1.6　煤基功能性填料的應(yīng)用及發(fā)展趨勢

1.6.1　煤制功能性填料的優(yōu)勢

（1）煤炭資源豐富　我國煤炭資源總量豐富，分布面廣，品種齊全。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2010年年底，全國煤炭保有探明資源儲量為13412億噸，其中西部地區(qū)占全國增量的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：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)效益和社會效益。

1.6.2　煤基功能性填料的應(yīng)用及發(fā)展趨勢

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：一是選用有針對性的改性劑，通過界面改性的方法，對煤粉進(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。