随着供电和冶金等领域的蓬勃发展，煤炭的使用也越来越广泛[1]。然而煤炭产生的粉煤灰若不处理，会造成大气污染，排入水中会造成淤泥堵塞，其中毒害物质也可能对人体产生危害，对环保产生负担[2]，如何合理再利用粉煤灰成为急需解决的难题。粉煤灰由氧化硅和氧化铝、氧化铁、氧化钙等成分组成[3]。粉煤灰经过处理可用于混凝土、空心砌块、砂浆和陶粒等领域[4-6]，然而我国产生的粉煤灰数量较多，仍需进一步拓展其他方法以便更好地回收再利用。粉煤灰中氧化硅和氧化铝与塑料中的填料化学组成相似，可用于替代或部分替代塑料填料，以实现回收再利用同时降低塑料成本[7]。然而粉煤灰作为无机刚性粒子，与塑料之间可能存在相容性较差的问题，对塑料的部分力学性能产生影响。通常对粉煤灰进行表面改性处理[8]，或在塑料/粉煤灰体系中加入合适的相容剂，以增强塑料的力学性能。近年来，粉煤灰在聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)以及聚氯乙烯(PVC)等领域的应用取得较大进展。本研究对粉煤灰填充PE、PP、PVC以及其他热塑性塑料制备复合材料的力学性能进行总结，并对粉煤灰的发展前景进行展望。1PE/粉煤灰复合材料力学性能1.1PE/粉煤灰复合材料PE具有成型加工较便利、可塑性好等优点，可应用于薄膜、管材等制品[9-10]。但是PE存在强度和刚度较差等缺点，粉煤灰的加入可以起明显的补强作用，提高PE的综合力学性能。樊斌斌[11]利用熔融共混法制备线型低密度聚乙烯(LLDPE)/粉煤灰复合材料，并研究粉煤灰含量对材料力学性能的影响。随着粉煤灰含量的提升，复合材料的弹性模量呈现逐渐增大的趋势，拉伸强度和冲击强度先增大后降低。粉煤灰含量不超过15%，可以起成核剂的作用，促进LLDPE的结晶。粉煤灰添加量为15%，材料的力学性能较高，拉伸强度约13.5 MPa，冲击强度接近36 kJ/m2。杨明成等[12]将粉煤灰和木粉加入废旧PE，以高温高压的形式制备PE复合材料。结果表明：粉煤的加入对材料的弯曲强度具有一定的增强效果。当粉煤灰的添加量为10%，材料的弯曲强度为25 MPa，较纯PE提高6%，冲击强度略有提高。郭丹等[13]制备超微粉煤灰，并研究其对高密度聚乙烯(HDPE)力学性能的影响。超微粉煤灰在HDPE中分散均匀，仅略微降低材料的拉伸强度，但是具有明显的增韧作用。60份的超微粉煤灰使材料的冲击强度从27.64 J/m2提高至60.54 J/m2。1.2PE/改性粉煤灰复合材料未表面处理的粉煤灰与PE相容性较差，表面活化处理后可以提高粉煤灰与PE的界面结合强度，从而提高PE复合材料的力学性能。常用的表面活性剂为硅烷偶联剂，如KH550，KH570等。硅烷偶联剂可以在水解作用下形成硅羟基，与无机填料表面的羟基发生脱水反应形成共价键，同时硅烷偶联剂还具备可与塑料分子链反应的活性官能团，起桥梁作用，增加无机填料与塑料基体之间的界面作用力，进一步提高复合材料的力学性能。刘莉等[14]以硅烷偶联剂处理粉煤灰，并将其用于填充PE/PP，并以相容剂提高复合材料的界面结合强度以及粉煤灰的分散性。当粉煤灰含量为50%，相容剂含量为5%，PE/PP/粉煤灰复合材料的综合力学性能最优，拉伸强度为21.5 MPa，弯曲强度为30.1 MPa，冲击强度为130.7 J/m2。孙小杰等[15]研究不同偶联剂处理的粉煤灰填充交联聚乙烯(XLPE)的性能。结果表明：KH570处理的粉煤灰对材料增韧效果最显著，冲击强度是未处理时复合材料的6倍。在此基础上添加5%的相容剂，体系的力学性能达到刚韧平衡，冲击强度为61 kJ/m2，弯曲模量达到1 073 MPa。李镇等[16]对比硬脂酸和硅烷偶联剂对粉煤灰的改性效果。研究表明：硅烷偶联剂处理效果更好。以4%的硅烷偶联剂处理粉煤灰，并用于增强HDPE，改善韧性效果较好，相比未改性粉煤灰增强HDPE材料，冲击强度从7.8 kJ/m2提高至8.6 kJ/m2，断裂伸长率从21%提高至62.1%。2PP/粉煤灰复合材料力学性能2.1PP/粉煤灰复合材料PP具有来源丰富、价格较便宜、无毒无害、耐腐蚀且绝缘性能优良等特点，并且易于加工成型，广泛应用于家电外壳、汽车内饰、食品包装以及器械零部件等领域[17-18]。PP的刚性较低[19]，并且冲击性能较弱，粉煤灰的加入可以提高PP的综合力学性能，降低其使用成本。成梓铭[20]研究粉煤灰填充量对PP力学性能的影响。随着粉煤灰含量的增加，PP/粉煤灰的拉伸与冲击性能均表现先增加后减小的趋势。当粉煤灰的含量为15%，PP/粉煤灰材料的力学性能达到最优，拉伸强度为26.96 MPa，冲击强度为16.67 kJ/m2。Nath等[21]测试不同粉煤灰含量对PP力学性能的影响。结果表明：粉煤灰与PP界面结合作用较弱，对材料力学性能的提升有限。加入适量的粉煤灰有利于提高材料的冲击性能。当粉煤灰填充量为20%，复合材料的最大冲击强度提高至约2.45 kJ/m2。贺超峰等[22]以熔融共混法制备粉煤灰/三元乙丙橡胶接枝马来酸酐/氢氧化铝/PP复合材料。研究表明：粉煤灰的加入虽然使材料的流动性有所降低，但是可以提升材料的阻燃性和力学性能。在粉煤灰填充量为25%，复合材料的极限氧指数达28.4%，拉伸强度和弹性模量分别提高至12.5 MPa、291.5 MPa。2.2PP/改性粉煤灰复合材料PP与粉煤灰共混后综合力学性能得到明显提升，采用硅烷偶联剂（如KH550）活化的粉煤灰更有利于与PP基体结合，有利于提升力学性能。柴淑媛等[23]以硅烷偶联剂KH550活化粉煤灰并填充PP，制备PP/粉煤灰复合材料。粉煤灰经过表面处理活化，各项力学性能均比未活化粉煤灰填充的材料高。当活化粉煤灰在PP中占比达到50%，材料的拉伸强度为29 MPa，弯曲强度为37.1 MPa，冲击强度为5.3 kJ/m2，分别比PP/未活化粉煤灰复合材料高4.7%、24.5%、104%。杨云飞[24]研究发现偶联剂改性的粉煤灰用于填充PP时，会使材料的拉伸强度略有下降，当粉煤灰填充量达到40%，PP/粉煤灰复合材料的综合性能较优，弯曲强度为58.9 MPa，冲击强度为32.81 kJ/m2，相比于纯PP分别提高87.1%和18.4%。贺燕等[25]研究粉煤灰以及偶联剂对PP力学性能的影响。结果表明：随着粉煤灰添加量的增加，材料的力学性能均先增大后逐渐减小。粉煤灰添加量为15%的基础上，添加1%的硅烷偶联剂时，复合材料的力学性能较好，拉伸强度为30.95 MPa，冲击强度为12.5 kJ/m2，弹性模量为0.38 GPa。3PVC/粉煤灰复合材料力学性能3.1PVC/粉煤灰复合材料PVC因其具有耐腐蚀、阻燃、耐磨等优点而在电线电缆、人造革、管材等领域广泛应用[26-28]。但PVC也具有质地硬而脆，韧性较差等缺点。粉煤灰的加入可以有效改善PVC的缺点，扩大PVC的使用范围。刘珊等[29]对比PVC/粉煤灰微珠和PVC/碳酸钙复合材料的力学性能。结果表明：粉煤灰微珠添加量为5%时，可以均匀分散到PVC基体中，与PVC相容性较好。PVC/粉煤灰微珠复合材料的冲击强度，与不含粉煤灰的PVC相比，从35 kJ/m2提高至46 kJ/m2，拉伸强度从38.8 MPa提高至42.7 MPa。周玉生等[30]研究粉煤灰添加量对PVC力学性能的影响。随着粉煤灰添加量的增加，材料的综合力学性能均先增大后减小。当粉煤灰添加量为5%，复合材料的综合力学性能较佳，冲击强度约为47 kJ/m2，拉伸强度约为43 MPa。粉煤灰的添加量在合适的范围内有利于增强塑料的力学性能。除了粉煤灰用量，粉煤灰的粒径分布也对材料力学性能产生较大影响[31]。龚栩锐等[32]研究粉煤灰的粒径分布对填充PVC力学性能的影响。结果表明：筛分缩小粉煤灰粒径分布范围可以提高PVC材料的力学性能。筛分粉煤灰填充PVC冲击强度为2.41 kJ/m2，拉伸强度为16.51 MPa，相比未筛分粉煤灰填充PVC分别提高28.2%、14.5%。高小磊等[33]对比粉煤灰的颗粒直径对PVC力学性能的影响。结果表明：粉煤灰粒径的降低有助于提高复合材料的力学性能。由粒径18 μm的粉煤灰制备的复合硬质板材的弯曲强度为18.2 MPa，冲击强度为7.9 kJ/m2，分别比由粒径48 μm的粉煤灰制备的材料高13%和36.2%。马蓬杨等[34]研究发现：高填充量的粉煤灰大幅提高PVC的剪切黏度，使其加工性能变差。结合增塑剂可以改善体系流动性，制备高填充量的PVC/粉煤灰复合材料。当粉煤灰填充量为75%，增塑剂含量约为30%，复合材料的拉伸与弯曲性能达到较好的平衡，拉伸强度为 7.2 MPa，弯曲强度为28.3 MPa。3.2PVC/改性粉煤灰复合材料与其他塑料类似，粉煤灰表面处理方式中硅烷偶联剂的效果较好，尤其是KH550。少量的硅烷偶联剂可以有效改善粉煤灰与PVC之间的相容性与分散性，从而提高复合材料的力学性能。闫超群等[35]以模压发泡的方法制备PVC/高填充粉煤灰复合板材。粉煤灰经硅烷偶联剂KH550改性处理后被PVC包覆，提高其在PVC基体中的分散性与相容性。当高填充粉煤灰的添加量为61.16%，发泡剂用量为6份，复合发泡板材弯曲强度达到最大值17.63 MPa，冲击强度为21.88 kJ/m2，可以达到使用标准。董金虎等[36]研究粉煤灰表面改性剂的种类与用量对粉煤灰增强PVC复合板力学性能的影响。结果表明：几种改性剂中KH550效果最好。粉煤灰添加量为10%，KH550添加量为1.5%，复合材料综合力学性能最好，拉伸强度为9.2 MPa，冲击强度为11.4 kJ/m2。谢卫苹等[37]研究发现以硅烷偶联剂和硬脂酸复配改性粉煤灰，使粉煤灰的分散性得到改善，且提高其与PVC基体的相容性和共混体系的流动性。当粉煤灰添加量为300份，PVC为100份，并加入适量改性助剂，复合材料可以获得较好的力学性能，弯曲强度可达29.1 MPa。4其他热塑性材料/粉煤灰复合材料力学性能除了PE、PP和PVC塑料，粉煤灰在其他的一些常见的塑料中也具有明显的增强作用，如尼龙、聚氨酯以及聚乳酸等材料。张士华等[38]以粉煤灰增强MC尼龙。结果表明：当粉煤灰含量不超过20%，对MC尼龙的力学性能起促进作用。当粉煤灰添加量超过20%后，粉煤灰容易堆积形成粒子附聚体，造成MC尼龙应力集中，力学强度降低。粉煤灰的添加量为20%，复合材料的力学性能最好，拉伸强度约为80 MPa，冲击强度约为60 kJ/m2，相比纯MC尼龙分别提高约11%、16%。张士华等[39]还制备粉煤灰与玻璃纤维增强尼龙复合材料，分析两种填料的表面处理方式以及配比对尼龙力学性能的影响。结果表明：添加10%经钛酸酯偶联剂处理的粉煤灰以及30%的经硅烷偶联剂处理的玻璃纤维能够增强尼龙的力学性能，拉伸强度达到84 MPa，弯曲强度达到166 MPa。王彩丽等[40]以硫酸铝和硅酸钠包覆粉煤灰，采用化学沉淀法制备核壳结构纳米硅酸铝-煅烧粉煤灰复合粉体材料，并将其用于增强尼龙材料。结果表明：相比直接利用粉煤灰增强，该粉体材料显著提高尼龙6的力学性能。复合材料的拉伸强度提高至74.4 MPa，弯曲强度提高至102 MPa。冉岚等[41]以硅烷偶联剂为“分子桥”，将粉煤灰以硬段的形式存在于聚氨酯。结果表明：粉煤灰经化学改性后，粉煤灰表面由疏油性向亲油性过渡，其与聚氨酯的相容性和分散性得到显著改善。当改性粉煤灰的质量分数为12%，材料断裂伸长率提高至486.04%。薛白等[42]以蒸汽气流磨制备超微粉煤灰，并将其用于增强聚乳酸。当粉煤灰添加量不超过30%，可以在聚乳酸基体中分散均匀，提高复合材料的冲击强度、拉伸强度。粉煤灰添加量超过30%后，明显团聚而产生应力集中，不利于提高复合材料的力学性能。李镇等[43]以熔融共混的方式制备粉煤灰/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)复合材料。为进一步提高复合材料的韧性，加入弹性体苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物(SBS)。当粉煤灰添加量为15%，SBS添加量也为15%，复合材料的韧性明显提高，冲击强度从6.14 kJ/m2提高至8.12 kJ/m2。5结论很多塑料的力学性能有限，可以通过添加粉煤灰的方式进行增强，同时这种方法可以降低塑料成本以及有效处理废弃粉煤灰。通过表面改性的方式增加粉煤灰与塑料的相容性，从而提高塑料的力学性能。目前用于处理粉煤灰的表面活性剂中效果较好的主要是硅烷偶联剂，如KH550。然而当前的塑料/粉煤灰复合材料还存在不足：（1）粉煤灰虽然能够改善塑料的冲击性能，但是如果其与塑料基体结合性较差，可能略微降低塑料的拉伸性能。（2）粉煤灰在填充量过高的情况下可能使塑料流动性下降，不利于后续加工。如何对粉煤灰进行有效改性，使其充分发挥增强作用且不过多损害材料的加工性能，仍需要进一步探索。粉煤灰增强塑料无论从使用、成本还是环境的角度都具有重要意义。