CN108467515B - 一种具有补强-阻燃协同性能的钢渣-硅藻土复合橡胶填料 - Google Patents

一种具有补强-阻燃协同性能的钢渣-硅藻土复合橡胶填料 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有补强‑阻燃协同性能的钢渣‑硅藻土复合橡胶填料，属于固废资源循环利用领域。该填料包括水、硅烷偶联剂、钢渣和硅藻土。其具体制备方法是：首先将水与硅烷偶联剂进行混合、分散，得到硅烷偶联剂溶液；然后将钢渣与硅藻土进行混合，对其进行搅拌，得到钢渣‑硅藻土混合物；最后将钢渣‑硅藻土混合物与硅烷偶联剂溶液进行混合、搅拌，得到钢渣‑硅藻土复合橡胶填料。本发明不仅解决了橡胶工业主要填料炭黑和白炭黑的价格较高且功能单一，提高了橡胶的力学性能与阻燃性能；而且实现了工业废料的循环利用，促进了冶金企业增效、橡胶制品行业降成本，符合当前节能环保、循环经济的产业发展要求。

Description

一种具有补强-阻燃协同性能的钢渣-硅藻土复合橡胶填料
技术领域
本发明属于固废资源循环利用领域，具体涉及一种具有补强-阻燃协同性能的钢渣-硅藻土复合橡胶填料及其制备方法。
背景技术
钢渣是炼钢过程中产生的固体废弃物，约占炼钢产量的15％～20％。钢渣主要由钙、铁、硅、镁和少量铝、锰、磷等的氧化物组成，即SiO2、Fe2O3、Al2O3、ZnO、CaO、MgO、P2O5、MnO、SO3等，还含有游离氧化钙以及金属铁等。硅藻土是一种硅质岩石，其主要化学成分为SiO2，由于杂质含量高，不能直接利用，需要进行深度加工。目前钢渣与硅藻土的大量堆存，不仅占用宝贵土地，而且对周围环境和地下水造成污染。因此，如何大规模、高效的利用钢渣与硅藻土，实现环境减负，企业增效，是一个迫切需要解决的问题。
橡胶作为广泛应用的聚合物材料，其在制备加工过程中需要大量使用填料以改善其的力学性能、加工性能和填充增容。目前常用的橡胶填料主要包括炭黑、白炭黑等，但是炭黑与白炭黑的生产不仅工艺繁杂，而且需要消耗大量能源和资源，导致成本较高。面对上述问题，钢渣具有高碱性与硅藻土均属于多孔物质是潜在的补强填料；同时钢渣的碱性对硅藻土具有协同反应的效果，有助于硅藻土形成致密的阻燃无定型硅质层，是潜在的阻燃填料。
发明内容
为了解决现有橡胶工业主要填料炭黑和白炭黑的价格较高且功能单一，钢渣与硅藻土直接加入橡胶中极易发生团聚，以及钢渣-硅藻土无机界面与橡胶有机界面的相容性较差的问题，本发明提供了一种具有补强-阻燃协同性能的钢渣-硅藻土复合橡胶填料，以期解决以上问题。
本发明是通过以下技术方案予以实现的。
本发明提供了一种具有补强-阻燃协同性能的钢渣-硅藻土复合橡胶填料，该钢渣-硅藻土复合橡胶填料按重量百分比配方如下：
所述水为去离子水；所述硅烷偶联剂为工业纯；所述钢渣为铁水脱硫尾渣、铸余渣、转炉热泼渣、转炉滚筒渣、电炉热泼渣、电炉滚筒渣，以及其混合物，其粒径为2.0μm～120.0μm；所述硅藻土，其粒径为5.6μm～43.0μm。
本发明同时提供了上述钢渣-硅藻土复合橡胶填料的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
首先将水与硅烷偶联剂进行混合，利用超声波分散器对其进行分散10min～30min，得到硅烷偶联剂溶液；然后将钢渣与硅藻土进行混合，利用恒温磁力搅拌器在常温密闭下对其进行搅拌6h～12h，得到钢渣-硅藻土混合物；最后将钢渣-硅藻土混合物与硅烷偶联剂溶液进行混合，利用恒温磁力搅拌器在搅拌温度50℃～80℃下，搅拌2h～4h，得到钢渣-硅藻土复合橡胶填料。
本发明的科学原理：
一方面，钢渣与硅藻土均具有的多孔结构可以提高与橡胶的接触面积，达到补强效果。钢渣的碱性对硅藻土具有协同反应的效果，有助于硅藻土形成致密的无定型硅质层，达到阻燃效果。
另一方面，硅烷偶联剂溶液对钢渣-硅藻土混合物表面进行改性处理，形成钢渣-硅藻土复合橡胶填料，克服钢渣-硅藻土无机界面与橡胶有机界面的相容性较差的弊端，进一步提高补强效果。
而且，由于钢渣作为高碱性物质，将钢渣-硅藻土填充于橡胶中，可以加快橡胶硫化速度。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
1、本发明解决了现有橡胶工业主要填料炭黑和白炭黑的价格较高功能单一，钢渣与硅藻土直接加入橡胶中极易发生团聚，以及钢渣-硅藻土无机界面与橡胶有机界面的相容性较差的问题。
2、本发明利用钢渣与硅藻土进行复合作为橡胶填料，不仅解决了橡胶工业主要填料炭黑和白炭黑的价格较高，提高了橡胶的力学性能与阻燃性能；而且实现了工业废料的循环利用，促进了冶金企业增效、橡胶制品行业降成本，符合当前节能环保、循环经济的产业发展要求。
具体实施方式
以下结合具体实施例详述本发明，但本发明不局限于下述实施例。
一、本发明一种具有补强-阻燃协同性能的钢渣-硅藻土复合橡胶填料的制备方法
实施例1
以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：
所述水为去离子水；所述硅烷偶联剂为工业纯；所述钢渣为铁水脱硫尾渣，，其粒径为5.6μm～110.4μm；所述硅藻土，其粒径为7.8μm～38.2μm。
首先将水与硅烷偶联剂进行混合，利用超声波分散器对其进行分散10min，得到硅烷偶联剂溶液；然后将钢渣与硅藻土进行混合，利用恒温磁力搅拌器在常温密闭下对其进行搅拌10h，得到钢渣-硅藻土混合物；最后将钢渣-硅藻土混合物与硅烷偶联剂溶液进行混合，利用恒温磁力搅拌器在搅拌温度60℃下，搅拌4h，得到钢渣-硅藻土复合橡胶填料。
实施例2
以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：
所述水为去离子水；所述硅烷偶联剂为工业纯；所述钢渣为铸余渣，其粒径为5.4μm～104.5μm；所述硅藻土，其粒径为5.9μm～40.2μm。
首先将水与硅烷偶联剂进行混合，利用超声波分散器对其进行分散30min，得到硅烷偶联剂溶液；然后将钢渣与硅藻土进行混合，利用恒温磁力搅拌器在常温密闭下对其进行搅拌6h，得到钢渣-硅藻土混合物；最后将钢渣-硅藻土混合物与硅烷偶联剂溶液进行混合，利用恒温磁力搅拌器在搅拌温度80℃下，搅拌2h，得到钢渣-硅藻土复合橡胶填料。
实施例3
以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：
所述水为去离子水；所述硅烷偶联剂为工业纯；所述钢渣为转炉热泼渣，其粒径为2.9μm～92.4μm；所述硅藻土，其粒径为6.3μm～41.5μm。
首先将水与硅烷偶联剂进行混合，利用超声波分散器对其进行分散20min，得到硅烷偶联剂溶液；然后将钢渣与硅藻土进行混合，利用恒温磁力搅拌器在常温密闭下对其进行搅拌12h，得到钢渣-硅藻土混合物；最后将钢渣-硅藻土混合物与硅烷偶联剂溶液进行混合，利用恒温磁力搅拌器在搅拌温度50℃下，搅拌3h，得到钢渣-硅藻土复合橡胶填料。
实施例4
以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：
所述水为去离子水；所述硅烷偶联剂为工业纯；所述钢渣为转炉滚筒渣与电炉热泼渣，转炉滚筒渣与电炉热泼渣的质量分数比为50∶50，其粒径为3.6μm～110.5μm；所述硅藻土，其粒径为7.2μm～35.6μm。
首先将水与硅烷偶联剂进行混合，利用超声波分散器对其进行分散20min，得到硅烷偶联剂溶液；然后将钢渣与硅藻土进行混合，利用恒温磁力搅拌器在常温密闭下对其进行搅拌8h，得到钢渣-硅藻土混合物；最后将钢渣-硅藻土混合物与硅烷偶联剂溶液进行混合，利用恒温磁力搅拌器在搅拌温度70℃下，搅拌2h，得到钢渣-硅藻土复合橡胶填料。
实施例5
以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：
所述水为去离子水；所述硅烷偶联剂为工业纯；所述钢渣为电炉热泼渣与电炉滚筒渣，电炉热泼渣与电炉滚筒渣的质量分数比为50∶50，其粒径为5.4μm～110.6μm；所述硅藻土，其粒径为7.7μm～41.6μm。
首先将水与硅烷偶联剂进行混合，利用超声波分散器对其进行分散10min，得到硅烷偶联剂溶液；然后将钢渣与硅藻土进行混合，利用恒温磁力搅拌器在常温密闭下对其进行搅拌6h，得到钢渣-硅藻土混合物；最后将钢渣-硅藻土混合物与硅烷偶联剂溶液进行混合，利用恒温磁力搅拌器在搅拌温度70℃下，搅拌3h，得到钢渣-硅藻土复合橡胶填料。
实施例6
以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：
所述水为去离子水；所述硅烷偶联剂为工业纯；所述钢渣为铁水脱硫尾渣、铸余渣和转炉热泼渣，铁水脱硫尾渣、铸余渣和转炉热泼渣的质量分数比为30∶40∶30，其粒径为2.7μm～103.5μm；所述硅藻土，其粒径为7.1μm～41.9μm。
首先将水与硅烷偶联剂进行混合，利用超声波分散器对其进行分散30min，得到硅烷偶联剂溶液；然后将钢渣与硅藻土进行混合，利用恒温磁力搅拌器在常温密闭下对其进行搅拌10h，得到钢渣-硅藻土混合物；最后将钢渣-硅藻土混合物与硅烷偶联剂溶液进行混合，利用恒温磁力搅拌器在搅拌温度60℃下，搅拌4h，得到钢渣-硅藻土复合橡胶填料。
对比例1
以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：
所述钢渣为铁水脱硫尾渣、铸余渣和转炉热泼渣，铁水脱硫尾渣、铸余渣和转炉热泼渣的质量分数比为30∶40∶30，其粒径为2.7μm～103.5μm；所述硅藻土，其粒径为7.1μm～41.9μm。
将钢渣与硅藻土进行混合，利用恒温磁力搅拌器在常温密闭下对其进行搅拌10h，得到得到钢渣-硅藻土复合橡胶填料。
对比例2
以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：
所述水为去离子水；所述钢渣为铁水脱硫尾渣、铸余渣和转炉热泼渣，铁水脱硫尾渣、铸余渣和转炉热泼渣的质量分数比为30∶40∶30，其粒径为2.7μm～103.5μm；所述硅藻土，其粒径为7.1μm～41.9μm。
首先将钢渣与硅藻土进行混合，利用恒温磁力搅拌器在常温密闭下对其进行搅拌10h，得到钢渣-硅藻土混合物；最后将钢渣-硅藻土混合物与水进行混合，利用恒温磁力搅拌器在搅拌温度60℃下，搅拌4h，得到钢渣-硅藻土复合橡胶填料。
对比例3
以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：
所述水为去离子水；所述硅烷偶联剂为工业纯；所述钢渣为铁水脱硫尾渣、铸余渣和转炉热泼渣，铁水脱硫尾渣、铸余渣和转炉热泼渣的质量分数比为30∶40∶30，其粒径为2.7μm～103.5μm。
首先将水与硅烷偶联剂进行混合，利用超声波分散器对其进行分散30min，得到硅烷偶联剂溶液；然后将钢渣与硅烷偶联剂溶液进行混合，利用恒温磁力搅拌器在搅拌温度60℃下，搅拌4h，得到钢渣橡胶填料。
对比例4
以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：
所述水为去离子水；所述硅烷偶联剂为工业纯。
将水与硅烷偶联剂进行混合，利用超声波分散器对其进行分散30min，得到硅烷偶联剂溶液。
二、本发明钢渣-硅藻土复合橡胶填料加入橡胶后的力学性能测试与阻燃性能测试
制备实施例1～6及对比例1～4，其性能检测过程如下：
将丁苯橡胶(100份)放入开炼机薄通3～5次后，将丁苯橡胶加入密炼机(密炼温度70℃)混炼3min，依次加入氧化锌(2.5份)混合样混炼1min、加入炭黑(25份)与钢渣-硅藻土复合橡胶填料(25份)混合样混炼1min、加入促进剂(1.0份)和硫磺(1.5份)混炼1min后取出备用，即密炼胶；将密炼胶放入开炼机薄通6～8次，打三角包5次后停放12h后，称取60g的密炼胶，采用四柱式平板硫化机进行硫化，硫化温度为145℃，硫化一定时间后放置24h，获得钢渣-硅藻土复合丁苯橡胶。
《硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定》(GB/T528-2009)测试钢渣-硅藻土复合丁苯橡胶的拉伸性能；《硫化橡胶或热塑性橡胶撕裂强度的测定(裤型、直角形、新月形试样)》(GB/T529-2008)测试钢渣-硅藻土复合丁苯橡胶的撕裂强度；《硫化橡胶或热塑性橡胶压入硬度试验方法第1部分：邵氏硬度计法(邵尔硬度)》测试钢渣-硅藻土复合丁苯橡胶的硬度；《塑料燃烧性能试验方法氧指数法》(GB/T2406-1993)测试钢渣-硅藻土复合丁苯橡胶的极限氧指数(LOI)；《设备及器件塑料材料燃烧性能试验方法UL94》(ISBN0-7629-0082-2)测试钢渣-硅藻土复合丁苯橡胶的垂直燃烧级别。
表1.钢渣-硅藻土复合丁苯橡胶的力学性能与阻燃性能
将天然橡胶(100份)放入开炼机薄通1～3次后，将天然橡胶加入密炼机(密炼温度70℃)混炼3min，依次加入氧化锌(6.0份)混合样混炼1min、加入炭黑(25份)与钢渣-硅藻土复合橡胶填料(25份)混合样混炼1min、加入促进剂(0.5份)和硫磺(2.5份)混炼1min后取出备用，即密炼胶；将密炼胶放入开炼机薄通2～4次，打三角包3次后停放12h后，称取60g的密炼胶，采用四柱式平板硫化机进行硫化，硫化温度为145℃，硫化一定时间后放置24h，获得钢渣-硅藻土复合天然橡胶
《硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定》(GB/T528-2009)测试钢渣-硅藻土复合天然橡胶的拉伸性能；《硫化橡胶或热塑性橡胶撕裂强度的测定(裤型、直角形、新月形试样)》(GB/T529-2008)测试钢渣-硅藻土复合天然橡胶的撕裂强度；《硫化橡胶或热塑性橡胶压入硬度试验方法第1部分：邵氏硬度计法(邵尔硬度)》测试钢渣-硅藻土复合天然橡胶的硬度；《塑料燃烧性能试验方法氧指数法》(GB/T2406-1993)测试钢渣-硅藻土复合天然橡胶的极限氧指数(LOI)；《设备及器件塑料材料燃烧性能试验方法UL94》(ISBN0-7629-0082-2)测试钢渣-硅藻土复合天然橡胶的垂直燃烧级别。
表2.钢渣-硅藻土复合天然橡胶的力学性能与阻燃性能

Claims (1)

1.一种具有补强-阻燃协同性能的钢渣-硅藻土复合橡胶填料，其特征在于，按重量百分比计，所述钢渣-硅藻土复合橡胶填料组成如下：
所述水为去离子水；所述硅烷偶联剂为工业纯；所述钢渣为铁水脱硫尾渣、铸余渣、转炉热泼渣、转炉滚筒渣、电炉热泼渣、电炉滚筒渣的一种或多种，其粒径为2.0μm～120.0μm；所述硅藻土，其粒径为5.6μm～43.0μm；
所述具有补强-阻燃协同性能的钢渣-硅藻土复合橡胶填料的制备包括如下步骤：
首先将水与硅烷偶联剂进行混合，利用超声波分散器对其进行分散10min～30min，得到硅烷偶联剂溶液；然后将钢渣与硅藻土进行混合，利用恒温磁力搅拌器在常温密闭下对其进行搅拌6h～12h，得到钢渣-硅藻土混合物；最后将钢渣-硅藻土混合物与硅烷偶联剂溶液进行混合，利用恒温磁力搅拌器在搅拌温度50℃～80℃下，搅拌2h～4h，得到钢渣-硅藻土复合橡胶填料。
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