CN110183888B - 一种具有阻燃与防锈性能的冶金固废体质颜填料及其制备方法 - Google Patents

一种具有阻燃与防锈性能的冶金固废体质颜填料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有阻燃与防锈性能的冶金固废体质颜填料及其制备方法，属于固废资源利用领域。该颜填料包括磷磷酸溶液、钢渣微粉、石墨烯、高效分散剂和赤泥超细粉。所述钢渣微粉为热闷渣微粉、风淬渣微粉、铁水脱硫渣微粉、铸余渣微粉、转炉热泼渣微粉、转炉滚筒渣微粉、电炉热泼渣微粉、电炉滚筒渣微粉中的一种或多种。本发明不仅降低了现有体质颜填料的生产成本35％～50％，而且提高了体质颜填料的附着力与阻燃性，实现了防锈性能、高附着力与阻燃性能在体质颜填料的一体化，大幅增强了体质颜填料市场竞争力与应用范围；拓展了钢渣与赤泥的高附加值应用，实现“以废增效”的新思路。本发明符合相关节能环保、循环经济的政策要求。

Description

一种具有阻燃与防锈性能的冶金固废体质颜填料及其制备 方法
技术领域
本发明属于固废资源利用领域，具体涉及一种具有阻燃与防锈性能的冶金固废体质颜填料及其制备方法。
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％，主要成分是CaO、Fe2O3、Al2O3、SiO2、MgO、P2O5、MnO、SO3和少量游离氧化钙，其中CaO(35.0％～55.0％)、Fe2O3(10.0％～35.0％)、Al2O3(2.0％～12.0％)的含量较高。赤泥是氧化铝生产过程中产生的废渣，主要成分是CaO、SiO2、Fe2O3、Al2O3、Na2O、MgO等，其中CaO(5.30％～51.80％)、SiO2(8.50％～34.70％)、Fe2O3(1.80％～38.40％)、Al2O3(4.5％～24.40％)的含量较高。目前大量钢渣与赤泥的堆存，不仅占用宝贵土地，而且还会对周围环境和地下水造成污染，因此如何大规模、高附加值的利用钢渣与赤泥，实现环境减负，企业增效，是一个迫切需要解决的问题。
涂料主要由基料、溶剂、颜填料、助剂配制而成，其中颜填料不仅可以起到着色与填充作用，而且可以有效改善涂料的贮存稳定性与漆膜的相关性能，如提高涂膜的耐久性、耐热性、耐磨性，以及降低涂膜的收缩性。防锈涂料使用的颜填料主要分为防锈颜填料、着色颜填料与体质颜填料，上述三种颜填料在防锈涂料中起到的作用各不相同，即防锈颜填料主要起到增强防锈涂料的耐腐蚀性，从而提高防锈涂料的使用寿命；着色颜填料主要起到着色的作用，从而实现防锈涂料具有特定的颜色；体质颜填料主要起到填充的作用，从而提高防锈涂料的固体含量与遮盖率。目前主要的防锈涂料颜填料主要包括氧化铁、云母氧化铁、氧化铬、氧化锌、氧化钛、立德粉、碳酸钙、滑石、纳米黏土等，然而上述填颜料中均含有大量的铬、锌、铅等重金属氧化物，并且在使用过程中随颜填料一同进入防锈涂料中，从而导致严重的环境污染问题。面对上述问题，钢渣与赤泥含有较高的Fe2O3具有防锈性能、钢渣与赤泥含有较高的Al2O3具有阻燃性能、钢渣与赤泥含有较高的CaO、SiO2是体质颜填料的必需组分。因此，将钢渣、赤泥与石墨烯进行复合，利用石墨烯进一步提高阴极保护能力与附着力，形成具有阻燃与防锈性能的冶金固废体质颜填料，实现工业废料的循环利用，促进企业增效、防锈涂料行业降成本。
发明内容
为了解决现有技术不能大规模、高附加值的利用钢渣与赤泥，目前使用的填颜料含有大量的铬、锌、铅等重金属氧化物进入防锈涂料后导致严重环境污染，现有体质颜填料功能单一、附着力不足、价格昂贵且性能有待提高，以及赤泥超微粉易团聚且分散性差的问题。本发明利用磷酸溶液、钢渣微粉、石墨烯、高效分散剂和赤泥超细粉制备具有阻燃与防锈性能的冶金固废体质颜填料，同时对搅拌速度、搅拌时间、真空度等进行控制，以期实现钢渣与赤泥的高附加值循环利用。
为了解决以上技术问题，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阻燃与防锈性能的冶金固废体质颜填料，该颜填料按重量百分比原料如下：
Figure BDA0002116836940000021
Figure BDA0002116836940000031
所述磷酸溶液的质量分数为80％～90％；所述钢渣微粉为热闷渣微粉、风淬渣微粉、铁水脱硫渣微粉、铸余渣微粉、转炉热泼渣微粉、转炉滚筒渣微粉、电炉热泼渣微粉、电炉滚筒渣微粉中的一种或多种；所述石墨烯为分析纯；所述高效分散剂为硬脂酸和硅烷偶联剂KH550的混合物，硬脂酸和硅烷偶联剂KH550的质量比1:3～3:1，其中硬脂酸和硅烷偶联剂KH550均为分析纯。
进一步的，所述钢渣微粉粒径为25μm～45μm。
进一步的，所述赤泥超细粉，其粒径为0.5μm～25μm。
本发明同时提供了上述具有阻燃与防锈性能的冶金固废体质颜填料的制备方法，具体包括如下步骤：
首先利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将磷酸溶液与钢渣微粉进行混合，其搅拌速度为750r/min～1000r/min、搅拌时间为6h～8h，获得多孔钢渣微粉。
其次利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将高效分散剂与赤泥超细粉进行混合，其搅拌速度为750r/min～1000r/min、搅拌时间为6h～8h，获得改性赤泥超细粉。
然后利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将石墨烯与改性赤泥超细粉进行混合，其搅拌速度为500r/min～750r/min、搅拌时间为4h～6h，获得石墨烯-改性赤泥混合超细粉。
最后利用恒温磁力搅拌器在常温与真空度为0.03MPa～0.09MPa条件下将多孔钢渣微粉与石墨烯-改性赤泥混合超细粉进行混合，其搅拌速度为500r/min～1000r/min、搅拌时间为8h～12h，获得具有阻燃与防锈性能的冶金固废体质颜填料。
本发明的科学原理：
(1)钢渣中CaO、Fe2O3、Al2O3的含量较高，赤泥中CaO、SiO2、Fe2O3、Al2O3的含量较高。利用钢渣与赤泥中Fe2O3取代价格昂贵的铁红发挥防锈颜填料的性能，利用钢渣与赤泥中难燃物质Al2O3发挥阻燃性能，利用钢渣与赤泥中CaO、SiO2取代碳酸钙、滑石粉体质颜填料的性能。
(2)利用磷酸溶液去除钢渣微粉中的f-CaO提高钢渣微粉的比表面积、孔体积和孔径，形成丰富孔结构的多孔钢渣微粉，有利于石墨烯与赤泥超细粉在其表面吸附。
(3)利用高效分散剂中硬脂酸和硅烷偶联剂KH550在赤泥超细粉表面形成有机包裹层，降低赤泥超细粉的团聚，提高改性赤泥超细粉分散效果，有利于多孔钢渣微粉的吸附作用。
(4)利用石墨烯可以形成的卷曲片状结构，提高防锈涂料的耐冲击性能；再利用石墨烯片层的共轭结构能够产生范德华作用力，提高防锈涂料的附着力。
(5)利用真空负压技术，实现石墨烯、改性赤泥超细粉在多孔钢渣微粉的孔结构中吸附，形成具有阻燃与防锈性能的冶金固废体质颜填料。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明解决了现有技术不能大规模、高附加值的利用钢渣与赤泥，目前使用的填颜料含有大量的铬、锌、铅等重金属氧化物进入防锈涂料后导致严重环境污染，现有体质颜填料功能单一、附着力不足、价格昂贵且性能有待提高，以及赤泥超微粉易团聚且分散性差的问题。上述问题的解决不仅降低了现有体质颜填料的生产成本35％～50％，而且提高了体质颜填料的附着力与阻燃性，实现了防锈性能、高附着力与阻燃性能在体质颜填料的一体化，大幅增强了体质颜填料市场竞争力与应用范围。
2、本发明利用磷酸溶液、钢渣微粉、石墨烯、高效分散剂和赤泥超细粉制备具有阻燃与防锈性能的冶金固废体质颜填料，拓展了钢渣与赤泥的高附加值应用，实现“以废增效”的新思路。
3、本发明一种具有阻燃与防锈性能的冶金固废体质颜填料及其制备方法符合相关节能环保、循环经济的政策要求。
附图说明
图1为耐火性实验示意图；
图中：1、支撑物；2、测试板；3、带铁夹的铁架台；4、酒精喷灯；a、阻燃防锈涂料。
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。
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：
Figure BDA0002116836940000051
所述磷酸溶液的质量分数为80％；所述钢渣微粉为热闷渣微粉，其粒径为25μm～45μm；所述石墨烯为分析纯；所述高效分散剂为硬脂酸和硅烷偶联剂KH550的混合物，硬脂酸和硅烷偶联剂KH550的质量比1:1，其中硬脂酸和硅烷偶联剂KH550均为分析纯；所述赤泥超细粉，其粒径为0.5μm～25μm。
首先利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将磷酸溶液与钢渣微粉进行混合，其搅拌速度为1000r/min、搅拌时间为6h，获得多孔钢渣微粉。
其次利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将高效分散剂与赤泥超细粉进行混合，其搅拌速度为900r/min、搅拌时间为8h，获得改性赤泥超细粉。
然后利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将石墨烯与改性赤泥超细粉进行混合，其搅拌速度为500r/min、搅拌时间为5h，获得石墨烯-改性赤泥混合超细粉。
最后利用恒温磁力搅拌器在常温与真空度为0.07MPa条件下将多孔钢渣微粉与石墨烯-改性赤泥混合超细粉进行混合，其搅拌速度为600r/min、搅拌时间为12h，获得具有阻燃与防锈性能的冶金固废体质颜填料。
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：
Figure BDA0002116836940000061
所述磷酸溶液的质量分数为90％；所述钢渣微粉为铁水脱硫渣微粉，其粒径为25μm～45μm；所述石墨烯为分析纯；所述高效分散剂为硬脂酸和硅烷偶联剂KH550的混合物，硬脂酸和硅烷偶联剂KH550的质量比1:2，其中硬脂酸和硅烷偶联剂KH550均为分析纯；所述赤泥超细粉，其粒径为0.5μm～25μm。
首先利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将磷酸溶液与钢渣微粉进行混合，其搅拌速度为900r/min、搅拌时间为8h，获得多孔钢渣微粉。
其次利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将高效分散剂与赤泥超细粉进行混合，其搅拌速度为750r/min、搅拌时间为7h，获得改性赤泥超细粉。
然后利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将石墨烯与改性赤泥超细粉进行混合，其搅拌速度为650r/min、搅拌时间为4h，获得石墨烯-改性赤泥混合超细粉。
最后利用恒温磁力搅拌器在常温与真空度为0.05MPa条件下将多孔钢渣微粉与石墨烯-改性赤泥混合超细粉进行混合，其搅拌速度为1000r/min、搅拌时间为11h，获得具有阻燃与防锈性能的冶金固废体质颜填料。
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：
Figure BDA0002116836940000071
所述磷酸溶液的质量分数为86％；所述钢渣微粉为电炉滚筒渣微粉，其粒径为25μm～45μm；所述石墨烯为分析纯；所述高效分散剂为硬脂酸和硅烷偶联剂KH550的混合物，硬脂酸和硅烷偶联剂KH550的质量比3:1，其中硬脂酸和硅烷偶联剂KH550均为分析纯；所述赤泥超细粉，其粒径为0.5μm～25μm。
首先利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将磷酸溶液与钢渣微粉进行混合，其搅拌速度为750r/min、搅拌时间为7h，获得多孔钢渣微粉。
其次利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将高效分散剂与赤泥超细粉进行混合，其搅拌速度为1000r/min、搅拌时间为6h，获得改性赤泥超细粉。
然后利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将石墨烯与改性赤泥超细粉进行混合，其搅拌速度为700r/min、搅拌时间为6h，获得石墨烯-改性赤泥混合超细粉。
最后利用恒温磁力搅拌器在常温与真空度为0.09MPa条件下将多孔钢渣微粉与石墨烯-改性赤泥混合超细粉进行混合，其搅拌速度为800r/min、搅拌时间为8h，获得具有阻燃与防锈性能的冶金固废体质颜填料。
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：
Figure BDA0002116836940000081
所述磷酸溶液的质量分数为82％；所述钢渣微粉为转炉热泼渣微粉，其粒径为25μm～45μm；所述石墨烯为分析纯；所述高效分散剂为硬脂酸和硅烷偶联剂KH550的混合物，硬脂酸和硅烷偶联剂KH550的质量比1:3，其中硬脂酸和硅烷偶联剂KH550均为分析纯；所述赤泥超细粉，其粒径为0.5μm～25μm。
首先利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将磷酸溶液与钢渣微粉进行混合，其搅拌速度为850r/min、搅拌时间为6h，获得多孔钢渣微粉。
其次利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将高效分散剂与赤泥超细粉进行混合，其搅拌速度为950r/min、搅拌时间为6h，获得改性赤泥超细粉。
然后利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将石墨烯与改性赤泥超细粉进行混合，其搅拌速度为550r/min、搅拌时间为5h，获得石墨烯-改性赤泥混合超细粉。
最后利用恒温磁力搅拌器在常温与真空度为0.03MPa条件下将多孔钢渣微粉与石墨烯-改性赤泥混合超细粉进行混合，其搅拌速度为500r/min、搅拌时间为10h，获得具有阻燃与防锈性能的冶金固废体质颜填料。
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：
Figure BDA0002116836940000091
所述磷酸溶液的质量分数为88％；所述钢渣微粉为风淬渣微粉与铸余渣微粉的混合物，其粒径为25μm～45μm；所述石墨烯为分析纯；所述高效分散剂为硬脂酸和硅烷偶联剂KH550的混合物，硬脂酸和硅烷偶联剂KH550的质量比2:1，其中硬脂酸和硅烷偶联剂KH550均为分析纯；所述赤泥超细粉，其粒径为0.5μm～25μm。
首先利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将磷酸溶液与钢渣微粉进行混合，其搅拌速度为950r/min、搅拌时间为8h，获得多孔钢渣微粉。
其次利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将高效分散剂与赤泥超细粉进行混合，其搅拌速度为800r/min、搅拌时间为7h，获得改性赤泥超细粉。
然后利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将石墨烯与改性赤泥超细粉进行混合，其搅拌速度为750r/min、搅拌时间为6h，获得石墨烯-改性赤泥混合超细粉。
最后利用恒温磁力搅拌器在常温与真空度为0.07MPa条件下将多孔钢渣微粉与石墨烯-改性赤泥混合超细粉进行混合，其搅拌速度为900r/min、搅拌时间为9h，获得具有阻燃与防锈性能的冶金固废体质颜填料。
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：
Figure BDA0002116836940000092
Figure BDA0002116836940000101
所述磷酸溶液的质量分数为84％；所述钢渣微粉为转炉滚筒渣微粉与电炉热泼渣微粉的混合物，其粒径为25μm～45μm；所述石墨烯为分析纯；所述高效分散剂为硬脂酸和硅烷偶联剂KH550的混合物，硬脂酸和硅烷偶联剂KH550的质量比1:1，其中硬脂酸和硅烷偶联剂KH550均为分析纯；所述赤泥超细粉，其粒径为0.5μm～25μm。
首先利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将磷酸溶液与钢渣微粉进行混合，其搅拌速度为800r/min、搅拌时间为7h，获得多孔钢渣微粉。
其次利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将高效分散剂与赤泥超细粉进行混合，其搅拌速度为850r/min、搅拌时间为8h，获得改性赤泥超细粉。
然后利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将石墨烯与改性赤泥超细粉进行混合，其搅拌速度为600r/min、搅拌时间为4h，获得石墨烯-改性赤泥混合超细粉。
最后利用恒温磁力搅拌器在常温与真空度为0.05MPa条件下将多孔钢渣微粉与石墨烯-改性赤泥混合超细粉进行混合，其搅拌速度为700r/min、搅拌时间为10h，获得具有阻燃与防锈性能的冶金固废体质颜填料。
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：
Figure BDA0002116836940000102
Figure BDA0002116836940000111
所述磷酸溶液的质量分数为84％；所述钢渣微粉为转炉滚筒渣微粉与电炉热泼渣微粉的混合物，其粒径为25μm～45μm；所述高效分散剂为硬脂酸和硅烷偶联剂KH550的混合物，硬脂酸和硅烷偶联剂KH550的质量比1:1，其中硬脂酸和硅烷偶联剂KH550均为分析纯；所述赤泥超细粉，其粒径为0.5μm～25μm。
首先利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将磷酸溶液与钢渣微粉进行混合，其搅拌速度为800r/min、搅拌时间为7h，获得多孔钢渣微粉。
其次利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将高效分散剂与赤泥超细粉进行混合，其搅拌速度为850r/min、搅拌时间为8h，获得改性赤泥超细粉。
最后利用恒温磁力搅拌器在常温与真空度为0.05MPa条件下将多孔钢渣微粉与改性赤泥混合超细粉进行混合，其搅拌速度为700r/min、搅拌时间为10h，获得具有阻燃与防锈性能的冶金固废体质颜填料。
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：
磷酸溶液 3％
钢渣微粉 93％
石墨烯 4％
所述磷酸溶液的质量分数为84％；所述钢渣微粉为转炉滚筒渣微粉与电炉热泼渣微粉的混合物，其粒径为25μm～45μm；所述石墨烯为分析纯。
首先利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将磷酸溶液与钢渣微粉进行混合，其搅拌速度为800r/min、搅拌时间为7h，获得多孔钢渣微粉。
其次利用恒温磁力搅拌器在常温与真空度为0.05MPa条件下将多孔钢渣微粉与石墨烯进行混合，其搅拌速度为700r/min、搅拌时间为10h，获得具有阻燃与防锈性能的冶金固废体质颜填料。
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：
石墨烯 4％
高效分散剂 1％
赤泥超细粉 95％
所述石墨烯为分析纯；所述高效分散剂为硬脂酸和硅烷偶联剂KH550的混合物，硬脂酸和硅烷偶联剂KH550的质量比1:1，其中硬脂酸和硅烷偶联剂KH550均为分析纯；所述赤泥超细粉，其粒径为0.5μm～25μm。
首先利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将高效分散剂与赤泥超细粉进行混合，其搅拌速度为850r/min、搅拌时间为8h，获得改性赤泥超细粉。
其次利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将石墨烯与改性赤泥超细粉进行混合，其搅拌速度为600r/min、搅拌时间为4h，获得具有阻燃与防锈性能的冶金固废体质颜填料。
制备实施例1～6及对比例1～3，其性能检测过程如下：
首先按24％丙烯酸树脂、7％高氯树脂、13％氯化石腊、1％分散剂F-30和55％矿物油配制基料；其次将基料与具有阻燃与防锈性能的冶金固废体质颜填料按质量比70％:30％进行混合制备阻燃防锈涂料。
采用垂直燃烧法(如图1所示)。将阻燃防锈涂料a覆在测试板2一侧，放置在带铁夹的铁架台3上，涂覆阻燃防锈涂料的测试板一侧面向酒精喷灯4，并且与酒精喷灯口的垂直距离为7cm左右，待火焰温度达到1000℃左右时，开始计时至检测终点。检测时，测试板燃烧时背火面炭化，出现裂缝，定为耐燃时间(min)终点。依据《色漆、清漆和塑料不挥发物含量的测定》(GB/T1725-2007)测试阻燃防锈涂料的固体分，依据《漆膜、腻子膜干燥时间测定法》(GB/T1728-1979)测试阻燃防锈涂料的干燥时间，依据《色漆和清漆拉开法附着力试验》(GB/T5210-2006)测试阻燃防锈涂料的附着力，依据《色漆和清漆耐中性盐雾性能的测定》(GB/T1771-2007)测试阻燃防锈涂料的耐中性盐雾。利用3％氯化钠盐水测试阻燃防锈涂料的耐盐水性。
表1阻燃防锈涂料的性能
Figure BDA0002116836940000131

Claims (1)

1.一种具有阻燃与防锈性能的冶金固废体质颜填料，其特征在于，该颜填料按重量百分比原料如下：
磷酸溶液 1%～5%
钢渣微粉 46%～66%
石墨烯 1%～5%
高效分散剂 1%～3%
赤泥超细粉 30%～50%
所述磷酸溶液的质量分数为80%～90%；所述钢渣微粉为热闷渣微粉、风淬渣微粉、铁水脱硫渣微粉、铸余渣微粉、转炉热泼渣微粉、转炉滚筒渣微粉、电炉热泼渣微粉、电炉滚筒渣微粉中的一种或多种；所述石墨烯为分析纯；所述高效分散剂为硬脂酸和硅烷偶联剂KH550的混合物，硬脂酸和硅烷偶联剂KH550的质量比1:3～3:1，其中：硬脂酸和硅烷偶联剂KH550均为分析纯；
所述钢渣微粉粒径为25µm～45µm；所述赤泥超细粉粒径为0.5µm～25µm；
所述具有阻燃与防锈性能的冶金固废体质颜填料的制备包括如下步骤：
首先利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将磷酸溶液与钢渣微粉进行混合，其搅拌速度为750r/min～1000r/min、搅拌时间为6h～8h，获得多孔钢渣微粉；
其次利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将高效分散剂与赤泥超细粉进行混合，其搅拌速度为750r/min～1000r/min、搅拌时间为6h～8h，获得改性赤泥超细粉；
然后利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将石墨烯与改性赤泥超细粉进行混合，其搅拌速度为500r/min～750r/min、搅拌时间为4h～6h，获得石墨烯-改性赤泥混合超细粉；
最后利用恒温磁力搅拌器在常温与真空度为0.03MPa～0.09MPa条件下将多孔钢渣微粉与石墨烯-改性赤泥混合超细粉进行混合，其搅拌速度为500r/min～1000r/min、搅拌时间为8h～12h，获得具有阻燃与防锈性能的冶金固废体质颜填料。
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