CN106987767B - 环保型铁基材料及其制品、应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及材料领域，具体地本发明涉及环保型铁基材料及其制品、应用。具体公开了一种环保型铁基材料，以重量份计，至少包括以下制备原料：铁料100份；含硅还原剂50～300份。
Description
技术领域
本发明涉及材料领域，具体地本发明涉及环保型铁基材料及其制品、应用。
背景技术
传统生产硅铁的主要原料是硅石、钢屑和焦炭，而钢屑作为冶炼硅铁合金的重要原材料，每年的消耗量在200万t左右，而产量却只有180万t左右。近年来受电价、矿石、普碳钢屑价格上涨及产能过剩等因素的影响，铁合金企业面临着举步维艰的局面。因此，采用廉价的原材料代替传统工艺材料是铁合金将来必定的发展方向。
另一方面我国低品位赤铁矿资源十分丰富，大量嵌布粒度细微、嵌布关系复杂、杂质含量高、可选性差的贫铁矿资源处于开发利用研究阶段，因而，非常有必要研发出一种环保型铁基材料。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的第一个方面提供了一种环保型铁基材料，以重量份计，至少包括以下制备原料：
铁料 100份；
含硅还原剂 50～300份。
作为本发明一种优选的技术方案，所述铁料选自：钢屑、双光铁料、热轧铁料、麻面铁料、单光铁料、镀铁料、氧化铁皮、铁屑、铁锈、氧化铁、云母氧化铁、氧化铁红、铁丹、铁粉、氢氧化铁、氧化亚铁、四氧化三铁中的一种或几种的混合。
作为本发明一种优选的技术方案，所述含硅还原剂选自：硅烷、二氧化硅、碳化硅、硅化石墨中的任意一种或几种的混合。
作为本发明一种优选的技术方案，所述环保型铁基材料中还包括10～200份重量份硫磺胶。
作为本发明一种优选的技术方案，所述硫磺胶，以重量份计，至少包括以下组分：
作为本发明一种优选的技术方案，所述纳米二氧化硅为铁修饰纳米二氧化硅。
本发明的第二个方面提供了上述环保型铁基材料在3D打印领域中的应用。
本发明的第三个方面提供了一种铁路坠砣，所述铁路坠砣通过上述环保型铁基材料制备得到。
本发明的第四个方面提供了一种铁路坠砣的制备方法，至少包括以下步骤：
(1)按照坠砣的形体特征制作铁骨架和模板；
(2)借助模板定位铁骨架将环保型铁基材料浇注、固化成型。
本发明的第五个方面提供了环保型铁基材料在铁路、交通、电气、机械领域的中的应用。
参考以下详细说明更易于理解本申请的上述以及其他特征、方面和优点。
具体实施方式
参选以下本发明的优选实施方法的详述以及包括的实施例可更容易地理解本发明的内容。除非另有限定，本文使用的所有技术以及科学术语具有与本发明所属领域普通技术人员通常理解的相同的含义。当存在矛盾时，以本说明书中的定义为准。
如本文所用术语“由…制备”与“包含”同义。本文中所用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。
连接词“由…组成”排除任何未指出的要素、步骤或组分。如果用于权利要求中，此短语将使权利要求为封闭式，使其不包含除那些描述的材料以外的材料，但与其相关的常规杂质除外。当短语“由…组成”出现在权利要求主体的子句中而不是紧接在主题之后时，其仅限定在该子句中描述的要素；其它要素并不被排除在作为整体的所述权利要求之外。
当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。例如，当公开了范围“1至5”时，所描述的范围应被解释为包括范围“1至4”、“1至3”、“1至2”、“1至2和4至5”、“1至3和5”等。当数值范围在本文中被描述时，除非另外说明，否则该范围意图包括其端值和在该范围内的所有整数和分数。
单数形式包括复数讨论对象，除非上下文中另外清楚地指明。“任选的”或者“任意一种”是指其后描述的事项或事件可以发生或不发生，而且该描述包括事件发生的情形和事件不发生的情形。
说明书和权利要求书中的近似用语用来修饰数量，表示本发明并不限定于该具体数量，还包括与该数量接近的可接受的而不会导致相关基本功能的改变的修正的部分。相应的，用“大约”、“约”等修饰一个数值，意为本发明不限于该精确数值。在某些例子中，近似用语可能对应于测量数值的仪器的精度。在本申请说明书和权利要求书中，范围限定可以组合和/或互换，如果没有另外说明这些范围包括其间所含有的所有子范围。
此外，本发明要素或组分前的不定冠词“一种”和“一个”对要素或组分的数量要求(即出现次数)无限制性。因此“一个”或“一种”应被解读为包括一个或至少一个，并且单数形式的要素或组分也包括复数形式，除非所述数量明显旨指单数形式。
为了解决上述技术问题，本发明的第一个方面提供了一种环保型铁基材料，以重量份计，至少包括以下制备原料：
铁料 100份；
含硅还原剂 50～300份。
在一种更优选的实施方式中，所述的环保型铁基材料，以重量份计，至少包括以下制备原料：
铁料 100份；
含硅还原剂 100～200份。
在一种最优选的实施方式中，所述的环保型铁基材料，以重量份计，至少包括以下制备原料：
铁料 100份；
含硅还原剂 150份。
铁料
本发明中，所述铁料是指包括含铁的一切物料，可以列举的有：钢屑、双光铁料、热轧铁料、麻面铁料、单光铁料、镀铁料、氧化铁皮、铁屑、铁锈、氧化铁、云母氧化铁、氧化铁红、铁丹、铁粉、氢氧化铁、氧化亚铁、四氧化三铁等。
在一种优选的实施方式中，所述铁料选自：钢屑、双光铁料、热轧铁料、麻面铁料、单光铁料、镀铁料、氧化铁皮、铁屑、铁锈、氧化铁、云母氧化铁、氧化铁红、铁丹、铁粉、氢氧化铁、氧化亚铁、四氧化三铁中的一种或几种的混合。
所述氧化铁皮是氧和铁两种元素的扩散过程，氧由表面向铁的内部扩散，而铁则向外部扩散。外层氧的浓度大，铁的浓度小，生成铁的高价氧化物；内层铁的浓度大，而氧的浓度小，生成氧的低价氧化物。所以氧化铁皮的结构是分层的。
钢材锻造和热轧热加工时，由于钢铁和空气中氧的反应，常会大量形成氧化铁皮，造成堆积，浪费资源。如果对这些资源合理利用，可以降低生产成本，同时可以起到环保节能作用。氧化铁皮的主要成分是Fe2O3、Fe3O4、FeO。其中，氧化铁皮最外层为Fe2O3，约占氧化铁皮厚度10％，阻止氧化作用；中间为Fe3O4，约50％，最里面与铁相接触为FeO，约40％。
一般氧化铁皮的层次有三层：最外一层为Fe2O3，约占整个氧化铁皮厚度的10％，其性质是：细腻有光泽、松脆、易脱落；并且有阻止内部继续剧烈氧化的作用；第二层是Fe2O3和FeO的混合体，通常写成Fe3O4，约占全部厚度的50％；与金属本体相连的第三层是FeO，约占氧化铁皮厚度的40％，FeO的性质发粘，粘到钢料上不易除掉。
氧化铁皮可分为一次氧化铁皮、二次氧化铁皮、三次氧化铁皮和红色氧化铁皮。
一次氧化铁皮：钢在热轧前，往往要在1100～1300℃加热和保温。在此温度下，钢表面于高温炉气接触发生氧化反应，生成1～3mm厚的一次鳞以及由粗轧侧压不充分、除鳞不彻底所致。该一次鳞也称为一次氧化铁皮。一次鳞的内部存在有较大的空穴，一次氧化铁皮为灰黑色鳞层，呈片状覆盖在钢板表面。鳞层主要成分由磁铁矿(Fe3O4)组成。
二次氧化铁皮：热轧钢坯从加热炉出来后，经高压水除去一次鳞后，即表面氧化铁皮脱落，进行粗轧。在短时间的粗轧过程中钢坯表面与水和空气接触,钢坯表面产生了二次鳞，也称为一次氧化铁皮。二次鳞受水平轧制的影响厚度较薄，钢坯与鳞的界面应力小，所以剥离性差。如果喷射高压水不能完全除去二次鳞,鳞残留在钢板表面的情况下进行精轧，产品表面就会出现缺陷。二次氧化铁皮为红色鳞层，呈明显的长条、压入状，沿轧制方向带状分布，鳞层主要成分由方铁矿(FeO)、赤铁矿(Fe2O3)等微粒组成。
三次氧化铁皮：热轧精轧过程中，带钢进入每架轧机时都将产生表面氧化铁皮层。轧制后通过最终的除鳞或在每架轧机之间时还将再次产生氧化铁皮。因此，轧辊作用下的带钢表面条件将取决于进入各架轧机前形成的氧化铁皮的数量和特性。这时的氧化铁皮称为三次氧化铁皮，因为它是在除鳞之后。进入精轧机之前形成的。
含硅还原剂
本发明中，所述含硅还原剂为含有硅元素的还原剂，具体可以列举的有：硅烷、二氧化硅、碳化硅、硅化石墨等。
当然，本发明中，所使用的含硅还原剂还可以包括含硅还原剂与其他类还原剂的组合使用。所述的其他类还原剂可以列举的有：单质碳、氢气、天然气、石墨等。
在一种优选的实施方式中，所述含硅还原剂为硅烷、二氧化硅、碳化硅中的任意一种或几种的混合。
本发明所述硅烷为包括甲硅烷(SiH4)、乙硅烷(Si2H6)和一些更高级的硅氢化合物等。
本发明所述二氧化硅不限于固体二氧化硅、粉末状二氧化硅、纳米二氧化硅等。
在一种优选的实施方式中，所述含硅还原剂为纳米二氧化硅。
术语“碳化硅”又名金刚砂，可以为黑色或绿色碳化硅。
在一种优选的实施方式中，所述含硅还原剂为碳化硅-碳化钛复合材料。
所述碳化硅-碳化钛的制备方法如下：
将SiC、TiO2和炭黑按摩尔比为：1：1：1，混合后放置研磨罐中，加入乙醇为介质，研磨混料6h，然后将混合料转入烘箱中于100℃下干燥20h。然后取适量的粉末样品装入石墨坩埚中，在真空热压炉中于1200～1400℃真空条件下合成SiC-TiC复合材料。
在一种优选的实施方式中，所述含硅还原剂为硅化石墨。
作为本发明一种优选的技术方案，所述还原剂的粒径为0.01～100mm，优选地，所述还原剂的粒径为5～20mm，更优选地，所述还原剂的粒径为5mm。
以铁料为氧化铁皮和还原剂为二氧化硅和单质碳为例：
所述烘干系统内的主要化学反应方程式为：
①SiO2+2C＝Si+2CO；
②SiO2+2C＝SiO+CO；
③SiO2+3C＝SiC+2CO；
④SiO2+2SiC＝3Si+2CO；
⑤SiO+2C＝SiC+CO；
⑥Fe+Si＝FeSi；
⑦Fe+SiC＝FeSi+C。
在一种优选的实施方式中，所述环保型铁基材料的制备方法，至少包括以下步骤：将铁料与含硅还原剂送入反应炉，并升温至500～2000℃，混炼1～10h后，得到环保型铁基材料。
在一种优选的实施方式中，所述环保型铁基材料中还包括10～200份重量份硫磺胶。
所述“硫磺胶”并没有特别的限制，可以市售获得，也可以为自制得到。
在一种更优选的实施方式中，所述硫磺胶，以重量份计，至少包括以下组分：
在一种更优选的实施方式中，所述硫磺胶，以重量份计，至少包括以下组分：
在一种最优选的实施方式中，所述硫磺胶，以重量份计，至少包括以下组分：
硫磺粉
本发明中，所述的硫磺粉别名硫、胶体硫、硫黄块。外观为淡黄色脆性结晶或粉末，有特殊臭味。分子量为32.06，蒸汽压是0.13kPa，闪点为207℃，熔点为119℃，沸点为444.6℃，相对密度(水＝1)为2.0。硫磺不溶于水，微溶于乙醇、醚，易溶于二硫化碳。作为易燃固体，硫磺主要用于制造染料、农药、火柴、火药、橡胶、人造丝等。
液态硅胶
本发明中，所述液态硅胶并没有特别的限制，可以为市售的任何一种牌号的液态硅胶。
超支化环氧树脂
本发明中，所述超支化环氧树脂并没有特别的限制，可以为市售的任何一种牌号的超支化环氧树脂，所述超支化环氧树脂购于武汉超支化树脂科技有限公司。所述超支化环氧树脂的牌号为HyPer E102。
聚氨酯
本发明中，所述的聚氨酯并没有特别的限制，可以为市售获得，也可以自制合成。
苯并冠醚
本发明中，所述的苯并冠醚并没有特别的限制，为市售获得。
所述的苯并冠醚优选为苯并-18-冠醚-6。
硬脂酸铁
本发明中，所述的硬脂酸铁并没有特别的限制，为市售获得。
纳米二氧化硅
本发明中，所述的纳米二氧化硅为市售的任何一种牌号的纳米二氧化硅。
在一种优选的实施方式中，所述的纳米二氧化硅为铁修饰纳米二氧化硅。
在一种优选的实施方式中，所述的铁修饰纳米二氧化硅的制备方法为：
将100g CTAB、500g硅酸钠、800ml蒸馏水加入到1000ml圆底烧瓶中，在水浴中搅拌升至70℃，待CTAB、硅酸钠完成溶解后，加入30g硫酸铁，调节搅拌速度为300r/min搅拌6h后，于120℃下老化5天，再经过水洗，醇洗，离心，干燥，煅烧5h，即可得铁修饰纳米二氧化硅。
在一种更优选的实施方式中，所述的硫磺胶还包括1重量份的壳聚糖-端羟基超支化聚酯复合物。
在一种优选的实施方式中，所述壳聚糖-端羟基超支化聚酯复合物的制备方法至少包括以下步骤：
(1)将10g端羟基超支化聚酯、5g壳聚糖以及100ml N,N-二甲基甲酰胺，室温下搅拌均匀后；在60℃下反应10小时后，在甲醇中沉降和过滤，得到壳聚糖-端羟基超支化聚酯复合物。
本发明中，所使用的端羟基超支化聚酯为市售获得，购于武汉超支化树脂有限公司，产品牌号为H101。
在一种优选的实施方式中，所述硫磺胶的制备方法包括以下步骤：
将硫磺粉、液态硅胶、超支化环氧树脂、聚氨酯、苯并冠醚、硬脂酸铁、纳米二氧化硅投入到均质器中搅拌均匀，得到混合原料；再次将混合原料投入到反应釜中，反应釜内温度控制在100～300℃，反应釜内压力控制在0.1～0.5MPa，反应0.5～5h，得到硫磺胶。
本发明的第二个方面提供了上述环保型铁基材料在3D打印领域中的应用。
本发明的第三个方面提供了一种铁路坠砣，所述铁路坠砣通过上述环保型铁基材料制备得到。
本发明的第四个方面提供了一种铁路坠砣的制备方法，至少包括以下步骤：
(1)按照坠砣的形体特征制作铁骨架和模板；
(2)借助模板定位铁骨架将环保型铁基材料浇注、固化成型。
本发明的第五个方面提供了环保型铁基材料在铁路、交通、电气、机械领域的中的应用。
本发明中，得到的环保型铁基材料，第一个方面，本发明中选择的原料可以为可重复利用的原料，可以起到资源可重复利用，节约能源的作用。第二个方面，本发明中选择铁料、含硅还原剂以及特定结构的硫磺胶，形成的环保型铁基材料具有非常好的耐寒、耐水以及耐破损性，猜测其可能的原因为硫磺胶种种含有多种极性基团，可以与铁基材料之间形成相互作用力，增强其相互作用。因而，起到了本发明的有益效果。
下面通过实施例对本发明进行具体描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的专业技术人员根据上述本发明的内容做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
另外，如果没有其它说明，所用原料都是市售的，购于国药化学试剂。
实施例1：
本发明的实施例1提供了环保型铁基材料，以重量份计，包括以下制备原料：
铁料 100份；
含硅还原剂 50份。
所述铁料为氧化铁；所述含硅还原剂为黑碳化硅。
所述氧化铁购于常州丰硕化工有限公司；
所述碳化硅购于苏州金星磨料有限公司；
所述环保型铁基材料的制备方法为：将铁料与含硅还原剂送入反应炉，并升温至1200℃，混炼8h后，得到环保型铁基材料。
实施例2：
本发明的实施例2提供了环保型铁基材料，以重量份计，包括以下制备原料：
铁料 100份；
含硅还原剂 300份。
所述铁料为氧化铁；所述含硅还原剂为碳化硅。
所述氧化铁购于常州丰硕化工有限公司；
所述碳化硅购于苏州金星磨料有限公司；
所述环保型铁基材料的制备方法为：将铁料与含硅还原剂送入反应炉，并升温至1500℃，混炼5h后，得到环保型铁基材料。
实施例3：
本发明的实施例3提供了环保型铁基材料，以重量份计，包括以下制备原料：
铁料 100份；
含硅还原剂 100份。
所述铁料为氧化铁；所述含硅还原剂为碳化硅。
所述氧化铁购于常州丰硕化工有限公司；
所述碳化硅购于苏州金星磨料有限公司；
所述环保型铁基材料的制备方法为：将铁料与含硅还原剂送入反应炉，并升温至1500℃，混炼5h后，得到环保型铁基材料。
实施例4：
本发明的实施例4提供了环保型铁基材料，以重量份计，包括以下制备原料：
铁料 100份；
含硅还原剂 200份。
所述铁料为氧化铁；所述含硅还原剂为碳化硅。
所述氧化铁购于常州丰硕化工有限公司；
所述碳化硅购于苏州金星磨料有限公司；
所述环保型铁基材料的制备方法为：将铁料与含硅还原剂送入反应炉，并升温至1500℃，混炼5h后，得到环保型铁基材料。
实施例5：
本发明的实施例5提供了环保型铁基材料，以重量份计，包括以下制备原料：
铁料 100份；
含硅还原剂 150份。
所述铁料为氧化铁；所述含硅还原剂为碳化硅。
所述氧化铁购于常州丰硕化工有限公司；
所述碳化硅购于苏州金星磨料有限公司；
所述环保型铁基材料的制备方法为：将铁料与含硅还原剂送入反应炉，并升温至1500℃，混炼5h后，得到环保型铁基材料。
实施例6：
本发明的实施例6提供了环保型铁基材料，以重量份计，包括以下制备原料：
铁料 100份；
含硅还原剂 150份。
所述铁料为氧化铁皮；所述含硅还原剂为硅化石墨。
所述氧化铁皮购于廊坊市瑞尚化工有限公司；
所述硅化石墨的制备方法为：在真空环境下，将硅胶按15℃/min逐步加热到1800℃，待硅胶熔融后，加入石墨粉，反应1小时，降温得到硅化石墨，其中，石墨和硅胶按照重量比为：3：1。
所述环保型铁基材料的制备方法为：将铁料与含硅还原剂送入反应炉，并升温至1500℃，混炼6h后，得到环保型铁基材料。
实施例7：
本发明的实施例7提供了环保型铁基材料，以重量份计，包括以下制备原料：
铁料 100份；
含硅还原剂 150份。
所述铁料为氧化铁皮；所述含硅还原剂为二氧化硅和石墨的混合物，二氧化硅和石墨的重量比为1：1。
所述氧化铁皮购于廊坊市瑞尚化工有限公司；
所述环保型铁基材料的制备方法为：将铁料与含硅还原剂送入反应炉，并升温至1500℃，混炼6h后，得到环保型铁基材料。
实施例8：
本发明的实施例8提供了环保型铁基材料，以重量份计，包括以下制备原料：
铁料 100份；
含硅还原剂 150份。
所述铁料为氧化铁；所述含硅还原剂为碳化硅-碳化钛复合材料。
所述氧化铁购于常州丰硕化工有限公司；
所述碳化硅-碳化钛的制备方法：将SiC、TiO2和炭黑按摩尔比为：1：1：1，混合后放置研磨罐中，加入乙醇为介质，研磨混料6h，然后将混合料转入烘箱中于100℃下干燥20h。然后取适量的粉末样品装入石墨坩埚中，在真空热压炉中于1200℃真空条件下合成碳化硅-碳化钛复合材料。
所述环保型铁基材料的制备方法为：将铁料与含硅还原剂送入反应炉，并升温至1500℃，混炼6h后，得到环保型铁基材料。
实施例9：
本发明的实施例9提供了环保型铁基材料，以重量份计，包括以下制备原料：
铁料 100份；
含硅还原剂 150份；
硫磺胶 10份。
所述铁料为氧化铁；所述含硅还原剂为硅化石墨。
所述氧化铁购于常州丰硕化工有限公司；
所述硅化石墨的制备方法为：在真空环境下，将硅胶按15℃/min逐步加热到1800℃，待硅胶熔融后，加入石墨粉，反应1小时，降温得到硅化石墨，其中，石墨和硅胶按照重量比为：3：1。
所述硫磺胶购于郑州海运特种水泥有限公司。
所述环保型铁基材料的制备方法为：
(1)将铁料与含硅还原剂送入反应炉，并升温至1500℃，混炼6h后，得到混合材料；
(1)将混合材料与硫磺胶在150℃下，搅拌混合，得到环保型铁基材料。
实施例10：
本发明的实施例10提供了环保型铁基材料，以重量份计，包括以下制备原料：
铁料 100份；
含硅还原剂 150份；
硫磺胶 100份。
所述铁料为氧化铁；所述含硅还原剂为硅化石墨。
所述氧化铁购于常州丰硕化工有限公司；
所述硅化石墨的制备方法为：在真空环境下，将硅胶按15℃/min逐步加热到1800℃，待硅胶熔融后，加入石墨粉，反应1小时，降温得到硅化石墨，其中，石墨和硅胶按照重量比为：3：1。
所述硫磺胶包括以下原料：
所述硫磺粉购于临沂金磺化工有限公司；
所述液态硅胶购于深圳市红叶杰科技有限公司；
所述超支化环氧树脂购于武汉超支化树脂科技有限公司；
所述聚氨酯购于苏州凯腾聚氨酯制品有限公司；
所述苯并冠醚为二苯并-18-冠醚-6，购于江苏绿叶生物科技有限公司；
所述硬脂酸铁，购于山东胜创实业有限公司；
所述纳米二氧化硅，购于杜瓦化工(上海)有限公司。
所述硫磺胶的制备方法包括以下步骤：
将硫磺粉、液态硅胶、超支化环氧树脂、聚氨酯、苯并冠醚、硬脂酸铁、纳米二氧化硅投入到均质器中搅拌均匀，得到混合原料；再次将混合原料投入到反应釜中，反应釜内温度控制在100℃，反应釜内压力控制在0.1MPa，反应5h，得到硫磺胶。
所述环保型铁基材料的制备方法为：
(1)将铁料与含硅还原剂送入反应炉，并升温至1500℃，混炼6h后，得到混合材料；
(1)将混合材料与硫磺胶在150℃下，搅拌混合，得到环保型铁基材料。
实施例11：
本发明的实施例11提供了环保型铁基材料，以重量份计，包括以下制备原料：
铁料 100份；
含硅还原剂 150份；
硫磺胶 100份。
所述铁料为氧化铁；所述含硅还原剂为硅化石墨。
所述氧化铁购于常州丰硕化工有限公司；
所述硅化石墨的制备方法为：在真空环境下，将硅胶按15℃/min逐步加热到1800℃，待硅胶熔融后，加入石墨粉，反应1小时，降温得到硅化石墨，其中，石墨和硅胶按照重量比为：3：1。
所述硫磺胶至少包括以下原料：
所述硫磺粉购于临沂金磺化工有限公司；
所述液态硅胶购于深圳市红叶杰科技有限公司；
所述超支化环氧树脂购于武汉超支化树脂科技有限公司；
所述聚氨酯购于苏州凯腾聚氨酯制品有限公司；
所述苯并冠醚为二苯并-18-冠醚-6，购于江苏绿叶生物科技有限公司；
所述硬脂酸铁，购于山东胜创实业有限公司；
所述纳米二氧化硅，购于杜瓦化工(上海)有限公司。
所述硫磺胶的制备方法包括以下步骤：
将硫磺粉、液态硅胶、超支化环氧树脂、聚氨酯、苯并冠醚、硬脂酸铁、纳米二氧化硅投入到均质器中搅拌均匀，得到混合原料；再次将混合原料投入到反应釜中，反应釜内温度控制在100℃，反应釜内压力控制在0.1MPa，反应5h，得到硫磺胶。
所述环保型铁基材料的制备方法为：
(1)将铁料与含硅还原剂送入反应炉，并升温至1500℃，混炼6h后，得到混合材料；
(1)将混合材料与硫磺胶在150℃下，搅拌混合，得到环保型铁基材料。
实施例12：
本发明的实施例12提供了环保型铁基材料，以重量份计，包括以下制备原料：
铁料 100份；
含硅还原剂 150份；
硫磺胶 100份。
所述氧化铁购于常州丰硕化工有限公司；
所述硅化石墨的制备方法为：在真空环境下，将硅胶按15℃/min逐步加热到1800℃，待硅胶熔融后，加入石墨粉，反应1小时，降温得到硅化石墨，其中，石墨和硅胶按照重量比为：3：1。
所述硫磺胶至少包括以下原料：
所述硫磺粉购于临沂金磺化工有限公司；
所述液态硅胶购于深圳市红叶杰科技有限公司；
所述超支化环氧树脂购于武汉超支化树脂科技有限公司；
所述聚氨酯购于苏州凯腾聚氨酯制品有限公司；
所述苯并冠醚为二苯并-18-冠醚-6，购于江苏绿叶生物科技有限公司；
所述硬脂酸铁，购于山东胜创实业有限公司；
所述纳米二氧化硅，购于杜瓦化工(上海)有限公司。
所述硫磺胶的制备方法包括以下步骤：
将硫磺粉、液态硅胶、超支化环氧树脂、聚氨酯、苯并冠醚、硬脂酸铁、纳米二氧化硅投入到均质器中搅拌均匀，得到混合原料；再次将混合原料投入到反应釜中，反应釜内温度控制在100℃，反应釜内压力控制在0.1MPa，反应5h，得到硫磺胶。
所述环保型铁基材料的制备方法为：
(1)将铁料与含硅还原剂送入反应炉，并升温至1500℃，混炼6h后，得到混合材料；
(1)将混合材料与硫磺胶在150℃下，搅拌混合，得到环保型铁基材料。
实施例13：
本发明的实施例13提供了环保型铁基材料，以重量份计，包括以下制备原料：
铁料 100份；
含硅还原剂 150份；
硫磺胶 100份。
所述氧化铁购于常州丰硕化工有限公司；
所述硅化石墨的制备方法为：在真空环境下，将硅胶按15℃/min逐步加热到1800℃，待硅胶熔融后，加入石墨粉，反应1小时，降温得到硅化石墨，其中，石墨和硅胶按照重量比为：3：1。
所述硫磺胶至少包括以下原料：
所述硫磺粉购于临沂金磺化工有限公司；
所述液态硅胶购于深圳市红叶杰科技有限公司；
所述超支化环氧树脂购于武汉超支化树脂科技有限公司；
所述聚氨酯购于苏州凯腾聚氨酯制品有限公司；
所述苯并冠醚为二苯并-18-冠醚-6，购于江苏绿叶生物科技有限公司；
所述硬脂酸铁，购于山东胜创实业有限公司；
所述纳米二氧化硅，购于杜瓦化工(上海)有限公司。
所述硫磺胶的制备方法包括以下步骤：
将硫磺粉、液态硅胶、超支化环氧树脂、聚氨酯、苯并冠醚、硬脂酸铁、纳米二氧化硅投入到均质器中搅拌均匀，得到混合原料；再次将混合原料投入到反应釜中，反应釜内温度控制在100℃，反应釜内压力控制在0.1MPa，反应5h，得到硫磺胶。
所述环保型铁基材料的制备方法为：
(1)将铁料与含硅还原剂送入反应炉，并升温至1500℃，混炼6h后，得到混合材料；
(1)将混合材料与硫磺胶在150℃下，搅拌混合，得到环保型铁基材料。
实施例14：
本发明的实施例14提供了环保型铁基材料，以重量份计，包括以下制备原料：
铁料 100份；
含硅还原剂 150份；
硫磺胶 100份。
所述铁料为氧化铁；所述含硅还原剂为碳化硅。
所述氧化铁购于常州丰硕化工有限公司；
所述碳化硅购于苏州金星磨料有限公司；
所述硫磺胶至少包括以下原料：
所述硫磺粉购于临沂金磺化工有限公司；
所述液态硅胶购于深圳市红叶杰科技有限公司；
所述超支化环氧树脂购于武汉超支化树脂科技有限公司；
所述聚氨酯购于苏州凯腾聚氨酯制品有限公司；
所述苯并冠醚为二苯并-18-冠醚-6，购于江苏绿叶生物科技有限公司；
所述硬脂酸铁，购于山东胜创实业有限公司；
所述纳米二氧化硅，购于杜瓦化工(上海)有限公司。
所述硫磺胶的制备方法包括以下步骤：
将硫磺粉、液态硅胶、超支化环氧树脂、聚氨酯、苯并冠醚、硬脂酸铁、纳米二氧化硅投入到均质器中搅拌均匀，得到混合原料；再次将混合原料投入到反应釜中，反应釜内温度控制在100℃，反应釜内压力控制在0.1MPa，反应5h，得到硫磺胶。
所述环保型铁基材料的制备方法为：
(1)将铁料与含硅还原剂送入反应炉，并升温至1500℃，混炼6h后，得到混合材料；
(1)将混合材料与硫磺胶在150℃下，搅拌混合，得到环保型铁基材料。
实施例15：
本发明的实施例15提供了环保型铁基材料，以重量份计，包括以下制备原料：
铁料 100份；
含硅还原剂 150份；
硫磺胶 100份。
所述铁料为氧化铁；所述含硅还原剂为碳化硅。
所述氧化铁购于常州丰硕化工有限公司；
所述碳化硅购于苏州金星磨料有限公司；
所述硫磺胶至少包括以下原料：
所述硫磺粉购于临沂金磺化工有限公司；
所述液态硅胶购于深圳市红叶杰科技有限公司；
所述超支化环氧树脂购于武汉超支化树脂科技有限公司；
所述聚氨酯购于苏州凯腾聚氨酯制品有限公司；
所述苯并冠醚为二苯并-18-冠醚-6，购于江苏绿叶生物科技有限公司；
所述硬脂酸铁，购于山东胜创实业有限公司；
所述的纳米二氧化硅为铁修饰纳米二氧化硅，
所述的铁修饰纳米二氧化硅的制备方法为：
将100g CTAB、500g硅酸钠、800ml蒸馏水加入到1000ml圆底烧瓶中，在水浴中搅拌升至70℃，待CTAB、硅酸钠完成溶解后，加入30g硫酸铁，调节搅拌速度为300r/min搅拌6h后，于120℃下老化5天，再经过水洗，醇洗，离心，干燥，煅烧5h，即可得铁修饰纳米二氧化硅。
所述硫磺胶的制备方法包括以下步骤：
将硫磺粉、液态硅胶、超支化环氧树脂、聚氨酯、苯并冠醚、硬脂酸铁、纳米二氧化硅投入到均质器中搅拌均匀，得到混合原料；再次将混合原料投入到反应釜中，反应釜内温度控制在100℃，反应釜内压力控制在0.1MPa，反应5h，得到硫磺胶。
所述环保型铁基材料的制备方法为：
(1)将铁料与含硅还原剂送入反应炉，并升温至1500℃，混炼6h后，得到混合材料；
(1)将混合材料与硫磺胶在150℃下，搅拌混合，得到环保型铁基材料。
实施例16：
本发明的实施例16提供了环保型铁基材料，以重量份计，包括以下制备原料：
铁料 100份；
含硅还原剂 150份；
硫磺胶 100份。
所述铁料为氧化铁；所述含硅还原剂为碳化硅。
所述氧化铁购于常州丰硕化工有限公司；
所述碳化硅购于苏州金星磨料有限公司；
所述硫磺胶至少包括以下原料：
壳聚糖-端羟基超支化聚酯复合物1份。
所述硫磺粉购于临沂金磺化工有限公司；
所述液态硅胶购于深圳市红叶杰科技有限公司；
所述超支化环氧树脂购于武汉超支化树脂科技有限公司；
所述聚氨酯购于苏州凯腾聚氨酯制品有限公司；
所述苯并冠醚为二苯并-18-冠醚-6，购于江苏绿叶生物科技有限公司；
所述硬脂酸铁，购于山东胜创实业有限公司；
所述的纳米二氧化硅为铁修饰纳米二氧化硅，
所述的铁修饰纳米二氧化硅的制备方法为：
将100g CTAB、500g硅酸钠、800ml蒸馏水加入到1000ml圆底烧瓶中，在水浴中搅拌升至70℃，待CTAB、硅酸钠完成溶解后，加入30g硫酸铁，调节搅拌速度为300r/min搅拌6h后，于120℃下老化5天，再经过水洗，醇洗，离心，干燥，煅烧5h，即可得铁修饰纳米二氧化硅。
所述壳聚糖-端羟基超支化聚酯复合物的制备方法至少包括以下步骤：
(1)将10g端羟基超支化聚酯、5g壳聚糖以及100ml N,N-二甲基甲酰胺，室温下搅拌均匀后；在60℃下反应10小时后，在甲醇中沉降和过滤，得到壳聚糖-端羟基超支化聚酯复合物。
所使用的端羟基超支化聚酯为市售获得，购于武汉超支化树脂有限公司，产品牌号为H101。
所述硫磺胶的制备方法包括以下步骤：
将硫磺粉、液态硅胶、超支化环氧树脂、聚氨酯、苯并冠醚、硬脂酸铁、纳米二氧化硅投入到均质器中搅拌均匀，得到混合原料；再次将混合原料投入到反应釜中，反应釜内温度控制在100℃，反应釜内压力控制在0.1MPa，反应5h，得到硫磺胶。
所述环保型铁基材料的制备方法为：
(1)将铁料与含硅还原剂送入反应炉，并升温至1500℃，混炼6h后，得到混合材料；
(1)将混合材料与硫磺胶在150℃下，搅拌混合，得到环保型铁基材料。
性能测试
一、将实施例1～8得到的环保型铁基材料研磨成粒径为10μm的粉末，分别将粉末铺在3D打印机的工作台上，设定激光功率为60w，建造缸温度为95℃，铺粉厚度为0.1mm；激光在计算机程序的控制下，进行3D打印，即可得到成品。进行力学性能测试。
1、拉伸性能：在CMT5504型电子万能力学试验机上进行抗拉强度试验,按GB/T1040-1992标准制成标准样条,拉伸速度为5mm/s。
2、弯曲性能：在CMT5504型电子万能力学试验机上进行弯曲性能试验,按GB/T1843-2008进行测试。
二、将实施例9～16得到的环保型铁基材料制备成铁路坠砣，具体制备方法如下：
(1)按照坠砣的形体特征制作铁骨架和模板；
(2)借助模板定位铁骨架将实施例9～16得到的环保型铁基材料浇注、固化成型。
实施例9～16得到的坠砣具有相同的外形、尺寸。
对比例1
对比例1为市售获得铁质铁路坠砣，坠砣与实施例9～16具有相同的外形、尺寸。
1、耐寒性测试
将实施例9～16得到的坠砣放置在-60℃下放置2年，观察坠砣是否有裂纹，其中，无裂纹为1级、极少量裂纹为2级、大量裂纹为3级。
2、耐破损性测试
将实施例9～16得到的坠砣从10米的高度自由下落，观察其破损情况。其中，保持整体无破损为1级、保持整体但有少量裂纹为2级、整体破坏，摔成碎片为3级。
3、耐水性测试
将实施例9～16得到的坠砣放置在空气湿度为100％的环境下放置1年，观察坠砣是否有裂纹和变形情况，其中，无裂纹和变形为1级、极少量裂纹和轻微变形为2级、大量裂纹和明显的变形为3级。
表1性能测试表
| 实施例 | 拉伸强度(MPa) | 冲击强度(缺口)(J/m) |
| 实施例1 | 25.1 | 180.2 |
| 实施例2 | 28.2 | 183.1 |
| 实施例3 | 29.5 | 188.7 |
| 实施例4 | 32.8 | 193.9 |
| 实施例5 | 36.5 | 200.2 |
| 实施例6 | 45.9 | 220.8 |
| 实施例7 | 40.2 | 215.1 |
| 实施例8 | 52.4 | 231.7 |
表2性能测试表
| 实施例 | 耐寒性/等级 | 耐破损性/等级 | 耐水性/等级 |
| 实施例9 | 1 | 2 | 2 |
| 实施例10 | 1 | 2 | 2 |
| 实施例11 | 1 | 2 | 2 |
| 实施例12 | 1 | 2 | 2 |
| 实施例13 | 1 | 2 | 2 |
| 实施例14 | 1 | 2 | 2 |
| 实施例15 | 1 | 1 | 2 |
| 实施例16 | 1 | 1 | 1 |
| 对比例1 | 3 | 3 | 3 |
本发明中，所述环保型铁基材料具有非常好的3D打印性能，具有较好的拉伸强度和冲击强度。同时，本发明中得到的环保型铁基材料具有很好的耐寒性、耐破损性以及耐水性。因而，提供了本发明的有益效果。
前述的实例仅是说明性的，用于解释本发明的特征的一些特征。所附的权利要求旨在要求可以设想的尽可能广的范围，且本文所呈现的实施例仅是根据所有可能的实施例的组合的选择的实施方式的说明。因此，申请人的用意是所附的权利要求不被说明本发明的特征的示例的选择限制。而且在科技上的进步将形成由于语言表达的不准确的原因而未被目前考虑的可能的等同物或子替换，且这些变化也应在可能的情况下被解释为被所附的权利要求覆盖。
Claims (5)
1.一种环保型铁基材料，其特征在于，以重量份计，至少包括以下制备原料：
铁料 100份；
含硅还原剂 50～300份；
所述铁料选自：钢屑、双光铁料、热轧铁料、麻面铁料、单光铁料、镀铁料、氧化铁、铁丹、铁粉、氢氧化铁、氧化亚铁、四氧化三铁中的一种或几种的混合；
所述含硅还原剂选自：硅烷、二氧化硅、碳化硅、硅化石墨中的任意一种或几种的混合；
所述环保型铁基材料中还包括10～200份重量份硫磺胶；
所述硫磺胶，以重量份计，至少包括以下组分：
所述纳米二氧化硅为铁修饰纳米二氧化硅；
所述硫磺胶还包括1重量份的壳聚糖-端羟基超支化聚酯复合物。
2.如权利要求1所述的环保型铁基材料在3D打印领域中的应用。
3.一种铁路坠砣，其特征在于，所述铁路坠砣的制备原料为权利要求1所述的环保型铁基材料。
4.如权利要求3所述的铁路坠砣的制备方法，其特征在于，至少包括以下步骤：
(1)按照坠砣的形体特征制作铁骨架和模板；
(2)借助模板定位铁骨架将环保型铁基材料浇注、固化成型。
5.如权利要求1所述的环保型铁基材料在铁路、交通、电气、机械领域的中的应用。
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