煤粉在材料领域中的改善

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煤粉在橡胶中的应用

超细煤粉应用在橡胶胶料中，可以减轻胶料重量，加入煤粉后胶料的拉伸强度略有降低，在实用商品胶料中加入60－90份煤粉，胶料仍能保持其物理适用性能。此外，超细煤粉的加入，不仅具有经济优势，同时还可以改善它的某些物理性能，如滞后性，压缩永久变形，并可使密封胶具有较好的压缩变形性能，其中三元乙丙橡胶胶料最适于填充煤粉。庞青涛等对超细煤粉改性处理，将改性煤粉与硅橡胶、发泡剂等助剂共混制备了超细煤粉/硅橡胶发泡材料，对其力学性能、泡孔结构和表观密度进行了测试。结果表明，当选用钛酸酯改性煤粉，用量为15份，发泡剂选用发泡剂H，用量为2份时，硫化温度为160℃时，制备的超细煤粉/硅橡胶发泡材料的拉伸强度分别是硅烷偶联剂改性煤粉和干煤粉的1．6倍和1．7倍;断裂伸长率为335%;回弹率为25．5%;表观密度768．16kg/m3，外观平整。通过SEM观察，泡孔分布均匀。以超细煤粉代替炭黑，可以有效降低成本。我国于七十年代就开始致力于这方面的研究，并取得初步成功。经过近几十年的发展，该技术已经有了很大的发展。超细煤粉除代替炭黑外，还可代替碳酸钙和陶土等，作为天然、丁苯、丁基、丁腈、氟橡胶等的补强填料。同时改善工艺性能，混炼时减少填料的飞扬，提高压出时的速度，不要焦烧，可使表面光滑，并使胶料柔软和致密。国外商品化的AUSTINBLACK煤粉填料，其典型性能:密度1．31g/cm3;含碳量77%(质量分数)、(无水无灰基);挥发分不大于22%(无水无灰基);平均粒径5150μm，用于橡胶。使得补强改性后橡胶的物理机械性能提高，拉伸强度≥19MPa，断裂伸长率≥580%，300%定伸强度≥6．5MPa。

煤粉在其他方面的应用

经研究发现煤粉的性质，会直接影响煤棒的制备过程。因为在煤棒制备的半焦化和焦化两个阶段，灰分含量会增加，固定碳含量也将升高，而挥发分和H、N、O含量都会下降;同时由于碳化过程中发生分解和缩聚反应，煤中的芳香片层不断增大，趋于有序排列。综合比较可得出煤粉化程度越高，富勒烯的产量就越高，以无烟煤产率最高。竹节形碳管王茂章等用新疆无烟煤为原料，经粉碎成型为空心煤棒后于900℃炭化，然后将碳棒粉与铁粉按1:1的质量比混合均匀并填充于空心碳棒中作阳极，在与前述制单壁纳米碳管同样的反应条件下(缓冲气体压力为0．065MPa，电弧电流为50A－70A，电压为40V－50V)，电弧放电后，在阴极上或在其顶部边缘沉积有纤维状物质，经分析表征，它们由外径40nm－60nm碳管组成，有许多均匀的中空间隔，形似竹节，中间无任何催化剂粒子，长度在微米级，其纯度很高，只有少量碳包金属粒子的杂质竹节形碳管的长度为5μm，由弯曲的锥形石墨层，每隔100nm－200nm隔开。吸附材料煤分子中含有的含氧官能团，以及内部丰富的空隙结构使其成为一种优良的制造吸附材料的原料。同时煤在超细化的过程中，随着粒度的减小，比表面积、表面活性、孔体积，吸附性能均随着粒度的减小而成指数性增加。在超细煤粉成型过程中，煤粉颗粒之间的紧密堆积会形成新的孔隙，进一步提高吸附性能。以超细煤粉为原料制得复合吸附材料，对探索煤炭利用新途径，开发研制高性能煤基吸附剂有着深远的意义。以煤为原料制备高比表面积活性炭的途径一般是首先对原料煤进行深度脱灰处理，再加入添加催化剂和氧化剂来控制炭化过程并进行催化活化;也可使用具有催化、氧化性能的NP催化剂，该催化剂是由硝酸盐、含钾化合物和助催化剂混合而成，它在无烟煤制活性炭过程中可以使活化反应速度增加一倍以上。通过在煤粉中加入活化剂KOH，可制备高比表面积的活性炭，活化剂也可以选用NaOH、ZnC12、H3P04、K2CO3等。乐政等在混合配料时加入少量添加剂KOH并把酸洗脱灰从传统工艺的活化后提到炭化后、活化前的新工艺制备出了比表面积为1641m2•g－1、碘吸附值达1250mg•g－1的活性炭。解强等采用不同煤粉制备出了比表面积超过1500m2•g－1的优质活性炭，用NaOH把西班牙无烟煤活化，然后再炭化也可制得比表面积为2700m2•g－1、微孔率为1cm3•g－1的活性炭。煤粉在污泥燃料化中的应用城市污泥中含有多种有机物，约占污泥总含量的70%－80%，将煤粉与污泥按照一定的配比，再加入其他添加剂在一定条件下混合均匀即可制成燃料，而我国又是一个燃煤大国，因而该项技术得到了较快的发展。不同的煤粉与污泥混合得到污泥燃料化的程度也是不一样。张云等利用热重法研究煤粉与污泥的混合燃烧度，还用Matlab分析计算了不同配比的污泥与煤粉混合的活化能E与指前因子A，而通过E和A可以判断混烧状况;其中污泥与煤粉的掺混比例对燃烧的着火点影响很大，随着污泥比例的增加，着火点越与污泥的着火点相近，反之则与煤粉的相近。J．Nadziakiewicz等研究了不同水分、灰分、污泥的掺混比例下与煤粉混合燃烧试验，得出随着污泥掺混量的增加，废气的排放也增加。当污泥的比例达到15%以上时，将严重增加废气处理费用，成本也会随之增加，所以这样就会限制了污泥与煤粉掺混时污泥的量。

结语

我国的煤炭资源比较丰富，但长期以来，以初级能源的形式直接用于燃烧是它的主要应用，这样使煤的利用率很低，同时还会造成严重的环境污染，而研究煤炭在材料领域的应用必将是大势所趋。发展煤碳类清洁能源和原料产业，必须以技术进步依托，走高端的煤炭深加工之路，高效环保地开发和利用煤炭资源，使煤炭能源高效地转化为所需的能源产品和原料，节约煤炭用量;同时解决煤炭深加工过程中的自身环保问题，使产业能够得到可持续发展。要开发煤粉在材料领域的应用，必须对煤粉的表面结构作出深入的研究，并对它各方面的性能进行检测，根据其不同的性能加以利用，就可大大拓展煤粉在不同材料中的应用，甚至在材料领域之外的其它领域取得很好的应用。对超细煤粉微观结构不断深入研究，将煤粉做成超细煤粉将是一项重要的技术，以此技术为依托，再利用先进的科学技术，应当是我国未来煤碳产业发展的必然选择。

作者：何钊 李永勃 赵晓亮 单位：陕煤集团 西安科技大学