CN115443314B - 利用油砂尾砂制备涂料用复合颜填料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的实施例提供了一种利用油砂尾砂原料制备涂料用复合颜填料的方法。所述方法包括：对油砂尾砂原料进行热处理，其中所述热处理包括干燥油砂尾砂原料和煅烧油砂尾砂原料，使得在油砂尾砂原料的表面上沥青包裹油砂尾砂的颗粒并炭化；将热处理后的油砂尾砂粗粉碎；超细加工粗粉碎后的油砂尾砂和调色剂的混合物，使得超细加工后的油砂尾砂用作所述复合颜填料。
Description
技术领域
本发明属于工业固体废弃物绿色资源化利用领域，尤其涉及一种利用油砂尾砂制备涂料用复合颜填料的方法。
背景技术
目前，炭黑是涂料领域应用最广泛的着色剂(颜料)，常被用于生产黑色或灰色涂料。然而炭黑的成分、密度、粒度、亲水性等物化性质与常用无机填料(如碳酸钙、硫酸钡、煅烧高岭土、滑石、硅灰石等)差异较大，容易引起涂料中颜料、填料的分层，导致涂料的浮色和发花，进而影响涂料的储存稳定性。炭黑比表面积较大、吸油值高，易吸附大量的溶剂和助剂，造成油性涂料储存后的返粗、变稠和泛白等问题。目前，虽然通过物理包覆或化学包覆手段，制备出钛白粉基白色复合颜填料，但是由于炭黑和无机填料性质的差异，导致得到相应的复合颜填料难度较大，尚未有黑色复合颜填料的相关报道。
油砂尾砂是油砂提油后剩余的黑色固体物质，其主要成分根据产地不同略有所差异，但都以天然矿物为主，如碳酸钙、石英砂和黏土矿物等。油砂尾砂中天然矿物的表面包裹有少量沥青、重油等有机物，导致其难以被直接利用，而被大量堆存。但每提炼1吨油就会产生3-15吨油砂尾砂，大量的尾砂堆积不仅大量占用土地、污染环境，也是对资源的一种浪费。
发明内容
鉴于上述的现有涂料中黑色颜料和油砂尾砂综合利用方面存在的问题，本发明提供了一种利用油砂尾砂制备涂料用复合颜填料的方法。
具体地，本发明的发明人认识到：油砂尾砂本身就属于天然矿物，在提油形成过程中经过了高温、碱处理或有机溶液萃取等流程后，其又具有疏松多孔、易粉碎、物化性质稳定等特点。另外，油砂尾砂为黑色且其中含有少量沥青等重油类物质，如果能够使得油砂尾砂的颗粒表面均匀包覆一层沥青类有机物，那么油砂尾砂就会具备生产涂料用复合颜填料的潜力。
本发明所述的方法能够针对油砂尾砂的矿物特性，通过合适的生产工艺制备出复合颜填料(即该复合颜填料同时具有颜料和填料的功能)，不仅解决涂料行业难题，也实现对油砂尾砂的绿色高值化利用，该方法技术普适性好，对多种油砂尾砂都能进行综合利用。
根据本发明的一个方面，提供了一种利用油砂尾砂制备涂料用复合颜填料的方法，所述方法包括热处理、粗破碎、磁选、超细加工和表面改性五个步骤中的一些步骤：
(1)热处理：所述热处理包括干燥和煅烧两个步骤。所述干燥是选用干燥设备在预定温度对含水量超过1％的油砂尾砂进行干燥，并将含水量干燥至1％以下。所述煅烧是选用煅烧设备在预定的气氛和温度下，对油砂尾砂进行两次煅烧，使油砂尾砂表面沥青分别完成均匀包裹和炭化。所述热处理可以根据原料的实际情况合理选择干燥和煅烧中的0-2段工艺。
(2)粗粉碎：选用粗碎设备将热处理后的油砂尾砂粉碎至0.2mm以下，以便磁选。
(3)磁选：利用磁选机将粗粉碎后的物料中一部分富铁物料选出。磁选出的富铁物料可作为水泥原料，用于生产水泥。当热处理后物料中铁含量较低时，可以省去磁选步骤。
(4)超细加工：选用超细加工设备将粗粉碎后的或磁选后留下的物料和调色剂混合均匀粉碎至一定细度，超细加工后的物料可以作为复合颜填料用于水性涂料、油漆或粉末涂料。
(5)表面改性：利用改性设备，选择合适的改性剂及用量，在一定条件下对超细加工后的物料进行表面处理，制得改性后复合颜填料用于水性涂料、油漆或粉末涂料。
通过上述可知，本发明所述的方法所涉及的生产流程都为纯物理过程，不涉及强酸强碱、高压等过程，生产工艺安全、绿色、环保，无三废排放，对不同类型的油砂尾砂适应性较高。由本发明所述方法生产的复合颜填料，分散均匀、与树脂亲和性好、着色效果优异，可广泛应用于油漆、水漆和粉末涂料领域。本发明的技术方案在解决了涂料行业难题的同时，真正实现对油砂尾砂的绿色高附加值利用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将结合附图和详细实施方式对本发明进行详细说明，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为根据本发明的一个实施例所述的利用油砂尾砂制备涂料用复合颜填料的方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
参见图1，本发明的实施例提供了一种利用油砂尾砂原料制备涂料用复合颜填料的方法，所述方法包括：
对油砂尾砂原料进行热处理，其中所述热处理包括干燥油砂尾砂原料和煅烧油砂尾砂原料，使得在油砂尾砂原料的表面上沥青包裹油砂尾砂的颗粒并炭化；
将热处理后的油砂尾砂粗粉碎；
超细加工粗粉碎后的油砂尾砂，使得超细加工后的油砂尾砂用作所述复合颜填料。
具体地，由干燥设备执行所述干燥油砂尾砂原料的步骤以使得油砂尾砂原料的含水量低于1％，所述干燥设备包括离心式脱水机、压滤机、闪蒸干燥机、喷雾干燥机、流化床式干燥机、回转炉干燥机和滚筒式干燥机中的任一种或它们的任意组合，所述干燥步骤的温度范围为100-200℃，优选地150℃。
另外，所述煅烧油砂尾砂原料由煅烧设备在煅烧气氛下执行，所述煅烧设备包括隧道窑、内热式回转窑、外热式回转窑和推板窑中的任一种或它们的任意组合，所述煅烧气氛包括惰性气体保护气氛、还原气氛或弱氧化气氛。
在一个示例中，所述煅烧包括对油砂尾砂原料进行第一次煅烧和第二次煅烧，所述第一次煅烧的温度范围为200-350℃(例如250℃或300℃)并且煅烧的时间范围为10-480分钟(例如200分钟或300分钟)；第二次煅烧的温度范围为350-1300℃(例如800℃或1000℃)并且煅烧的时间范围为10-480分钟(例如为300分钟或400分钟)。
在一个示例中，由粗碎设备执行将热处理后的油砂尾砂粗粉碎的步骤，所述粗碎设备包括锤式破碎机、圆锥式破碎机、反击式破碎机、辊压机、立磨和雷蒙磨中的任一种或它们的任意组合。
在一个示例中，由超细加工设备执行超细加工粗粉碎后的油砂尾砂和调色剂的混合物的步骤，所述超细加工设备包括环辊磨、机械磨、球磨机、气流磨、蒸汽磨、热空气气流磨、搅拌磨和砂磨机中的任一种或它们的任意组合；所述调色剂包括红丹、锶铬黄、锌铬黄、钡铬黄、钙铬黄、磷酸盐、磷钼酸盐、三聚磷酸二氢铝、钼酸锌、硼酸锌、云母氧化铁、钛白粉、氧化锌、石墨、群青、酞菁蓝、硫酸钡、铁红、硫酸钡中的任一种或它们的任意组合；所述调色剂的用量为粗粉碎后的油砂尾砂的粉体质量的0-90％；所述调色剂能够起到微调色度和提高涂料防锈性能的作用；超细加工后的油砂尾砂的颗粒的粒度在800-12500目之间，优选地8000目或10000目。
另外地，在将热处理后的油砂尾砂粗粉碎步骤之后，所述方法还包括对粗粉碎的油砂尾砂进行磁选，其中磁选出的富铁物料用作水泥原料，磁选后的油砂尾砂用于后续的超细加工。
优选地，由干法磁选机执行对粗粉碎的油砂尾砂进行磁选的步骤，所述干法磁选机的磁场强度的范围为0.02-2.0T。
在一个示例中，在超细加工粗碎后的油砂尾砂步骤之后，所述方法还包括对超细加工后的油砂尾砂进行表面改性以得到改性复合颜填料。
此外，由改性设备执行或在超细加工设备的腔体中执行所述表面改性的步骤。所述表面改性可根据改性剂类型和超细加工设备的种类来选择在超细加工设备的磨腔内完成，或粉碎完毕后用改性设备完成。
优选地，所述改性设备包括三辊改性机、高速搅拌机和塔式改性机中的任一种或它们的任意组合，所述表面改性使用的改性剂为硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂、钛酸酯偶联剂、稀土偶联剂、脂肪酸及其盐、聚醇类物质、高级醇类、聚丙烯酸铵、聚丙烯酸钠、六偏磷酸钠和三聚磷酸钠中的任一种或它们的任意组合；所述改性剂的用量为超细加工后的油砂尾砂的粉体质量的0.01-25％(例如10％或15％)；所述表面改性的温度范围为50-300℃(例如200℃)。
具体地，所述涂料为粉末涂料、水性涂料或油漆。
以下提供了几个具体的实施例来详细说明本发明的方法的各个步骤，显然，本发明的技术方案不限于下述提供的实施例的限制。
实施例1
印尼油砂尾砂的原料粒度大于0.2mm，含水量大于1％，其主要化学组成如表1所示。在本实施例中，采用的加工工艺为干燥、煅烧、粗粉碎、磁选、超细加工和表面改性。具体制备工艺参数如下：首先通过滚筒式干燥机利用热风对印尼油砂尾砂原料进行干燥，该滚筒式干燥机的进风口温度为190℃，出口温度为80℃，干燥后的油砂尾砂含水量为0.3％。然后利用隧道窑在氮气保护下对干燥后的油砂尾砂进行两段煅烧，其中第一段煅烧温度为250℃，煅烧时间为20分钟(mi n)，第二段煅烧温度为650℃，煅烧时间为120mi n；然后用雷蒙磨将油砂尾砂研磨到粒度0.2mm以下后，再用干法磁选机在1.5T的磁场强度下对干燥后的油砂尾砂进行磁选，磁选后的物料化学组成如表1所示。将磁选后物料与1％的锶铬黄混合均匀后，用流化床式气流磨在0.8Mpa压力和1700rpm的分级机转速下进行超细加工，得到复合颜填料A；最后对超细加工后的部分物料利用高速搅拌机，以1％的硅烷偶联剂(KH560)为改性剂，在100℃下连续搅拌15mi n，制得改性后复合颜填料A，其粒度分布如表2所示。
表1物料化学组成
表2不同填料粒度分布
实施例2
加拿大油砂尾砂原料的粒度大于0.2mm，含水量大于1％，其主要化学组成如表3所示。在本实施例中采用的加工工艺为干燥、煅烧、粗粉碎、磁选、超细加工和表面改性。具体制备工艺参数如下：首先利用选用流化床式干燥机，用热风对加拿大油砂尾砂原料进行干燥，该干燥机的进风口温度为183℃，出口温度为75℃，干燥后的油砂尾砂含水量为0.3％。然后利用内燃式回转窑，在还原气氛下对干燥后的油砂尾砂进行两段煅烧，窑头温度为200℃，窑尾温度为1000℃，第一段煅烧时间为5mi n，第二段煅烧时间为20mi n；然后用立磨将油砂尾砂研磨到粒度0.2mm以下后，再用干法磁选机在1.5T的磁场强度下对干燥后的油砂尾砂进行磁选，磁选后的物料化学组成如表3所示。将磁选后的物料与1％的锌铬黄混合均匀后，用蒸汽动能磨在1.2Mpa蒸汽压力和磨腔内温度为180℃的条件下，对填充料B进行超细加工，分级机转速分别为1500rpm，制备复合颜填料B(粒度分布如表4所示)。最后，对与超细加工后的物料的一部分，将质量分数为0.5％的硅烷偶联剂(KH560)和质量分数为0.5％的硅烷偶联剂(KH540)，通过雾化喷嘴直接喷入蒸汽磨内，进行原位改性制得改性复合颜填料B，其粒度分布如表4所示。
表3物料化学组成
表4不同填料粒度分布
实施例3
利用实施例1和实施例2中制备的复合颜填料A和B，在灰色防腐油漆中与常用的颜填料体系(炭黑+钛白体+碳酸钙)进行对比实验，涂料配方和性能对比如表5所示：
表5灰色防腐油漆配方、涂料制备工艺及性能对比
实施例4
利用实施例1和实施例2中制备的改性后复合颜填料A和B，在灰色防腐水性涂料中与常用的颜填料体系(炭黑+钛白体+碳酸钙)进行对比实验。涂料配方和性能对比如表6所示：
表6灰色防腐水性涂料配方、涂料制备工艺及性能对比
实施例5
利用实施例1和实施例2中制备的复合颜填料A和B，在灰色粉末涂料中与常用的颜填料体系(炭黑+钛白体+碳酸钙)进行对比实验，涂料配方和性能对比如表7所示：
表7粉末涂料配方、涂料制备工艺及性能对比
通过上述对比分析可以明显看出，通过本发明所述的方法制备的复合颜填料，表面紧密包覆一层炭类有机物，能够起到颜料和填料的双重作用，而且能够显著提高与有机树脂的亲和性和分散性。与常用的颜填料体系相比，本发明所述的方法不仅能够降低涂料生产成本，而且能够显著提高涂料的储存、防腐、耐候性等性能。本发明所述的方法具有显著的环保意义和经济效益，市场前景广阔。
虽然本总体发明构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体发明构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。
Claims (9)
1.一种利用油砂尾砂原料制备涂料用复合颜填料的方法，所述方法包括：
对油砂尾砂原料进行热处理，其中所述热处理包括干燥油砂尾砂原料和煅烧油砂尾砂原料，使得在油砂尾砂原料的表面上沥青包裹油砂尾砂的颗粒并炭化，其中所述煅烧包括对油砂尾砂原料进行第一次煅烧和第二次煅烧，所述第一次煅烧的温度范围为200-350℃并且煅烧的时间范围为10-480分钟；第二次煅烧的温度范围为350-1300℃并且煅烧的时间范围为10-480分钟；
将热处理后的油砂尾砂粗粉碎；
超细加工粗粉碎后的油砂尾砂和调色剂的混合物，使得超细加工后的油砂尾砂用作所述复合颜填料，
其中在超细加工粗碎后的油砂尾砂步骤之后，所述方法还包括对超细加工后的油砂尾砂进行表面改性以得到改性复合颜填料，由改性设备执行或在超细加工设备的腔体中执行所述表面改性的步骤，所述改性设备包括三辊改性机、高速搅拌机和塔式改性机中的任一种或它们的任意组合，所述表面改性使用的改性剂为硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂、钛酸酯偶联剂、稀土偶联剂、脂肪酸及其盐、聚醇类物质、高级醇类、聚丙烯酸铵、聚丙烯酸钠、六偏磷酸钠和三聚磷酸钠中的任一种或它们的任意组合；所述改性剂的用量为超细加工后的油砂尾砂的粉体质量的0.01-25％；所述表面改性的温度范围为50-300℃，
其中所述调色剂包括红丹、锶铬黄、锌铬黄、钡铬黄、钙铬黄、磷酸盐、磷钼酸盐、三聚磷酸二氢铝、钼酸锌、硼酸锌、云母氧化铁、钛白粉、氧化锌、石墨、群青、酞菁蓝、铁红和硫酸钡中的任一种或它们的任意组合；所述调色剂的用量为粗粉碎后的油砂尾砂的粉体质量的0-90％。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，由干燥设备执行所述干燥油砂尾砂原料的步骤以使得油砂尾砂原料的含水量低于1％，所述干燥设备包括离心式脱水机、压滤机、闪蒸干燥机、喷雾干燥机、流化床式干燥机、回转炉干燥机和滚筒式干燥机中的任一种或它们的任意组合，所述干燥步骤的温度范围为100-200℃。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，由煅烧设备在煅烧气氛下执行所述煅烧油砂尾砂原料的步骤，所述煅烧设备包括隧道窑、内热式回转窑、外热式回转窑和推板窑中的任一种或它们的任意组合。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述煅烧气氛包括惰性气体保护气氛、还原气氛或弱氧化气氛。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，由粗碎设备执行将热处理后的油砂尾砂粗粉碎的步骤，所述粗碎设备包括锤式破碎机、圆锥式破碎机、反击式破碎机、辊压机、立磨和雷蒙磨中的任一种或它们的任意组合。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，由超细加工设备执行超细加工粗粉碎后的油砂尾砂的步骤，所述超细加工设备包括环辊磨、机械磨、球磨机、气流磨、蒸汽磨、热空气气流磨、搅拌磨和砂磨机中的任一种或它们的任意组合；超细加工后的油砂尾砂的颗粒的粒度在800-12500目之间。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，在将热处理后的油砂尾砂粗粉碎步骤之后，所述方法还包括对粗粉碎的油砂尾砂进行磁选，其中磁选出的富铁物料用作水泥原料，磁选后的油砂尾砂用于后续的超细加工。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，由干法磁选机执行对粗粉碎的油砂尾砂进行磁选的步骤，所述干法磁选机的磁场强度的范围为0.02-2.0T。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其中，所述涂料为粉末涂料、水性涂料或油漆。
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