中文摘要：

片状结构矿物在改善聚合物的性能中，其片层的结构特性和分散性是至关重要的影响因素。本课题基于高煤化度无烟煤具有似石墨的层状结构特点，研究无烟煤的微观结构特性，并对无烟煤进行插层和机械力化学改性，提高其结构活性和分散性能，制备煤基功能性活性粉体填料，替代炭黑，改善橡胶复合材料的性能。研究酸浸、溶胀、插层、剥片等处理过程的反应条件。研究各处理过程对无烟煤微观结构、插层率、膨胀性、表面活性、粒度和分散性等指标的影响。研究无烟煤活性粉体对橡胶的填充应用性能。探讨无烟煤的插层作用机理，并建立理论模型。通过插层改性获得制备煤基功能性粉体填料的新方法，提高无烟煤的利用附加值。

结论摘要：

本课题采用工业分析、元素分析和XRD、FTIR、XPS、SEM、Raman光谱等手段对四种无烟煤的结构特性进行了分析，筛选出煤化度较高的、片层颗粒尺寸较小的、似石墨化程度较高的、层结构较突出的安阳无烟煤和太西无烟煤作为主要研究对象。采用双氧水、炭化-氢氟酸酸浸、双氧水氧化-氢氟酸酸浸等方式对煤粉进行了改性处理，使得连接在芳香片层之间的脂肪链减少，芳香片层尺寸明显变小，片层结构更加显著。在无烟煤的溶胀实验中发现吡啶/二甲苯处理煤的溶胀率最高，溶胀煤的片层结构发育，片层厚度小于50nm；吡啶/二甲苯的组合溶胀剂具有插层作用，有效扩大了芳香片层的层间距。在尿素、二甲基亚砜、甲酰胺等小分子插层无烟煤时，石墨峰位置没有偏移，芳香片层的层间距并没有扩大；随着反应时间的增加，片层的定向性和似石墨化程度先增强后减弱。当丙烯酸、乙酸乙烯酯、丙烯酰胺聚合改性无烟煤煤样时，石墨衍射峰向小角度偏移，实现了对芳香片层的插层改性；随着煤样含量的增加，插层程度呈现先增大后减小的趋势。采用球磨机和纳米磨对无烟煤进行了球磨改性，总结出了球磨改性的最佳工艺条件，发现炭化煤经L13-T01联合干法改性和磺酸盐-T11联合湿法改性时，煤样的-2μm粒度累计百分含量为88？91%左右，-5μm粒度累计百分含量为96？99%左右；复合改性剂改性煤样的颗粒之间相互接触很少，分散性很好。改性煤粉填充丁苯橡胶的拉伸强度、撕裂强度、定伸强度、扯断伸长率等力学性能指标有了大幅提高，改性煤粉对橡胶具有很好的补强性能，与炭黑的填充性能相当。其中，以L13-T01干法改性煤样填充橡胶的综合补强性能最好；同时，改性煤粉填充丁苯橡胶复合材料的透气率较纯丁苯橡胶也大幅度下降，相对渗透率仅为纯胶的6.72？20.86%，具有很好的气体阻隔和热稳定性。采用碳化-酸浸-插层-磨剥改性的工艺，获得了一种制备具有增强、阻隔双重功效的煤基功能性材料的新方法。最后，提出了煤基填料的分散性评价模型和解释煤粉补强机理的力学增强模型和气体阻隔模型。