CN100436323C - 一种填充阻燃剂纳米氢氧化镁铝的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及填充阻燃剂纳米氢氧化镁铝的制备方法，该制备方法以转炉渣为原料，硫酸为浸出剂，经除铁，控制pH值，经过热结晶法处理后，再经过滤、洗涤和干燥处理，最终获得纳米氢氧化镁铝产品。本发明使用的是钢铁行业的固体废弃物-转炉渣为原料，生产成本低，工艺流程短，产品质量好。纳米氢氧化镁铝具有高效阻燃、增强强度和电绝缘性等功能，可用作中等强度的填充剂，也可以应用于柔性PVC电线和电缆中。

Description

一种填充阻燃剂纳米氢氧化镁铝的制备方法
技术领域
本发明涉及工业废弃物的综合利用，具体涉及非金属材料加工技术领域，特别是利用转炉渣制备纳米氢氧化镁铝的方法。
背景技术
随着钢产量的逐年增加，固体废弃物逐年增多，转炉渣就是其中的一种，排放量一般为粗钢产量的10％～15％，但因为转炉渣中钙含量较高，存在粉化现象，制约其应用，目前转炉渣的应用范围较窄，且均为低附加值产品，在环境意识逐渐增强的今天，加强对转炉渣再利用技术的研究已成为热点课题。
目前转炉渣的处理技术主要有一下几种：回收转炉渣中的废钢铁；转炉渣用作烧结矿熔剂；转炉渣用作炼钢返回渣；转炉渣用作铁水预处理熔剂；利用转炉渣生产水泥；经处理后的转炉渣用于铺路和生产建筑材料；转炉渣用作被污染水域的水质净化剂；用转炉渣生产喷磨料，但上述方法都未达到对转炉渣的有效的利用，且附加值较低。
随着高分子材料的广泛应用，其耐火安全性越来越受到人们的重视，对高分子材料的阻燃性和其它性能的要求也越来越高。一般含卤阻燃高分子材料发生火灾时释放出大量烟雾和氯化氢、氰化氢、苯乙烯等有毒、有害腐蚀性气体，对人员和精密仪器带来极大损害，火灾事故中的人员致死原因80％以上与材料产生的浓烟和有毒气体有关。无论是从环保角度还是从安全的角度，生产和利用无卤、低烟、无毒、无腐蚀性的阻燃聚合物材料具有十分重要的意义。
目前，阻燃剂的80％为卤素类，无机阻燃剂的用量还不到10％；而先进地区无机系阻燃剂占阻燃剂总量的50％～60％，作为填充型阻燃剂，必须要有一定的细度，粒度越细，受热分解速度越高，阻燃效果也越好，粒度越细，制品的强度、韧性和表面质量也会得到改善。关于纳米氢氧化镁铝的研究，主要是化学共沉淀法，先制备成氢氧化镁铝的溶胶，最佳pH值范围为9.0～9.2。溶胶中铝镁摩尔比随混合溶液中铝镁摩尔比的增加而增加，但总是低于混合溶液中的配比；随着混合溶液中铝镁摩尔比的增加溶胶的固体含量降低，产率下降。
发明内容
为了克服已知技术存在的缺陷，本发明的目的提出一种以转炉渣为原料制备纳米氢氧化镁铝阻燃剂的工艺方法。
本发明提供一种以转炉渣为原料制备纳米氢氧化镁铝的方法，主要利用工业废硫酸与转炉渣混合制取填充阻燃剂纳米氢氧化镁铝，以达到减轻环境污染、合理利用资源的目的。
制备方法是：以转炉渣为原料，采用硫酸与转炉渣反应生成酸解溶液，控制该溶液的pH值，经高温结晶、过滤，除铁渣制备氧化铁红，除铁液通过控制溶液中镁和铝离子含量，加入调整剂控制pH值，经热结晶、过滤、洗涤和真空干燥后，得到纳米氢氧化镁铝产品。
本发明的具体工艺包括：
(1)酸解：以转炉渣为原料和硫酸反应，转炉渣粒度为0.04～0.09mm，硫酸浓度为10％～30％，加入量为转炉渣重量的4～7倍，反应时间为40～120min；
(2)分离：将转炉渣和硫酸反应后的浸出液过滤，得到滤液，滤渣可以制备硫酸钙晶须；
(3)高温除铁：往酸解液中加入纯碱，调制溶液的pH值为2～7，在160℃条件下反应90min后，过滤，滤渣可以制备氧化铁红；
(4)调和：除铁后的溶液中加入氧化镁、氢氧化镁、铝酸钠、氢氧化铝或氧化铝，控制溶液中Mg2+和Al3+离子的含量均为10％～30％，调整pH值为8～10；
(5)热结晶：将调和后的溶液中加入溶剂丙三醇、聚乙二醇或聚丙烯酰胺，加入量为1％～5％，加完溶剂后，将溶液放入到反应釜中，控制温度为：50℃～140℃，压力为0～0.6MPa，时间为60min～600min，搅拌转速控制为10～90转/min；
(6)真空干燥：热结晶反应后过滤，滤液循环使用，氢氧化镁铝在温度为60℃～120℃，真空度≤0.095MPa的条件下，干燥60min～120min，最终获得纳米氢氧化镁铝产品。
其中，转炉渣成分及重量百分比为：
转炉渣成分      SiO2       CaO        MgO       Al2O3      Fe2O3   其他
重量百分比      6～14      42～50     4～12     1～6       21～29  2～5
转炉渣成分中：其他为S、P、F和Na。
本发明方法制备的纳米氢氧化镁铝Mg2Al(OH)5，密度为2.2g/cm3，比表面积为19.98m2/g，密装堆积密度0.62g/cm3，直径为40nm～100nm，拉伸强度为9.72MPa，拉伸伸长率156％，氧指数34％，含水量≤0.25％。
本发明具有如下优点：
利用钢铁冶金废弃物-转炉渣为原料，有效地解决了转炉渣对周围环境的污染，采用热结晶法制备纳米氢氧化镁铝，工艺流程短，生产成本低。
附图说明
附图1是本发明制备纳米氢氧化镁铝的工艺流程图
具体实施方式
本发明一种填充阻燃剂纳米氢氧化镁铝的制备方法实施过程通过以下实施例加以详细说明。
实施例1
选取：以粒度为0.04mm的转炉渣40g为原料(转炉渣成分如表1)和10％硫酸240g反应，反应温度为50℃，反应时间为40min；经过滤分离，固相为含有二氧化硅的硫酸钙，可以制备硫酸钙晶须；液相用氧化镁调制溶液的pH值为6，控制反应温度为180℃，保温时间为40min，过滤，滤渣可以制备氧化铁红；滤液中加入铝酸钠，控制除铁后溶液中镁和铝离子含量：Mg2+含量为15％，Al3+含量为10％，控制pH值为10；往调和后的溶液中加入聚乙二醇和聚丙稀酰铵的混合物，加入量分别为1％，将溶液放入到反应釜中，控制温度为120℃，压力为0.2MPa，时间为100min，搅拌转速控制为40转/min；热结晶反应结束后过滤、洗涤，并在温度为60℃、真空度为0.095MPa的条件下，干燥90min，最终获得纳米氢氧化镁铝产品；滤液循环使用。
表1转炉渣成分及重量百分比
转炉渣成分   SiO2    CaO     MgO     Al2O3    Fe2O3   其他
重量百分比   9.31    46.51   10.92   2.26     25.79   5.21
实施例2
选取：以粒度为0.074mm的转炉渣40g为原料(转炉渣成分如表2)和10％硫酸240g反应，反应温度为90℃，反应时间为60min；经过滤分离，固相为含有二氧化硅的硫酸钙，可以制备硫酸钙晶须；液相用碳酸镁调制溶液的pH值为6，控制反应温度为160℃，保温时间为40min，过滤，滤渣可以制备氧化铁红；滤液中加入铝酸钠，控制除铁后溶液中镁和铝离子含量：Mg2+含量为15％，Al3+含量为10％，控制pH值为10；往调和后的溶液中加入1％的聚丙稀酰铵，将溶液放入到反应釜中，控制温度为100℃，压力为0.1MPa，时间为200min，搅拌转速控制为20转/min；热结晶反应结束后过滤、洗涤，并在温度为60℃、真空度为0.095MPa的条件下，干燥90min，最终获得纳米氢氧化镁铝产品；滤液循环使用。
表2转炉渣成分及重量百分比
转炉渣成分     SiO2      CaO     MgO       Al2O3     Fe2O3      其他
重量百分比     11.26     48.64   11.2      2.67      21.44      4.79
实施例3
选取：以粒度为0.09mm的转炉渣40g为原料(转炉渣成分如表1)和20％硫酸160g反应，反应温度为80℃，反应时间为45min；经过滤分离，固相为含有二氧化硅的硫酸钙，可以制备硫酸钙晶须；液相用氧化镁调制溶液的pH值为6，控制反应温度为150℃，保温时间为60min，过滤，滤渣可以制备氧化铁红；滤液中加入铝酸钠，控制除铁后溶液中镁和铝离子含量：Mg2+含量为15％，Al3+含量为10％，控制pH值为9；往调和后的溶液中加入聚丙稀酰铵，加入量分别为2％，将溶液放入到反应釜中，控制温度为90℃，压力为0.1MPa，时间为200min，搅拌转速控制为20转/min；热结晶反应结束后过滤、洗涤，并在温度为100℃、真空度为0.095MPa的条件下，干燥40min，最终获得纳米氢氧化镁铝产品；滤液循环使用。
实施例4
选取：以粒度为0.074mm的转炉渣40g为原料(转炉渣成分如表1)和20％硫酸160g反应，反应温度为90℃，反应时间为90min；经过滤分离，固相为含有二氧化硅的硫酸钙，可以制备硫酸钙晶须；液相用氧化镁调制溶液的pH值为6，控制反应温度为170℃，保温时间为50min，过滤，滤渣可以制备氧化铁红；滤液中加入铝酸钠，控制除铁后溶液中镁和铝离子含量：Mg2+含量为15％，Al3+含量为10％，控制pH值为8；往调和后的溶液中加入聚乙二醇，加入量为2％，将溶液放入到反应釜中，控制温度为70℃，压力为0.1MPa，时间为400min，搅拌转速控制为10转/min；热结晶反应结束后过滤、洗涤，并在温度为80℃、真空度为0.095MPa的条件下，干燥80min，最终获得纳米氢氧化镁铝产品；滤液循环使用。
实施例5
选取：以粒度为0.05mm的转炉渣40g为原料(转炉渣成分如表2)和15％硫酸200g反应，反应温度为80℃，反应时间为45min；经过滤分离，固相为含有二氧化硅的硫酸钙，可以制备硫酸钙晶须，液相用氧化镁调制溶液的pH值为6，控制反应温度为160℃，保温时间为60min；过滤，滤渣可以制备氧化铁红；滤液中加入铝酸钠，控制除铁后溶液中镁和铝离子含量：Mg2+含量为15％，Al3+含量为10％，控制pH值为10；往调和后的溶液中加入1％的聚乙二醇，将溶液放入到反应釜中，控制温度为140℃，压力为0.5MPa，时间为100min，搅拌转速控制为90转/min热结晶反应结束后过滤、洗涤，并在温度为120℃、真空度为0.095MPa的条件下，干燥40min，最终获得纳米氢氧化镁铝产品；滤液循环使用。
氢氧化镁铝阻燃剂在EVA中的应用，如下表所示(EVA(13-8)∶氢氧化镁铝＝1∶1)
样品   拉伸强度Mpa   拉伸伸长率％ 外观 氧指数％
  无机阻燃剂   9.35   179   光滑、白   31
  实施例1   9.72   172   光滑、白   34
  实施例2   9.64   172   光滑、白   34
  实施例3   9.75   169   光滑、白   31
  实施例4   9.51   180   光滑、白   30
  实施例5   9.74   156   光滑、白   34

Claims (2)

1、一种填充阻燃剂纳米氢氧化镁铝的制备方法，其特征在于该制备方法包括：
(1)酸解：以转炉渣为原料和硫酸反应，转炉渣粒度为0.04～0.09mm，硫酸浓度为10％～30％，加入量为转炉渣重量的4～7倍，反应时间为40～120min；
(2)分离：将转炉渣和硫酸反应后的浸出液过滤，得到滤液，滤渣用来制备硫酸钙晶须；
(3)高温除铁：往酸解液中加入纯碱，调制溶液的pH值为2～7，在160℃条件下反应90min后，过滤，滤渣用来制备氧化铁红；
(4)调和：除铁后的溶液中加入氧化镁、氢氧化镁、铝酸钠、氢氧化铝或氧化铝，控制溶液中Mg2+和Al3+离子的含量均为10％～30％，调整pH值为8～10；
(5)热结晶：将调和后的溶液中加入溶剂丙三醇、聚乙二醇或聚丙烯酰胺，加入量为1％～5％，加完溶剂后，将溶液放入到反应釜中，控制温度为：50℃～140℃，压力为0～0.6MPa，时间为60min～600min，搅拌转速控制为10～90转/min；
(6)真空干燥：热结晶反应后过滤，滤液循环使用，氢氧化镁铝在温度为60℃～120℃、真空度≤0.095MPa的条件下，干燥60min～120min，最终获得纳米氢氧化镁铝产品。
2、按权利要求1所述的填充阻燃剂纳米氢氧化镁铝的制备方法，其特征在于所用转炉渣成分按重量百分比如下：
SiO2    CaO     MgO    Al2O3   Fe2O3    其他
6～14       42～50  4～12  1～6            21～29           2～5
其他为S、P、F和Na。
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