一种改性粉煤灰及其制备方法与流程

本发明属于建筑材料领域。更具体地，涉及一种改性粉煤灰及其制备方法。

背景技术：

1、粉煤灰作为燃煤电厂的主要固体废弃物，其高值化利用具有重要意义。碳包覆改性是提升粉煤灰表面活性、拓展其应用领域（如吸附材料、储能材料、功能性填料等）的有效手段。然而，现有碳包覆改性技术在应用过程中存在明显缺陷：为实现碳层的牢固负载，通常需采用高温热处理、强酸/强碱刻蚀或机械力研磨等工艺条件。这些剧烈的处理条件极易对粉煤灰自身的物理结构造成不可逆破坏。研究表明，粉煤灰中的空心微珠在高温还原反应过程中会因局部过热而碎裂成更小的不规则颗粒，其特有的球形形貌和多孔结构难以维持。粉煤灰原有的球形形态、粒径分布及表面孔隙结构对其在复合材料中的增强效果、分散性能及界面结合能力具有决定性作用，一旦被破坏，将严重制约改性粉煤灰的应用性能。因此，如何在实现粉煤灰表面均匀碳包覆改性的同时，有效保护其原有物理结构，成为当前亟待解决的技术难题。

技术实现思路

1、针对现有粉煤灰在碳包覆改性过程中，剧烈的处理条件容易导致粉煤灰自身物理结构产生不可逆的破坏的问题。本发明提供了一种改性粉煤灰及其制备方法，本发明在有效完成碳包覆的同时，能够有效保护粉煤灰的物理结构。

2、本发明提供了一种改性粉煤灰的制备方法，包括以下步骤：

3、s1、预包碳：

4、将粉煤灰与第一碳前驱体混合，在保护性氛围下，升温至第一温度下进行第一次热处理，形成负载有第一碳层的预碳化粉煤灰；

5、s2、二次包覆：

6、将步骤s1所得预碳化粉煤灰与不同于所述第一碳前驱体的第二碳前驱体混合，使所述第二碳前驱体包覆在所述第一碳层的外表面，得到二次包覆粉煤灰；

7、s3、二次碳化：

8、将所述二次包覆粉煤灰在保护性氛围下，升温至第二温度下进行第二次热处理，得到改性粉煤灰；

9、所述第一温度＜粉煤灰中玻璃相的软化温度；

10、所述第二温度＞第一温度。

11、优选的，所述第一碳前驱体与第二碳前驱体选自不同的碳源材料，且至少满足以下条件之一：①所述第一碳前驱体的残碳率高于所述第二碳前驱体的残碳率；②所述第二碳前驱体包含杂原子。

12、优选的，所述第一碳前驱体选自酚醛树脂、沥青、聚丙烯腈中的至少一种；

13、所述第二碳前驱体为多巴胺盐酸盐。

14、优选的，所述第一温度为300~500℃，所述第二温度为600~900℃，且所述第二温度与第一温度的差值≥150℃。

15、优选的，步骤s1中升温和步骤s3中升温的升温速率独立地选自1~10℃/min，且步骤s3中升温的升温速率＜步骤s1中升温的升温速率。

16、优选的，步骤s1中，所述粉煤灰与第一碳前驱体的质量比为1∶(0.1~1)；

17、步骤s1中所用粉煤灰与步骤s2中所用第二碳前驱体的质量比为1∶(0.2~2)。

18、优选的，所述粉煤灰的球形度为0.8~0.9。

19、优选的，所述粉煤灰的d50为10~20μm。

20、优选的，所述粉煤灰的粒径分布满足：(d90-d10)/d50≤1.5。

21、本发明还提供了一种改性粉煤灰，由上述技术方案中所述的制备方法制得。

22、本发明的制备方法，通过三步梯度工艺实现粉煤灰的碳包覆改性。第一步，在低于粉煤灰玻璃相软化温度的第一温度下进行低温预包碳，此时第一碳前驱体发生部分碳化，转化为具有柔韧性和活性官能团的“碳前体”，在粉煤灰表面形成一层连续且具有应力缓冲能力的保护性碳层；第二步，将不同于第一碳前驱体的第二碳前驱体包覆于第一碳层外表面，由于第一碳层表面残留的活性官能团可作为化学锚点，第二碳前驱体可通过化学键合或物理吸附方式牢固附着，形成层间界面；第三步，在高于第一温度的第二温度下进行高温二次碳化，此时第一碳层从部分碳化状态进一步脱氢芳构化，转变为致密碳层，同时第二碳前驱体完全碳化并发生显著体积收缩，两层碳层在界面处相互扩散、化学键合，形成一体化复合碳层。在整个过程中，第一碳层作为热缓冲层和物理屏障，阻隔了高温对粉煤灰的直接冲击，同时其柔韧性吸收并分散了因温度变化和碳层收缩产生的热应力与内应力。本发明在完整保留粉煤灰原始球形形貌、粒径分布及表面孔隙结构的前提下，获得了致密度高、缺陷少、层间结合牢固的复合碳层，克服了现有一步高温碳包覆法性能提升以结构破坏为代价的技术难题。

23、试验结果表明，本发明实现粉煤灰表面均匀碳包覆，而且，所得改性粉煤灰的形貌完整率达到88%以上，粒径分布变化率在4.4%以下，有效保护了粉煤灰的原有物理结构。

1.一种改性粉煤灰的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一碳前驱体与第二碳前驱体选自不同的碳源材料，且至少满足以下条件之一：①所述第一碳前驱体的残碳率高于所述第二碳前驱体的残碳率；②所述第二碳前驱体包含杂原子。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述第一碳前驱体选自酚醛树脂、沥青、聚丙烯腈中的至少一种；

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一温度为300~500℃，所述第二温度为600~900℃，且所述第二温度与第一温度的差值≥150℃。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s1中升温和步骤s3中升温的升温速率独立地选自1~10℃/min，且步骤s3中升温的升温速率＜步骤s1中升温的升温速率。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述粉煤灰与第一碳前驱体的质量比为1∶(0.1~1)；

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述粉煤灰的球形度为0.8~0.9。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述粉煤灰的d50为10~20μm。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述粉煤灰的粒径分布满足：(d90-d10)/d50≤1.5。

10.一种改性粉煤灰，其特征在于，由权利要求1~9中任一项所述的制备方法制得。