煤炭消费量见表2。表1-2 19821992世界煤炭消费(单位:万吨油当量)国家1982年1990年1991年1992年1992年占世界总量的百分率中国3242051610504005271024.4美国3831048140473004767022.0前苏联3324030790277602707012.5印度63601024010610111505.2德国140101296011330102104.7日本62007600790077903.6表1-2
16、 19821992世界煤炭消费 (单位:万吨油当量)波兰90907780776074903.5英国65306370633059202.7非洲76808050785079003.7世界总计187830223000216450216420100.0资料来源:英国石油公司世界能源统计评论,1993年6月。在各类能源中,今后20年内可大量增产和弥补石油不足的能源是煤炭,煤炭成了过渡到21世纪可再生能源和核能为主的未来能源的桥梁。预计到2000年,全世界煤炭的总需要量将由1977年的25亿吨标准煤增加到6070亿吨标准煤,当年的煤炭总量将达68亿吨标准煤。但大规模开发和利用煤炭,将面临着一系列新问题。例
17、如,露天开采会破坏土地,使矿井地面塌陷。矿井和选煤厂废水污染,煤矿石处理,烧煤产生大量二氧化碳会造成温室效应,影响气候等。另外,煤炭给运输也带来一些问题。尽管如此,随着时间的推移,世界石油资源日趋短缺,水电资源开发殆尽,以及环保技术的进步,现代经济对煤炭的需求仍将增加。据联合国欧经会预测,世界煤炭的需求和贸易,在今后20年中将呈逐渐上升趋势。全球硬煤的消费量在2000年前每年平均增长1.3(每年增加5000万吨),从2000年至2010年每年平均增长1(每年增加3000万吨)。世界八大产煤国(中国、美国、俄罗斯、乌克兰、德国、波兰、印度、澳大利亚),在今后的20年中仍将生产世界煤炭产量的85。
18、世界八大产煤国的煤炭出口量占全球煤炭出口量的80。煤炭的国际能源战略地位日益增强的主要原因是,亚洲地区经济增长速度将比世界其他地区要高,经济增长在很大程度上依赖于能源供应的增加。迄今,煤在亚洲许多国家和地区的能源结构中仍占有很重要的地位,在未来的58年内,韩国、印尼、泰国、印度、中国和中国台湾省等,对煤的需求十分迫切。在未来100年内,煤炭不可避免地仍将是一种主要能源。我们的任务是寻求更有效的、环境可接受的途径,使每吨煤发更多的电,减少污染物的排放总量。煤炭的综合利用是今后的发展方向,现在世界各国正在执行清洁煤技术计划,这将是造福人类的伟大举措。1.1.2国内外研究现状早在20世纪30年代,德
19、国的F.Fischer将磨细的褐煤粉与含酚(质量分数为12)的苯混合,在一定条件下混炼压制成板材,这可以认为是最早应用共混技术制备聚合物煤复合材料的例子。前苏联E.G.Corlow和S.R.Zummenov 20世纪70年代也在聚合物/煤复合材料方面做了大量的研究工作,利用煤的多孔结构将其作为一种活性填料与各种聚合物进行共混制得了性能较好的聚合物/煤复合材料。这些早期聚合物/煤复合材料的显微分析表明,煤炭并未溶解于聚合物中,而是作为一种活性填料分布在聚合物基体中,起到无机粉末填充改性聚合物的作用,但对煤与聚合物界面之间发生的化学作用机理并不清楚。如今国外已有工业化生产的煤粉填料,如商标名为Au
20、stin Black的煤粉填料,既可用于橡胶,也可用于聚烯烃、聚氯乙烯(PVC) 等树脂,尤其是Austin Black 325作为颜料和填料具有较高的性价比。我国也进行了用于填充增强改性聚合物的煤粉填料的研制开发,并制定了相应的标准。西安科技学院材料学院以煤的聚合物特性与结构研究为基础,系统研究了聚合物/煤复合材料和功能材料的制备技术与理论,取得了一系列成果。周安宁等采用常温气流超细粉碎方法,熔融共混制得高密度聚乙烯(HDPE)/神府煤复合材料。研究表明HDPE与煤为部分相容体系,煤的加入可以改善HDPE的物理力学性能,神府煤的分子相起到了增容剂的作用。另外通过与四川大学合作采用固相接枝和化
21、学改性的方法制备了复合型增容剂马来酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MAH)一煤,发现随着增容剂( PP-g-MAH)一煤用量的增加,复合材料的断裂行为由脆性转为韧性。当煤的质量分数为15时,由(PP-g-MAH)一煤增容的复合材料的拉伸强度由12.981MPa提高31.051MPa,且相对于常规增容剂,该新型增容剂对PP/煤复合材料有更好的增容效果。翟仁等对特种无烟煤粉填充热塑性树脂的微观结构与性能进行了研究。结果表明,用钛酸酯偶联剂处理的煤粉,易于与树脂均匀混合,两者的界面发生了变化,相容性得到了提高,有效地改善了复合材料的使用性能和加工性能。特种无烟煤粉经热处理后,其表面活性得到了增强,与树脂结
22、合后形成了网状结构,提高了复合材料的力学性能;辐射交联聚乙烯(PE)/煤粉复合材料可以大幅度提高材料的力学性能。 太原理工大学提了傅一克烷基化改性法制备聚合物/煤复合材料母料的新工艺。煤中富含的芳香结构具有亲电性的活性位可进行取代、烷基化、酰化等反应,通过温和条件下的傅一克烷基化反应,在煤表面接枝长链烷基,使聚合物/煤复合材料的力学性能得到提高,其效果明显优于偶联剂改性。 成都科诺精细化工有限公司将煤通过机械粉碎分级,然后采用特殊偶联剂对其进行表面处理,已成功地将聚合物/煤复合材料应用于PVC人造革及煤矿抗静电风管等领域。1.2无烟煤的应用1.2.1导电防静电类聚合物/煤复合材料在现代电子工业
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