1.6　煤基功能性填料的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

1.6.1　煤制功能性填料的優(yōu)勢(shì)

（1）煤炭資源豐富　我國(guó)煤炭資源總量豐富，分布面廣，品種齊全。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2010年年底，全國(guó)煤炭保有探明資源儲(chǔ)量為13412億噸，其中西部地區(qū)占全國(guó)增量的90%以上。煤炭品種多樣化，從低變質(zhì)程度的褐煤到高變質(zhì)程度的無煙煤都有儲(chǔ)存，其中煙煤占75%、無煙煤占12%、褐煤占13%。豐富的煤炭資源，為煤基功能性填料的開發(fā)提供了充足的原材料。

（2）煤的結(jié)構(gòu)活性高　煤主要由縮合芳香環(huán)基本單元和少量的氫化芳香環(huán)、脂環(huán)和雜環(huán)等構(gòu)成。煤的結(jié)構(gòu)單元外圍除了連接著烷基側(cè)鏈外，還有一些像羧基（—COOH）、羥基（—OH）、甲氧基和醚鍵等含氧官能團(tuán)以及少量硫醇（R—SH）、硫醚、二硫醚、雜環(huán)硫等含氮和含硫官能團(tuán)，賦予了煤較高的活性，有利于煤的化學(xué)改性。可以改善聚合物的絕緣性能、阻燃性能和加工性能；可以降低聚合物的相對(duì)密度，增大體積，降低成本。此外，無煙煤特有的層狀結(jié)構(gòu)，還可以阻礙氣體在聚合物基體中的擴(kuò)散和滲透，增大氣體和溶劑分子在聚合物中的穿行路徑，降低滲透率，從而改善聚合物材料的阻隔性能。

（3）填充性能好　煤基填料與聚合物具有良好的相容性，在填充改性聚合物材料時(shí)，可以改善聚合物的物理力學(xué)性能，起到補(bǔ)強(qiáng)作用；可以改善聚合物的絕緣性能、阻燃性能和加工性能；可以降低聚合物的相對(duì)密度，增大體積，降低成本。另外，無煙煤特有的層狀結(jié)構(gòu)，還可以阻礙氣體在聚合物基體中的擴(kuò)散和滲透，增大氣體和溶劑分子在聚合物中的穿行路徑，降低滲透率，從而改善聚合物材料的阻隔性能。與其他填料一樣，煤基填料具有增容增強(qiáng)的雙重性，可以部分替代以石油、天然氣、焦?fàn)t煤氣、煤焦油等為原料生產(chǎn)的高成本炭黑，減少污染。若能通過改性技術(shù)，提高煤基材料的分散性和相容性，使其填充改性的橡膠接近炭黑填充膠的性能指標(biāo)，其發(fā)展前景將十分樂觀。

（4）成本和能耗低　以煤為主要原料，加入化學(xué)添加劑，經(jīng)過表面改性處理制成的煤基填料，可以作為橡膠的功能性補(bǔ)強(qiáng)劑，它與橡膠的傳統(tǒng)增強(qiáng)材料炭黑和白炭黑相比，具有自身的優(yōu)勢(shì)：一是價(jià)格較低，只有補(bǔ)強(qiáng)性能相當(dāng)?shù)陌胙a(bǔ)強(qiáng)炭黑和通用炭黑的50%左右；二是綜合能耗較低，生產(chǎn)1t通用炭黑和半補(bǔ)強(qiáng)炭黑需原料油3140kg，耗電450kW·h，相當(dāng)于5t標(biāo)準(zhǔn)煤，噴霧干燥法生產(chǎn)沉淀白炭黑的綜合能耗相當(dāng)于4.42t標(biāo)準(zhǔn)煤，而煤制橡膠填料的綜合能耗只相當(dāng)于1.5～2t標(biāo)準(zhǔn)煤（包括原料煤）。煤制橡膠填料可以節(jié)約資源，降低成本和能耗，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1.6.2　煤基功能性填料的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

煤炭作為一種不可再生資源，被直接燃燒，轉(zhuǎn)化利用率低，會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境，并造成資源浪費(fèi)。如果利用煤的特殊網(wǎng)狀大分子結(jié)構(gòu)，采用深加工技術(shù)制備煤基功能性填料，填充改性聚合物，獲得的聚合物/煤復(fù)合材料可廣泛應(yīng)用于不同應(yīng)用領(lǐng)域的橡塑制品中，不僅能顯著降低制品的成本，而且為煤炭資源的潔凈利用提供了新途徑。

煤基聚合物復(fù)合材料屬高分子科學(xué)與煤化學(xué)交叉研究的領(lǐng)域。煤炭有機(jī)大分子由縮合程度不同的芳香烴及脂環(huán)、雜環(huán)結(jié)構(gòu)單元組合而成，與某些功能型高分子材料的結(jié)構(gòu)具有很高相似性，在性質(zhì)上具有相容性。因此，以煤為原材料開發(fā)研究煤基功能性復(fù)合材料，已引起國(guó)內(nèi)外科技界的廣泛重視。但煤基材料與聚合物的相容性還有待改善，對(duì)聚合物的增強(qiáng)和增韌效果需進(jìn)一步加強(qiáng)，整體性能離高質(zhì)量聚合物基復(fù)合材料的要求尚有一定的差距，具有進(jìn)一步改善的空間。今后，煤基材料的功能化以及對(duì)聚合物的填充改性研究可以著重從這樣三個(gè)方面來展開：一是選用有針對(duì)性的改性劑，通過界面改性的方法，對(duì)煤粉進(jìn)行超細(xì)化改性研究，提出煤基超細(xì)粉體的制備新工藝；二是通過一定的化學(xué)手段，減弱和消除束縛在芳香微晶片層之間產(chǎn)生離子力、氫鍵力、電荷轉(zhuǎn)移力的非共價(jià)交聯(lián)鍵，進(jìn)一步細(xì)化顆粒在聚合物中的分散尺寸，使其產(chǎn)生納米尺寸效應(yīng)，改善相容性后與聚合物共混，開發(fā)煤基聚合物納米復(fù)合材料；三是利用高階無煙煤的似石墨層片結(jié)構(gòu)，進(jìn)行聚合物的插層改性研究，探討煤的溶脹和插層改性，實(shí)現(xiàn)無煙煤的似石墨層片在聚合物中的良好分散，開發(fā)具有隔熱、阻燃、阻氣的新型功能復(fù)合材料，將是一個(gè)重要的研究方向。