CN108863040A - 一种生产石墨烯棉的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于保温防燃材料领域，具体涉及一种生产石墨烯棉的制备方法。将电厂粉煤灰熔渣、或煤化工粉煤灰、钢铁熔渣和其它冶金熔渣中的一种或多种送配料秤与辅料玄武岩、白云石经破碎及筛分后混合后，送电热熔融均化炉熔融，再送保温炉，经四轴多级高速离心机，送入集棉沉降系统收集。将石墨烯和粘结剂、防尘油、憎水剂送入集棉沉降系统。将集棉沉降系统收集的一部分物料送粒化器制石墨烯粒棉产品后进行包装；将集棉沉降系统收集的另一部分物料送摆动集棉，直接生产石墨烯棉；提高了其断裂强度，降低生产成本，且有利于连续化生产。

Description

一种生产石墨烯棉的制备方法
技术领域
本发明属于保温防燃材料领域，具体涉及一种生产石墨烯棉的制备方法。
背景技术
岩棉是一种优质高效的保温材料，具有导热系数低、不燃、化学物理性能稳定、隔声吸音、使用周期长等性能，其燃烧性能达到A级，属于不燃材料，已成为目前建筑外保温工程的主要材料。但由于建筑工程投资规模增长较快，对墙体围护材料防火要求较高，因此选择岩棉材料的建筑增长需求也较快，已形成了供不应求的局面。在市场需求的刺激下，一些伪劣低质岩棉材料也乘机混入建筑市场，从而出现了施工技术不规范、配套材料不达标等诸多问题。
岩棉板是以玄武岩及其它天然矿石等为主要原料，岩棉板经高温熔融成纤，加入适量粘结剂，固化加工而制成的。是以精选的优质玄武岩为主要原料，经后天融化后，采用国际先进的四辊离心制棉工序，将玄武棉岩高温溶体甩拉成4—7μm的非连续性纤维，再在岩棉纤维中加入一定量的粘结剂防尘油、憎水剂，经过沉降、固化、切割等工艺，根据不同用途制成不同密度的系列产品。
但是，岩棉生产成本比较高，所以市场上销售的多为矿棉。
矿棉由硅酸盐熔融物制得的棉花状短纤维，包括矿渣棉、岩棉、玻璃棉和陶瓷纤维等。
岩棉与矿棉都属于矿物棉，都是用天然岩石、或(和)矿渣(如钢铁渣、镍渣、钼渣、镁渣)等原料经高温熔融，在离心力和风的共同作用下形成的无机纤维状产品。
岩棉与矿棉主要的化学成份是二氧化硅、三氧化二铝、氧化钙、氧化镁，同时还含有少量的氧化铁等；为使其成型，会加入少量的酚醛树脂或其他热塑树脂。
目前，用酸度系数作为区分岩棉与矿棉的主要标志，酸度系数是指产品中酸性氧化物的含量之和与碱性氧化物含量之和的比值，即：酸度系数Mk＝(二氧化硅+三氧化二铝)/(氧化钙+氧化镁)
岩棉的酸度系数MK一般大于1.5，甚至可高达2.0以上；矿渣棉的MK一般只能保持在1.2左右，很难超过1.3。
岩棉由于酸度系数高，其化学稳定性、耐高温性能等都要优于矿棉。
石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。
石墨烯是已知强度最高的材料之一，同时还具有很好的韧性，且可以弯曲，石墨烯的理论杨氏模量达1.0TPa，固有的拉伸强度为130GPa。而利用氢等离子改性的还原石墨烯也具有非常好的强度，平均模量可大0.25TPa，是钢铁的200倍。
石墨烯具有非常好的热传导性能。纯的无缺陷的单层石墨烯的导热系数高达5300W/mK，是目前为止导热系数最高的碳材料，高于单壁碳纳米管(3500W/mK)和多壁碳纳米管(3000W/mK)。当它作为载体时，导热系数也可达600W/mK。此外，石墨烯的弹道热导率可以使单位圆周和长度的碳纳米管的弹道热导率的下限下移。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种利用我国丰富的粉煤灰、钢铁炉渣资源为主要原料，低成本生高端石墨烯棉的方法。
本发明的第一目的是提供一种生产石墨烯棉的制备方法，其包括以下具体步骤：
第一步：将电厂粉煤灰熔渣、或煤化工粉煤灰、钢铁熔渣和其它冶金熔渣中的一种或多种送配料秤与辅料玄武岩、白云石经破碎及筛分后混合后，送电热熔融均化炉熔融，再送保温炉，经四轴多级高速离心机，送入集棉沉降系统收集。
第二步：将石墨烯和粘结剂、防尘油、憎水剂送入集棉沉降系统。
第三步：将集棉沉降系统收集的一部分物料送粒化器制石墨烯粒棉产品后进行包装；
第四步：将集棉沉降系统收集的另一部分物料送摆动集棉，直接生产石墨烯棉。
所述第一步中配料秤中电厂粉煤灰熔渣、或煤化工粉煤灰、煤矸石粉、钢铁熔渣和其它冶金熔渣中的一种或多种的质量占比为70—95％，辅料玄武岩、白云石的质量占比为5—30％。
所述在第一步中，将煤化工粉煤灰，煤矸石粉进行100—150℃烘干处理，使含水量低于1％。
所述第一步中电热熔融均化炉和保温炉的熔融温度为1450—1700℃。
所述第二步中，所述石墨烯总的用量为0.005—0.5％。
所述第二步中的粘结剂包括酚醛树脂、聚丙烯、对苯二甲酸乙二酯、聚酰胺6、聚酰胺66。
所述在第四步中，将摆动集棉送棉板固化炉，经纵横切割机切割，进行石墨烯棉板包装，边料废料回收送集棉沉降系统循环利用。
所述在第四步中，将摆动集棉送成管机，经成管固化炉固化，成管切割机切割后，进行石墨烯棉管包装。
本发明的第二目的是提供一种石墨烯强化棉在石墨烯玻璃棉、石墨烯陶瓷纤维、石墨烯陶瓷产品、石墨烯棉防燃纤维布、以及石墨烯防燃帆布中的应用。
所述石墨烯棉防燃纤维布包括石墨烯棉粒+热塑树脂。
本发明的第三目的是提供一种石墨烯棉基防燃阻燃纤维的制备方法：其包括
(1)石墨烯棉粒热塑性树脂防燃阻燃母粒的制备；
(2)石墨烯棉粒热塑性树脂防燃阻燃纤维的制备。
优选地，所述石墨烯棉基热塑性树脂阻燃母粒的制备步骤具体包括：将热塑性树脂母粒粉碎与石墨烯粉体高速混合后，经双螺杆挤出机挤出、造粒。
优选地，所述石墨烯的类型包括石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯和改性石墨烯的一种或几种。
优选地，所述改性石墨烯类型包括偶联剂改性石墨烯、阳离子表面活性剂改性石墨烯、溴代烷烃改性石墨烯、氨基化合物改性石墨烯、聚乙烯吡咯烷酮改性石墨烯、聚乙烯醇改性石墨烯的一种或几种。
优选地，所述热塑性树脂母粒包括聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚酰胺6、聚酰胺66中的一种或2种以上混合。
优选地，所述热塑性树脂母粒及石墨烯在混合前需要进行干燥处理，干燥后的母粒水分含量在小于50ppm，再优选地小于30ppm。
优选地，所述热塑性树脂母粒粉碎料粒径小于2mm，再优选地小于1mm。
优选地，所述石墨烯棉粒与热塑性树脂母粒质量比为1：0.5-20。
优选地，所述热塑性树脂母粒粉碎与石墨烯棉粒粉碎高速混合方式为高速搅拌，转速5000—15000rad/min，混合搅拌时间为1～30分钟。
优选地，所述双螺杆挤出机的一区、二区、三区、四区、五区温度分别为：176℃-265℃，179℃-268℃，181℃-270℃，179℃-268℃，176℃-265℃。根据不同的热塑性树脂选择不同的温度，聚丙烯采用双螺杆挤出机的一区、二区、三区、四区、五区温度分别为：176℃、179℃、181℃、179℃、176℃；聚对苯二甲酸乙二酯采用双螺杆挤出机的一区、二区、三区、四区、五区温度分别为：265℃、268℃、270℃、268℃、265℃；聚酰胺6采用双螺杆挤出机的一区、二区、三区、四区、五区温度分别为：215℃、218℃、220℃、218℃、215℃；聚酰胺66采用双螺杆挤出机的一区、二区、三区、四区、五区温度分别为：253℃、256℃、258℃、256℃、253℃。
优选地，所述石墨烯棉粒热塑性树脂阻燃母粒制备成阻燃纤维的步骤具体包括：对石墨烯棉粒热塑性树脂阻燃母粒进行干燥处理，加入料斗通过螺杆挤出机进入计量泵，然后通过单孔喷丝板进行纺丝，冷却固化，上油，牵伸，热定型和卷绕。
优选地，所述干燥处理的温度为60℃-140℃，干燥4小时以上；所述螺杆挤出机的一区、二区、三区温度分别为191℃-280℃、194℃-283℃、196℃-285℃；所述纺丝箱温度为196℃-285℃；所述冷却固化装置为侧吹风装置温度为22℃、湿度为75％、风速为0.4m/s；所述牵伸进过三个辊，对辊一、对辊二、对辊三温度分别为50℃-85℃、70℃-110℃、80℃-125℃；所述热定型温度为140℃-240℃。
优选地，所述干燥处理的温度，根据不同的热塑性树脂选择不同的温度，聚丙烯干燥温度60℃，聚对苯二甲酸乙二酯干燥温度140℃，聚酰胺6干燥温度100℃，聚酰胺66干燥温度130℃。
优选地，所述螺杆挤出机的温度，根据不同的热塑性树脂选择不同的温度，聚丙烯在螺杆挤出机一区、二区、三区的温度分别为：191℃、194℃、196℃；聚对苯二甲酸乙二酯在螺杆挤出机一区、二区、三区的温度分别为：280℃、283℃、285℃；聚酰胺6在螺杆挤出机一区、二区、三区的温度分别为：230℃、233℃、235℃；聚酰胺66在螺杆挤出机一区、二区、三区的温度分别为：268℃、271℃、273℃。
优选地，所述纺丝箱温度，根据不同的热塑性树脂选择不同的温度，聚丙烯纺丝箱温度为196℃；聚对苯二甲酸乙二酯纺丝箱温度为285℃；聚酰胺6纺丝箱温度为235℃；聚酰胺66纺丝箱温度为273℃。
优选地，所述牵伸温度，根据不同的热塑性树脂选择不同的温度，聚丙烯牵伸对辊一、对辊二、对辊三温度分别为：50℃、70℃、80℃；聚对苯二甲酸乙二酯牵伸对辊一、对辊二、对辊三温度分别为：85℃、110℃、125℃；聚酰胺6牵伸对辊一、对辊二、对辊三温度分别为：70℃、95℃、110℃；聚酰胺66：牵伸对辊一、对辊二、对辊三温度分别为：80℃、105℃、120℃。
优选地，所述热定型温度，根据不同的热塑性树脂选择不同的温度，聚丙烯热定型温度为140℃；聚对苯二甲酸乙二酯热定型温度为240℃；聚酰胺6的热定型温度为180℃；聚酰胺66的热定型温度为225℃。
本发明的有益效果在于：
(1)石墨烯作为一种由碳六元环组成的只有一层原子厚度的二维周期蜂窝状晶体，具有高强度、高模量、抗菌、耐磨、阻燃、抗静电和抗辐射等功能性。在赋予石墨烯棉基纤维阻燃功能的同时，提高了其断裂强度等性能；
(2)采用熔融共混的方式对石墨烯棉粒和热塑性树脂母粒进行共混切粒，一般不需要溶剂，在共混时不会产生废液、废弃等污染环境的产物，共混采用双螺杆挤出机，不需要购置额外设备，降低生产成本，且有利于连续化生产；
(3)在石墨烯棉粒与热塑性树脂母粒混合前，对母粒进行粉碎，石墨烯包覆在粉碎料的表面，接触表面积增大，使石墨烯在熔融混合后的母粒中分散更均匀；
(4)采用热塑性树脂可以进行熔融纺丝，工艺简单、纺丝干净、无污染、成本低。
(5)低成本生产石墨烯棉粒热塑性树脂防燃阻燃纤维布，以及消防服、消防帆布等高附加值产品。
附图说明
图1为本发明中制备石墨烯棉的流程图。
图2为本发明中制备石墨烯棉防燃阻燃流程图。
具体实施方式
下面对本发明作进一步说明。
一种生产石墨烯棉的制备方法，其包括以下具体步骤：
第一步：将电厂粉煤灰熔渣、或煤化工粉煤灰、钢铁熔渣和其它冶金熔渣中的一种或多种送配料秤与辅料玄武岩、白云石经破碎及筛分后混合后，送电热熔融均化炉熔融，再送保温炉，经四轴多级高速离心机，送入集棉沉降系统收集。
第二步：将石墨烯和粘结剂、防尘油、憎水剂送入集棉沉降系统。
第三步：将集棉沉降系统收集的一部分物料送粒化器制石墨烯粒棉产品后进行包装；
第四步：将集棉沉降系统收集的另一部分物料送摆动集棉，直接生产石墨烯棉；
所述第一步中配料秤中电厂粉煤灰熔渣、或煤化工粉煤灰、煤矸石粉、钢铁熔渣和其它冶金熔渣中的一种或多种的质量占比为70—95％，辅料玄武岩、白云石的质量占比为5—30％。
所述在第一步中，将煤化工粉煤灰，煤矸石粉进行100—150℃烘干处理，使含水量低于1％。
所述第一步中电热熔融均化炉和保温炉的熔融温度为1450—1700℃。
所述第二步中，所述石墨烯总的用量为0.005—0.5％。
所述第二步中的粘结剂包括酚醛树脂、聚丙烯、对苯二甲酸乙二酯、聚酰胺6、聚酰胺66。
所述在第四步中，将摆动集棉送棉板固化炉，经纵横切割机切割，进行石墨烯棉板包装，边料废料回收送集棉沉降系统循环利用。
所述在第四步中，将摆动集棉送成管机，经成管固化炉固化，成管切割机切割后，进行石墨烯棉管包装。
实施例1
制备一种防燃阻燃石墨烯棉的方法：其包括
(1)石墨烯棉粒热塑性树脂防燃阻燃母粒的制备；
(2)石墨烯棉粒热塑性树脂防燃阻燃纤维的制备。
优选地，所述石墨烯棉基热塑性树脂阻燃母粒的制备步骤具体包括：将热塑性树脂母粒粉碎与石墨烯粉体高速混合后，经双螺杆挤出机挤出、造粒。
优选地，所述石墨烯的类型包括石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯和改性石墨烯的一种或几种。
优选地，所述改性石墨烯类型包括偶联剂改性石墨烯、阳离子表面活性剂改性石墨烯、溴代烷烃改性石墨烯、氨基化合物改性石墨烯、聚乙烯吡咯烷酮改性石墨烯、聚乙烯醇改性石墨烯的一种或几种。
优选地，所述热塑性树脂母粒包括聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚酰胺6、聚酰胺66中的一种或2种以上混合。
优选地，所述热塑性树脂母粒及石墨烯在混合前需要进行干燥处理，干燥后的母粒水分含量在小于50ppm，再优选地小于30ppm。
优选地，所述热塑性树脂母粒粉碎料粒径小于2mm，再优选地小于1mm。
优选地，所述石墨烯棉粒与热塑性树脂母粒质量比为1：0.5-20。
优选地，所述热塑性树脂母粒粉碎与石墨烯棉粒粉碎高速混合方式为高速搅拌，转速5000—15000rad/min，混合搅拌时间为1～30分钟。
优选地，所述双螺杆挤出机的一区、二区、三区、四区、五区温度分别为：176℃-265℃，179℃-268℃，181℃-270℃，179℃-268℃，176℃-265℃。根据不同的热塑性树脂选择不同的温度，聚丙烯采用双螺杆挤出机的一区、二区、三区、四区、五区温度分别为：176℃、179℃、181℃、179℃、176℃；聚对苯二甲酸乙二酯采用双螺杆挤出机的一区、二区、三区、四区、五区温度分别为：265℃、268℃、270℃、268℃、265℃；聚酰胺6采用双螺杆挤出机的一区、二区、三区、四区、五区温度分别为：215℃、218℃、220℃、218℃、215℃；聚酰胺66采用双螺杆挤出机的一区、二区、三区、四区、五区温度分别为：253℃、256℃、258℃、256℃、253℃。
优选地，所述石墨烯棉粒热塑性树脂阻燃母粒制备成阻燃纤维的步骤具体包括：对石墨烯棉粒热塑性树脂阻燃母粒进行干燥处理，加入料斗通过螺杆挤出机进入计量泵，然后通过单孔喷丝板进行纺丝，冷却固化，上油，牵伸，热定型和卷绕。
优选地，所述干燥处理的温度为60℃-140℃，干燥4小时以上；所述螺杆挤出机的一区、二区、三区温度分别为191℃-280℃、194℃-283℃、196℃-285℃；所述纺丝箱温度为196℃-285℃；所述冷却固化装置为侧吹风装置温度为22℃、湿度为75％、风速为0.4m/s；所述牵伸进过三个辊，对辊一、对辊二、对辊三温度分别为50℃-85℃、70℃-110℃、80℃-125℃；所述热定型温度为140℃-240℃。
优选地，所述干燥处理的温度，根据不同的热塑性树脂选择不同的温度，聚丙烯干燥温度60℃，聚对苯二甲酸乙二酯干燥温度140℃，聚酰胺6干燥温度100℃，聚酰胺66干燥温度130℃。
优选地，所述螺杆挤出机的温度，根据不同的热塑性树脂选择不同的温度，聚丙烯在螺杆挤出机一区、二区、三区的温度分别为：191℃、194℃、196℃；聚对苯二甲酸乙二酯在螺杆挤出机一区、二区、三区的温度分别为：280℃、283℃、285℃；聚酰胺6在螺杆挤出机一区、二区、三区的温度分别为：230℃、233℃、235℃；聚酰胺66在螺杆挤出机一区、二区、三区的温度分别为：268℃、271℃、273℃。
优选地，所述纺丝箱温度，根据不同的热塑性树脂选择不同的温度，聚丙烯纺丝箱温度为196℃；聚对苯二甲酸乙二酯纺丝箱温度为285℃；聚酰胺6纺丝箱温度为235℃；聚酰胺66纺丝箱温度为273℃。
优选地，所述牵伸温度，根据不同的热塑性树脂选择不同的温度，聚丙烯牵伸对辊一、对辊二、对辊三温度分别为：50℃、70℃、80℃；聚对苯二甲酸乙二酯牵伸对辊一、对辊二、对辊三温度分别为：85℃、110℃、125℃；聚酰胺6牵伸对辊一、对辊二、对辊三温度分别为：70℃、95℃、110℃；聚酰胺66：牵伸对辊一、对辊二、对辊三温度分别为：80℃、105℃、120℃。
优选地，所述热定型温度，根据不同的热塑性树脂选择不同的温度，聚丙烯热定型温度为140℃；聚对苯二甲酸乙二酯热定型温度为240℃；聚酰胺6的热定型温度为180℃；聚酰胺66的热定型温度为225℃。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种生产石墨烯棉的制备方法，其特征在于：包括以下具体步骤：
第一步：将电厂粉煤灰熔渣、或煤化工粉煤灰、钢铁熔渣和其它冶金熔渣中的一种或多种送配料秤与辅料玄武岩、白云石经破碎及筛分后混合后，送电热熔融均化炉熔融，再送保温炉，经四轴多级高速离心机，送入集棉沉降系统收集；
第二步：将石墨烯和粘结剂、防尘油、憎水剂送入集棉沉降系统；
第三步：将集棉沉降系统收集的一部分物料送粒化器制石墨烯粒棉产品后进行包装；
第四步：将集棉沉降系统收集的另一部分物料送摆动集棉，直接生产石墨烯棉。
2.根据权利要求1所述的一种生产石墨烯棉的制备方法，其特征在于：所述第一步中配料秤中电厂粉煤灰熔渣、或煤化工粉煤灰、煤矸石粉、钢铁熔渣和其它冶金熔渣中的一种或多种的质量占比为70—95％，辅料玄武岩、白云石的质量占比为5—30％。
3.根据权利要求1所述的一种生产石墨烯棉的制备方法，其特征在于：所述在第一步中，将煤化工粉煤灰，煤矸石粉进行100—150℃烘干处理，使含水量低于1％。
4.根据权利要求1所述的一种生产石墨烯棉的制备方法，其特征在于：所述第一步中电热熔融均化炉和保温炉的熔融温度为1450—1700℃。
5.根据权利要求1所述的一种生产石墨烯棉的制备方法，其特征在于：所述第二步中，所述石墨烯总的用量为0.005—0.5％。
6.根据权利要求1所述的一种生产石墨烯棉的制备方法，其特征在于：所述第二步中的粘结剂包括酚醛树脂、聚丙烯、对苯二甲酸乙二酯、聚酰胺6、聚酰胺66。
7.根据权利要求1所述的一种生产石墨烯棉的制备方法，其特征在于：所述在第四步中，将摆动集棉送成管机，经成管固化炉固化，成管切割机切割后，进行石墨烯棉管包装。
8.根据权利要求1所述的一种生产石墨烯棉的制备方法，其特征在于：一种应用上述制备方法制备的石墨烯棉在石墨烯玻璃棉、石墨烯陶瓷纤维、石墨烯陶瓷产品、石墨烯棉防燃纤维布、以及石墨烯防燃帆布中的应用。
9.根据权利要求8所述的一种生产石墨烯棉的制备方法，其特征在于：所述石墨烯棉防燃纤维布包括石墨烯棉粒+热塑树脂。
10.根据权利要求9所述的一种生产石墨烯棉的制备方法，其特征在于：所述石墨烯棉防燃纤维的具体制备方法：其包括
(1)石墨烯棉粒热塑性树脂防燃阻燃母粒的制备；
(2)石墨烯棉粒热塑性树脂防燃阻燃纤维的制备；
所述石墨烯棉基热塑性树脂阻燃母粒的制备步骤具体包括：将热塑性树脂母粒粉碎与石墨烯粉体高速混合后，经双螺杆挤出机挤出、造粒；所述热塑性树脂母粒及石墨烯在混合前需要进行干燥处理，干燥后的母粒水分含量在小于50ppm，再优选地小于30ppm；所述热塑性树脂母粒粉碎料粒径小于2mm；所述热塑性树脂母粒粉碎与石墨烯棉粒粉碎高速混合方式为高速搅拌，转速5000—15000rad/min，混合搅拌时间为1～30分钟；所述石墨烯棉粒热塑性树脂阻燃母粒制备成阻燃纤维的步骤具体包括：对石墨烯棉粒热塑性树脂阻燃母粒进行干燥处理，加入料斗通过螺杆挤出机进入计量泵，然后通过单孔喷丝板进行纺丝，冷却固化，上油，牵伸，热定型和卷绕；所述干燥处理的温度为60℃-140℃，干燥4小时以上。
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