基于润湿性能调控的粉煤灰复合填料制备研究

发布时间：2020-05-15 17:28

【摘要】：粉煤灰(FA)是我国排放量最大的固体废弃物之一,如何实现粉煤灰的高值化资源化利用是当前研究的热点。作为造纸填料的研究是实现粉煤灰高值化利用的热点之一,但因其低白度特性限制了粉煤灰在造纸领域的应用范围。尝试利用非均匀成核的方法包覆改性粉煤灰,以提高其白度性能。但在包覆改性过程中存在着粉煤灰表面包覆效果不佳的问题。针对这一问题,本论文利用润湿性能调控的方法,改善粉煤灰作为衬底的表面性质,从而提升粉煤灰表面结晶包覆性能。其主要研究内容如下:利用润湿性能调控方法,以粉煤灰的接触角大小作为衡量调控处理效果的指标,详细分析了反应温度,反应时间,氢氧化钙用量(相对于绝干粉煤灰用量),搅拌速度,固液比等因素对粉煤灰润湿性调控的影响。在最佳工艺条件下,通过SEM,XRD,BET比表面积与孔径分布,红外等手段对粉煤灰进行分析表征,以解释其润湿性变化的原因。然后,在粉煤灰的非均匀成核包覆改性过程中调控润湿性,进一步探讨润湿性对非均匀成核过程的影响。最后,对改性后的粉煤灰的纸张加填性能进行了评价。其主要结果与结论如下:经过调控处理,粉煤灰的表面润湿角为64.32°,相对于原始粉煤灰(接触角为79.87°)降低了19.47%。因此,调控处理后的粉煤灰具有良好的表面润湿性能。粉煤灰表面微孔结构增加,粗糙性能增强;表面生成大量亲水性硅铝钙组分盐类,极性羟基基团增加,这些都直接引起粉煤灰表面润湿性能的提升。经正交实验优化确定的最佳调控工艺为温度85℃,反应时间5h,氢氧化钙用量26%(相对于绝干粉煤灰用量),反应液固比10:1,搅拌速度550rpm。经润湿性能调控处理后,碳酸钙在粉煤灰表面非均匀形核生长能力增强。在非均匀成核过程中作为结晶衬底的作用明显改善。非均匀成核包覆效果增强,经润湿调控后制备的改性粉煤灰平均粒径为14.6μm,高于原始改性粉煤灰平均粒径;白度上升至64.89%ISO,较原始改性粉煤灰提高了5个多点。经润湿性调控的改性粉煤灰衬底与包覆层结合强度上升。与未经润湿性调控的改性粉煤灰相比,经润湿性调控后的改性粉煤灰用于纸张加填后,纸张的光学性能、强度性能、尘埃度以及留着率均有明显提升。
【图文】：

非均匀形核,粗糙界面

在第一章中的相关研究进展中已经知道衬底对非均匀成核的发生与进行具有重要的影响。Wenzel 模型理论能够比较完整地解释非均匀成核衬底的表面性质。该理论引入界面粗糙度因子f来解释晶体在实际的粗糙界面非均匀形核生长的过程（如图1-2所示），弥补了经典形核理论中对基底界面的微观结构的忽略。图 1-2 粗糙界面上的非均匀形核生长[67]Wenzel 模型理论[68]在总结经典形核理论的基础之上给出了粗糙界面表观润湿角θ*与本征润湿角θ的关系式（2-1）和非均匀形核功与界面润湿性的关系式（2-2）。（2-1）式中 f 为基底界面的粗糙度因子，为实际表面积与投影面积之比。（2-2）关系式 2-1 中解释了晶体在基底界面上的润湿性能受基底界面的粗糙度影响，在关系式 2-2 中解释了粗糙界面的润湿性与非均匀形核功的关系。Wenzel 模型重点强调了非均匀成核中作为异相成核的衬底的表面性质对于非均匀形核生长的影响。衬底表面的润湿性能将会影响非均匀形核发生的难易程度，而表面的粗糙性又将对衬底表面的润湿性能产生一定的影响。Wenzel 模型下将衬底表面分为可润湿和不可润湿两个类型：对于可润湿界面，衬底的存在能够降低非均匀形核的形成功，同时提高衬底表面的粗糙度，，将有利于非均匀形核形成与生长；对于不可润湿界面，则应该降低表面的粗糙度进而提高在其表面的非均匀形核发生生长。因此，结合现有的碳酸钙未能在粉煤灰表面完全包覆，粉煤灰表面部分裸

示意图,测量法,示意图

定相交界处界面和固体界面的夹角的角度测量法接触角的三角函数获得结果的长度测量法；第三，根据力与角度的关系式得到结果的力测量法。法。在测量分析过程中，角度测量法，长度测量触角测量，而透过测量法主要用于固体粉末接触定粉煤灰的接触角。过测量法是基于粉体颗粒之间的空隙而形成的毛装入特制的玻璃管（底部密封，只能透过液体而部接触到液体时，液体经颗粒空隙所形成的毛细高度，借助于公式 h=-2γcosθ/ρgr，式中 r 表示管半径。但通常情况下该 r 值的大小无法直接测量液体进行参照实验。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X705;TS727.6

【参考文献】