CN106519453A - 一种利用改性煤矸石制备聚丙烯塑料的方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用改性煤矸石制备聚丙烯塑料的方法，属于塑料制备领域，其特征在于包括如下步骤：（1）将煤矸石磨粉于345‑350℃加热，加入HCl，搅拌2.5h，过滤；（2）加入硅烷偶联剂KH‑550醇溶液，在高速搅拌机中均匀，搅拌30min；（3）用双螺杆挤出机将聚丙烯100g和煤矸石20 g填料混炼造粒，粒料经烘干后再用注塑机在150‑170℃成型，完成制备。通过对煤矸石利用酸浸法法除杂改性，并将之应用与聚丙烯填料中，一方面对之进行资源化利用，减少了环境污染，另一方面，替代传统无机填料，降低了聚丙烯塑料成本。

Description

一种利用改性煤矸石制备聚丙烯塑料的方法
技术领域
本发明属于塑料制备领域，尤其涉及一种利用改性煤矸石制备聚丙烯塑料的方法。
背景技术
随着塑料工业的蓬勃发展，填料的价格也日益上涨。煤矸石是煤矿企业排出的固体废弃物，同时也是一种宝贵的资源，对其的资源化利用主要集中在煤炭工业、建筑材料和化工原料领域，利用层次较低，经济效益也很低。聚丙烯是应用较为广泛的塑料之一，通过添加填料，可使聚丙烯的刚性、尺寸稳定性等得到提高，还可降低产品成本，目前已成为常用的聚丙烯改性手段。目前用于聚丙烯改性的填充材料主要有碳酸钙、二氧化硅、氢氧化铝、石墨、木粉、淀粉等无机和有机物。
煤矸石主要含有Si02：、Al2O3，和类炭黑物质，以及其他金属元素如铁、钙、钾等的氧化物，与聚丙烯填料的组成相接近，且表面常带有硅羟基(Si-OH)、铝羟基(Al-0H)等可反应性基团，有利于对其进行化学改性，因此可将其利用制备聚丙烯填料。不过煤矸石含少量铁等金属元素，影响产品白度，进而限制了产品的应用领域。
发明内容
本发明旨在解决上述问题，提供一种利用改性煤矸石制备聚丙烯塑料的方法。
本发明的技术方案为：
一种利用改性煤矸石制备聚丙烯塑料的方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）将煤矸石磨粉于345-350℃加热2h后，加入HCl，搅拌2.5h，过滤，将滤饼于800-850℃下焙烧1.5h；
（2）加入0.5％的硅烷偶联剂KH-550醇溶液，在高速搅拌机中均匀，搅拌30min，120℃烘干2h；
（3）用双螺杆挤出机将聚丙烯100g和煤矸石20 g填料混炼造粒，粒料经烘干后再用注塑机在150-170℃成型，完成制备。
本发明所述的利用改性煤矸石制备聚丙烯塑料的方法，所述HCl的固液比为1：1.1，浓度为20％。
本发明所述的利用改性煤矸石制备聚丙烯塑料的方法，所述KH-550醇溶液的各组分比例KH-550：醇：水为20：72：8。
本发明所述的利用改性煤矸石制备聚丙烯塑料的方法，所述煤矸石粉磨为74µm。
本发明所述的利用改性煤矸石制备聚丙烯塑料的方法，所述双螺杆挤出机工作于190℃，螺杆转速为90r/min。
本发明的技术效果在于：
本发明所述的利用改性煤矸石制备聚丙烯塑料的方法，通过对煤矸石利用酸浸法法除杂改性，并将之应用与聚丙烯填料中，一方面对之进行资源化利用，减少了环境污染，另一方面，替代传统无机填料，降低了聚丙烯塑料成本。
具体实施方式
实施例1
一种利用改性煤矸石制备聚丙烯塑料的方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）将煤矸石磨粉于345℃加热2h后，加入HCl，搅拌2.5h，过滤，将滤饼于800℃下焙烧1.5h；
（2）加入0.5％的硅烷偶联剂KH-550醇溶液，在高速搅拌机中均匀，搅拌30min，120℃烘干2h；
（3）用双螺杆挤出机将聚丙烯100g和煤矸石20 g填料混炼造粒，粒料经烘干后再用注塑机在150℃成型，完成制备。
本发明所述的利用改性煤矸石制备聚丙烯塑料的方法，所述HCl的固液比为1：1.1，浓度为20％。
本发明所述的利用改性煤矸石制备聚丙烯塑料的方法，所述KH-550醇溶液的各组分比例KH-550：醇：水为20：72：8。
本发明所述的利用改性煤矸石制备聚丙烯塑料的方法，所述煤矸石粉磨为74µm。
本发明所述的利用改性煤矸石制备聚丙烯塑料的方法，所述双螺杆挤出机工作于190℃，螺杆转速为90r/min。通过对煤矸石的成分进行分析，可以知道煤矸石主要由SiO2，Al2O3等构成，此外还含有少量FeO、C等杂质，这些杂质为黄褐色，影响了填料的白度，也使聚丙烯塑料的应用受到一定限制，所以应予以除去，考虑到煤矸石中的Fe可以通过酸溶的方法进行去除，而碳则可以通过煅烧的方法除去，而将碳去除掉后，煤矸石表面积增大，有利于Fe的去除，因此宜先脱碳，后除铁，不过煤矸石中的Fe、C等杂质分散于整个煤矸石体系中，因此在脱碳前，需要将煤矸石粉磨，以便C的去除。
随着研磨粒度的减小，填料的白度也不断提高，当粒度达到到74µm时，填料白度可以达到62％，考虑到后续对填料进行除铁处理后，还要进一步高温煅烧，白度可以继续提高，该步处理已满足基本除碳要求，研磨过细磨机消耗能量过多，且工作负荷过大，因此确定适宜的研磨粒度为74µm；而碳的脱除率与煅烧温度有很大关系，当温度低于200℃时，脱除效果很差，当温度高于200℃后，随着煅烧温度的提高，碳的脱除效果也越益明显，不过当温度高于350℃后，白度增加不明显，考虑到填料白度的提高不仅与碳有关，还与Fe有直接关系，而且大部分碳已经脱除掉，为Fe的脱除创造了有利的表面积，即使有少量碳未脱除完全，也可以在后续工艺中进一步高温脱除，继续升温能量消耗较大，因此确定适宜的脱碳温度为350℃。经过350℃处理后的煤矸石，采用HCl溶液浸渍除去Fe效果较好，而Al则溶解较少，这是由于在350℃处理下，盐酸对高岭石的晶形结构破坏很小，而Fe则转变为Fe2O3在强酸下溶解率较高，因此可以利用此方法较容易的实现Fe、Al的分离。
HCl浓度对Fe的脱除有一定影响，浓度太高，溶液黏度变大，不利于Fe离子的扩散，也自然不利于去除；而浓度太低，则会造成反应时间变长，更严重的是会引起Al溶出率的增加；而三氧化二铝亦是常用的塑料填料，且二氧化硅与三氧化二铝，也可在Na存在条件下发生反应，因此不宜将之脱除。当HCl浓度为20％时，Fe的脱除率较高，Al的去除率较少；因此确定适宜的HCl浓度为20％。随着Hcl溶液用量的增加，Fe的脱除率不断提高，不过Al也随之被脱除。当固液固比达到1：1.1时，Fe的脱除率达到94.3％，而Al的脱除率为1.4％，继续增加HCl用量，对Fe的脱除效果不明显；而Al却随着HCl用量的增加而不断被去除，对制备聚丙烯填料不利，因此确定适宜的固液比为1：1.1。
在800℃煅烧条件下，Nacl的加入可以显著提高填料的白度，当加入量达到煤矸石质量的5％时，白度可以达到91％，已经符合聚丙烯填料的要求，继续增加Nacl用量无意义，因此考虑适宜的NaCl用量为煤矸石质量的5％；煤矸石中的炭以有机物、元素碳、石墨3种形式出现，各自对应的氧化燃点分别为460～490℃，620～700℃以及800～840℃，而当温度高于970℃后，填料又会发生转化，生成新的物相，考虑到生产过程中工艺控制等方面的要求，煅烧温度应在500～950℃之间，而在Nacl用量为5％的条件下，随着煅烧温度的升高，填料的白度也不断提高，不过研究中，当煅烧温度达到750℃后，填料的白度已经达到83％，分析认为可能本研究中煤矸石基本不含石墨碳，也有可能是在前期脱碳过程中部分难去除碳发生一定程度转化而造成的，温度达到800℃时，煤矸石白度达到87％，由于此煅烧温度下，煤矸石填料已符合聚丙烯填料要求，且继续升温白度基本不变，因此确定适宜的煅烧温度为800℃。
实施例2
一种利用改性煤矸石制备聚丙烯塑料的方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）将煤矸石磨粉于350℃加热2h后，加入HCl，搅拌2.5h，过滤，将滤饼于850℃下焙烧1.5h；
（2）加入0.5％的硅烷偶联剂KH-550醇溶液，在高速搅拌机中均匀，搅拌30min，120℃烘干2h；
（3）用双螺杆挤出机将聚丙烯100g和煤矸石20 g填料混炼造粒，粒料经烘干后再用注塑机在170℃成型，完成制备。
本发明所述的利用改性煤矸石制备聚丙烯塑料的方法，所述HCl的固液比为1：1.1，浓度为20％。
本发明所述的利用改性煤矸石制备聚丙烯塑料的方法，所述KH-550醇溶液的各组分比例KH-550：醇：水为20：72：8。
本发明所述的利用改性煤矸石制备聚丙烯塑料的方法，所述煤矸石粉磨为74µm。
本发明所述的利用改性煤矸石制备聚丙烯塑料的方法，所述双螺杆挤出机工作于190℃，螺杆转速为90r/min。填料煅烧后，由于比表面积大，孔隙率高，与聚丙烯塑料混合后，吸油率高，对降低塑料成本不利，而且填料显极性，聚丙烯显非极性，填充体系界面难以形成良好的结合和牢固的粘结，相容性差。KH-550的加入可以显著改变聚丙烯塑料的力学性能，当加入量达到0.5％时，拉伸强度达到35.4 MPa，缺口冲击强度达到11.7J/m，符合工程塑料的基本要求，继续增加KH-550的加入量，可能由于其促进了煤矸石粉体之间以及聚丙烯本体之间的相互作用，缺口冲击强度下降很快，因此确定适宜的KH-550加入量为0.5％。
加入煤矸石填料后，聚丙烯的拉伸强度和缺口冲击强度都发生变化，当加入量较少时，拉伸强度和缺口冲击强度都随着煤矸石添加量的增加而增加，当加入量达到20％时，二者都达到最大值，继续增加加入量，二者都迅速下降，这可能是由于无机粒子刚性大，并且在粉磨过程中有部分小粒子，当加入量较少时，对提高聚丙烯的拉伸强度以及防止银纹发展有一定益处，而加入量过多，无机粒子发生团聚现象，无法与聚丙烯本体有效分散，因此其拉伸强度和缺口冲击强度都迅速下降，故确定适宜的煤矸石加入量为20％。

Claims (5)

1.一种利用改性煤矸石制备聚丙烯塑料的方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）将煤矸石磨粉于345-350℃加热2h后，加入HCl，搅拌2.5h，过滤，将滤饼于800-850℃下焙烧1.5h；
（2）加入0.5％的硅烷偶联剂KH-550醇溶液，在高速搅拌机中均匀，搅拌30min，120℃烘干2h；
（3）用双螺杆挤出机将聚丙烯100g和煤矸石20 g填料混炼造粒，粒料经烘干后再用注塑机在150-170℃成型，完成制备。
2.根据权利要求1所述的利用改性煤矸石制备聚丙烯塑料的方法，其特征在于：所述HCl的固液比为1：1.1，浓度为20％。
3.根据权利要求1所述的利用改性煤矸石制备聚丙烯塑料的方法，其特征在于：所述KH-550醇溶液的各组分比例KH-550：醇：水为20：72：8。
4.根据权利要求1所述的利用改性煤矸石制备聚丙烯塑料的方法，其特征在于：所述煤矸石粉磨为74µm。
5.根据权利要求1所述的利用改性煤矸石制备聚丙烯塑料的方法，其特征在于：所述双螺杆挤出机工作于190℃，螺杆转速为90r/min。
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