一种渣尘泥复合型高性能橡胶功能填料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种渣尘泥复合型高性能橡胶功能填料及其制备方法，属于冶金固废资源利用领域。该橡胶功能填料包括石墨烯‑磷酸激发剂、轧钢污泥、红土镍矿渣和高炉干法除尘灰。所述石墨烯‑磷酸激发剂为石墨烯、水和磷酸的混合物，其中石墨烯和磷酸均为工业纯、水为去离子水；所述轧钢污泥的粒径为3.8～84.3μm；所述红土镍矿渣的粒径为4.4～101.8μm；所述高炉干法除尘灰的粒径为3.9～58.6μm。本发明专利技术不仅降低了补强填料与阻燃剂的成本、拓展了橡胶填料的多功能性，而且实现了难处理轧钢污泥、红土镍矿渣和高炉干法除尘灰的高性能、高附加值资源利用，促进了企业增效，符合当前节能环保、循环经济的产业发展要求。

A kind of high performance rubber functional filler with slag, dust and mud and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种渣尘泥复合型高性能橡胶功能填料及其制备方法
本专利技术属于冶金固废资源利用领域，具体涉及一种渣尘泥复合型高性能橡胶功能填料，并且可以用于橡胶领域。
技术介绍
轧钢污泥是钢铁企业产在轧钢过程中产生的一种污泥，其铁元素含量较高，即FeO与Fe/Fe2O3；红土镍矿渣是红土镍矿经过酸浸回收金属矿物后，产生的非金属矿物，其主要化学成分为SiO2、Al2O3、CaO与MgO；高炉干法除尘灰是钢铁企业在高炉炼铁过程中经干式除尘器收集的粉尘，其主要化学成分为FeO、Fe/Fe2O3、C、Zn。目前轧钢污泥、红土镍矿渣与高炉干法除尘灰均属于难处理冶金固废，其利用率均较低且大量露天堆存，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、高效的综合利用轧钢污泥、红土镍矿渣与高炉干法除尘灰，实现环境减负，企业增效，是一个迫切需要解决的问题。橡胶作为工业生产广泛应用的聚合物材料，2019年我国橡胶用量近1500万吨。在橡胶硫化过程中，不仅需要加入橡胶用量40％-60％的补强填料，即4000-6000元/吨的白炭黑或炭黑以改善力学、加工和填充增容性能；而且需要加入橡胶用量45％-65％的阻燃剂，即卤素类或无机类以提高阻燃性能。目前补强填料存在生产工艺繁杂、资源消耗大、市场价格高的缺点；卤素阻燃剂存在效果好但燃烧时有毒气释放的缺点，无机阻燃剂存在用量大时影响力学性能的缺点。面对上述问题，若能利用轧钢污泥、红土镍矿渣与高炉干法除尘灰中C、SiO2、CaO发挥补强作用，SiO2、FeO、Fe/Fe2O3、Al2O3与MgO发挥阻燃作用，以及Zn发挥协同作用，如硫化促进、助催化、氧化、活化等。上述技术的实施不仅开创了难处理轧钢污泥、红土镍矿渣和高炉干法除尘灰的高附加值利用新技术，而且大幅降低了橡胶工业的生产成本。
技术实现思路
为了解决目前补强填料存在生产工艺繁杂、资源消耗大、市场价格高的缺点；卤素阻燃剂存在效果好但燃烧时有毒气释放的缺点，无机阻燃剂存在用量大时影响力学性能的缺点；补强填料与阻燃剂均功能单一，均不具有补强阻燃协同的缺点；轧钢污泥、红土镍矿渣与高炉干法除尘灰难处理且利用附加值低的缺点。本专利技术提供了一种渣尘泥复合型高性能橡胶功能填料，以期解决以上问题。为了解决以上技术问题，本专利技术是通过以下技术方案予以实现的。本专利技术提供了一种渣尘泥复合型高性能橡胶功能填料，该橡胶功能填料按重量百分比原料如下：所述石墨烯-磷酸激发剂为石墨烯、水和磷酸的混合物，其中石墨烯和磷酸均为工业纯、水为去离子水；所述轧钢污泥的粒径为3.8μm～84.3μm；所述红土镍矿渣的粒径为4.4μm～101.8μm；所述高炉干法除尘灰的粒径为3.9μm～58.6μm。进一步的，所述轧钢污泥的化学成分，以质量百分数计，分别为：Fe3O4(0.13％)、FeO(43.86％)、Fe/Fe2O3(48.60％)、SiO2(1.39％)、CaO(0.02％)、MgO(0.03％)、Al2O3(1.19％)、K(0.14％)、Na(0.36％)、C(1.12％)、Zn(0.13％)和其他(3.03％)。进一步的，所述红土镍矿渣的化学成分，以质量百分数计，分别为：SiO2(28.55％)、Fe2O3(0.59％)、Al2O3(26.57％)、CaO(27.67％)、MgO(10.33％)、Cr2O3(0.59％)、MnO(1.56％)和其他(4.14％)。进一步的，所述高炉干法除尘灰的化学成分，以质量百分数计，分别为：Fe3O4(1.65％)、FeO(7.88％)、Fe/Fe2O3(18.87％)、SiO2(2.87％)、CaO(2.18％)、MgO(0.70％)、Al2O3(2.49％)、K(0.76％)、Na(0.28％)、C(34.00％)、Zn(16.60％)和其他(11.72％)。进一步的，所述石墨烯-磷酸激发剂中石墨烯、水和磷酸的质量比1:20:80～1:20:100。本专利技术同时提供了上述渣尘泥复合型高性能橡胶功能填料的制备方法，具体包括如下步骤：(1)将石墨烯-磷酸激发剂、轧钢污泥和红土镍矿渣进行混合，利用高能球磨机对其进行氢气气氛机械合金化处理，其转速为400r/min～600r/min、时间为24h～48h，得到I型复合粉体。(2)利用高能球磨机对高炉干法除尘灰进行氧气气氛机械合金化处理，其转速为400r/min～600r/min、时间为36h～72h，得到II型复合粉体。(3)将I型复合粉体和II型复合粉体进行混合，利用高能球磨机对其进行氮气气氛机械合金化处理，其转速为200r/min～400r/min、时间为8h～18h，得到渣尘泥复合型高性能橡胶功能填料。本专利技术的科学原理：(1)磷酸(H3PO4)属于中强酸，由于磷酸分子中P原子是sp3杂化的，3个杂化轨道与氧原子间形成3个σ键，另一个P—O键是由一个从磷到氧的σ配键和两个由氧到磷的d-pπ键组成的，所以表现出独特性能：一方面磷酸受强热后脱水易生成焦磷酸、三磷酸和多聚偏磷酸，能与轧钢污泥、红土镍矿渣中硅元素(SiO2)、金属元素(FeO、Fe/Fe2O3、MgO和Al2O3)形成稳定的硅-磷-铁消烟体系与硅-磷-镁、硅-磷-镁阻燃体系；另一方面磷酸根离子具有很强的配合能力，能与红土镍矿渣中金属元素(CaO)生成可溶性的配合物，形成多孔结构、增加比表面积，提高其与橡胶分子的吸附性能与相容性，达到补强效果。(2)机械合金化是将粉末混合物在机械力作用下不断产生新的分子或原子面，通过变形-破碎-细化过程的反复进行，形成层状结构并不断细化，从而缩短固态粒子之间相互扩散的距离，加速粉末化合进程，以形成均匀且稳定结构的固溶体或化合物。采用氢气气氛机械合金化处理技术发生爆炸反应，即轧钢污泥与红土镍矿渣中SiO、FeO、Fe/Fe2O3、MgO和Al2O3在很短的时间内发生合金化反应放出大量的热与石墨烯-磷酸激发剂中H3PO4形成硅-磷-铁体系、硅-磷-镁体系和硅-磷-铝体系具有阻燃性能，上述体系在硫化橡胶中的阻燃效果远远优于仅仅依靠高熔点物质(Al2O3和MgO)的本质阻燃效果。采用氧气气氛机械合金化处理技术发生氧化反应，即高炉干法除尘灰中Zn与氧气中O在较长时间内发生合金化反应生成ZnO具有发挥协同作用，如硫化促进、助催化、氧化、活化等；同时此过程中无明火，不会促使高炉干法除尘灰中C与氧气中O发生反应，保持了C的补强效果。采用氮气气氛机械合金化处理技术，I型复合粉体和II型复合粉体在氮气气氛下不会发生氧化或还原反应，只是进一步的细化与均化。(3)石墨烯，作为碳材料家族的新成员，具有超大比表面积(2630m2/g)、极佳透光性(97.7％)、超强导电性(106S/m)、超强导热性(5000W/m·k)，以及超强硬度，其中超大比表面积有利于改善橡胶硫化后功能组分的分散度，超强导热性可以促进热量传递有利于橡胶硫化过程更彻底，超强硬度可以提高橡胶体系的力学性能。与现有技术相比，本专利技术具有以下有本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种渣尘泥复合型高性能橡胶功能填料，其特征在于，该橡胶功能填料按重量百分比原料如下：/n

【技术特征摘要】
1.一种渣尘泥复合型高性能橡胶功能填料，其特征在于，该橡胶功能填料按重量百分比原料如下：



所述石墨烯-磷酸激发剂为石墨烯、水和磷酸的混合物，其中石墨烯和磷酸均为工业纯、水为去离子水；所述轧钢污泥的粒径为3.8μm～84.3μm；所述红土镍矿渣的粒径为4.4μm～101.8μm；所述高炉干法除尘灰的粒径为3.9μm～58.6μm。


2.如权利要求1所述的一种渣尘泥复合型高性能橡胶功能填料，其特征在于，所述轧钢污泥的化学成分，以质量百分数计，分别为：








3.如权利要求1所述的一种渣尘泥复合型高性能橡胶功能填料，其特征在于，所述红土镍矿渣的化学成分，以质量百分数计，分别为：





4.如权利要求1所述的一种渣尘泥复合型高性能橡胶功能填料，其特征在于，所述高炉干法除尘灰的化学成分，以质量百分数计，分别为：

【专利技术属性】
技术研发人员：张浩，龙红明，吴胜华，张梅，韩震，杜晓燕，宗志芳，刘秀玉，张梦莉，高青，
申请(专利权)人：安徽工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34