一种以煤泥为原料制备煤泥基炭-二氧化硅复合补强剂的方法

摘要

一种以煤泥为原料制备煤泥基炭‑二氧化硅复合补强剂的方法，1）将煤泥置于N2气氛围下进行焙烧处理，得到炭化煤泥；2）将炭化煤泥加入到浓度为10%～25%的盐酸溶液中，酸浸搅拌处理；之后用蒸馏水抽滤洗涤至中性，得到酸浸煤泥残留物；3）向酸浸煤泥残留物中加入浓度为10%～15%的NaOH溶液，在80℃～100℃温度下搅拌反应2h～3h；4）在40℃～60℃的温度下向步骤3）所得反应物中加入浓度为10%的盐酸溶液，调节pH值至5.0～6.0，搅拌反应后，用蒸馏水抽滤洗涤至中性，得到煤泥基炭‑硅酸复合物；5）低温焙烧煤泥基炭‑硅酸复合物，即得煤泥基炭‑二氧化硅复合物；6）取步骤5）得到的煤泥基炭‑二氧化硅复合物加入改性剂，并进行球磨处理，得到改性后的煤泥基炭‑二氧化硅复合补强剂产品。

权利要求

1.一种以煤泥为原料制备煤泥基炭-二氧化硅复合补强剂的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

1）将煤泥置于N2气氛围下、在750℃～900℃的条件下进行焙烧处理，得到炭化煤泥；

2）将炭化煤泥加入到浓度为10%～25%的盐酸溶液中，酸浸搅拌处理2h～6h；其中炭化煤泥与盐酸溶液的质量比为1:0.75～1:1.75；之后用蒸馏水抽滤洗涤至中性，得到酸浸煤泥残留物；

3）向酸浸煤泥残留物中加入浓度为10%～15%的NaOH溶液，酸浸煤泥残留物和NaOH质量比为1:0.25～1:0.5；在80℃～100℃温度下搅拌反应2h～3h；

4）在40℃～60℃的温度下向步骤3）所得反应物中加入浓度为10%的盐酸溶液，调节pH值至5.0～6.0，搅拌反应5h～8h时间后，用蒸馏水抽滤洗涤至中性，得到煤泥基炭-硅酸复合物；

5）在200℃～400℃的温度范围内，低温焙烧煤泥基炭-硅酸复合物，即得煤泥基炭-二氧化硅复合物；

6）取步骤5）得到的煤泥基炭-二氧化硅复合物加入改性剂，并进行球磨处理，得到改性后的煤泥基炭-二氧化硅复合补强剂产品，其中所述改性剂的加入量为煤泥基炭-二氧化硅复合物质量的5% 9%。

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2.根据权利要求1所述以煤泥为原料制备煤泥基炭-二氧化硅复合补强剂的方法，其特征在于：步骤2）中所述炭化煤泥的粒度≤20μm。

3.根据权利要求1所述以煤泥为原料制备煤泥基炭-二氧化硅复合补强剂的方法，其特征在于：步骤6）中所述改性剂取自巯基硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、乙烯基硅烷偶联剂或脂肪酸中的任意一种或两种。

说明书

一种以煤泥为原料制备煤泥基炭-二氧化硅复合补强剂的

方法

技术领域

[0001] 本发明涉及功能性补强粉体材料领域，尤其是涉及一种以煤泥为原材料通过化学沉淀法制备煤泥基炭-二氧化硅复合补强剂的制备方法。技术背景

[0002] 我国是少数几个以煤为主要能源的国家之一，富煤、贫油、少气的能源资源赋存特点决定了煤炭在我国能源供应中的重要地位，在我国煤炭占化石能源比重高达94%。2015年我国煤炭产量为37亿吨左右，其中燃煤占了很大的比重，燃煤产生的粉尘和有害气体对环境污染带来了很大的挑战。面对环境保护的压力，国家发改委和环保总局制定了《煤炭工业节能减排工作意见》，要求对原煤进行脱硫降灰后洁净燃烧，努力提高原煤的入选比率。预计2017年全国原煤入选率达到70%以上，2020年原煤入选率达到80%以上。原煤的入选会伴随有煤泥副产品的产生，煤泥一般为入选原煤的10 20%。随着我国原煤入洗比重的逐年增~加，加上采煤机械化程度的提高，原煤中的粉煤含量加大，届时煤泥量将大幅度增加。将来我国的煤泥资源相当丰富，其综合利用已成为迫切需要解决的问题。

[0003] 煤泥是煤炭洗选的副产品，其成分主要由少量的细粒煤和粘土矿物组成的粉化矸石组成，具有粒度小（通常在0.5mm以下，小于0.2mm占80%以上），持水性强（25-40%），硫分、灰分高（40%左右），含粘土矿物多，发热量低（8-18MJ/kg）等特点[ 李宁, 雷宏彬, 田忠文, 等. 煤泥资源化利用关键技术研究分析. 煤炭工程, 2011, (12): 100-101+105.]，致使煤泥难以作为燃料进行高效利用，只有少量煤泥被用作民用燃料或掺烧料[ 张乾, 马爱玲, 张玉德. 有机化煤泥粉体的制备及其对聚乙烯的补强特性. 化工新型材料, 2013, 41(09): 87-89.]。我国每年产生的数千万吨煤泥中70%以上排入环境，不仅浪费了大量的煤炭资源，而且还造成严重的环境污染。国内外学者对煤泥的综合利用进行了大量的研究，煤泥型煤技术、煤泥水煤浆和建设煤泥电厂是其中的三个主要方法，这些方法为煤泥的利用提供了好的技术手段，一定程度上缓解了煤泥排入环境造成的环境问题和资源浪费。目前，煤泥的综合利用主要集中在煤泥的新型燃烧利用技术方面[ 程川, 何屏. 煤泥利用现状及分析. 新技术新工艺, 2012, (09): 66-69.]。但煤泥的燃烧利用一般需要特殊的燃烧设备和技术，并且大部分煤泥的固定碳含量低，硫分、灰分高，发热量低，不宜作为燃料利用。

[0004] 最近十来年，利用煤粉和煤泥制备聚合物粉体填料的研究受到了广泛的关注。太原理工大学卢建军等[ 卢建军, 谢克昌. 煤基高分子复合材料研究现状及发展趋势. 化工进展, 2003, 22 (12): 1265-1268.]采用超细加工和烷基化表面改性制备煤基填料，并考察了该填料对聚丙烯材料性能的影响。张乾等[ 张乾, 马爱玲, 张玉德. 有机化煤泥粉体的制备及其对聚乙烯的补强特性. 化工新型材料, 2013, 41 (9): 87-89.]采用超细粉碎和表面修饰技术制备了对聚乙烯具有补强特性的有机煤泥粉体填料。李侃社[ 李侃社, 周安宁. 煤基材料研究进展. 高分子材料科学与工程, 2001, 17 (4): 19-22.]、龚勇 [ 龚勇, 陈建, 张华知, 等. 煅后无烟煤粉作为橡胶补强剂的研究. 弹性体, 2014, 24 (2): 1-4.]、许逵[ 许逵, 陈静, 潘荣楷, 等. 三种煤系粉体对天然橡胶补强性能的对比研究. 弹性体, 2013, 23 (4): 20-22.]和张玉德[ 张玉德, 谭金龙, 杨世诚, 等. 湿法球磨改性无烟煤对丁苯橡胶复合材料性能的影响. 化工新型材料, 2015, 43 (03): 86-88.]等分别对煤基橡胶填料的制备及复合材料的应用性能进行了深入的研究，经超细粉碎和表面有机化改性的煤粉填料在橡胶中取得了较好的补强效果。煤泥主要由微细粒煤和粘土矿物组成，如果以煤泥为原料，利用煤结构中大量的活性官能团，采用超细研磨、焙烧、化学包覆改性和表面修饰技术对其进行深加工处理，制备煤泥基粉体材料，将其掺入聚合物中制备煤/聚合物复合材料[ 张玉德, 康小娟, 谭金龙, 等. 煤基功能性填料的研究进展. 化工新型材料, 2013, 41 (7): 3-5.]，广泛应用于电缆绝缘料、护套料、建筑材料、汽车配件、环保产品（垃圾袋、垃圾桶）以及橡胶制品等领域，不仅能够改善聚合物材料的物理化学性能[ J. Xiumin, Z. Chuguang, Y. Che, et al. Physical structure and combustion properties of super fine pulverized coal particle. Fuel, 2002, 81 (6): 793-797.]，降低聚合物材料的成本，还能最大程度地利用煤的特性，减少环境污染和资源浪费，同时为煤泥的高效洁净利用提供新途径[ 路阳, 张崇, 罗四海, 等. 聚合物/煤复合材料研究进展. 中国塑料, 2013, 27 (06): 13-18.]。

[0005] 为了不同的目的，橡胶工业使用了各种各样的粒状填料，最主要的目的是增强、降低成本、改善加工性能等。增强主要是提高强度以及与强度相关的性能，如耐磨、硬度和模量。传统上来说[ I. Mora-Barrantes, L. Ibarra, A. Rodriguez, et al. Elastomer composites based on improved fumed silica and carbon black. Advantages of mixed reinforcing systems. Journal of Materials Chemistry, 2011, 21 (43): 17526-17533.]，炭黑一直就是增强橡胶复合物的主要填料，可以赋予制品更高的安全性、耐磨性，降低耗油量。为了改善抗撕裂性能，降低滚动阻力和增加抗湿滑性能，尤其是第一次燃油危机的到来，寻找炭黑的替代品变得越来越迫切，主要聚焦到了无机填料的开发。硅烷改性白炭黑被认为是替代炭黑的第一选择，它是唯一能与炭黑性能相媲美的材料。炭黑（CB）增强橡胶比白炭黑增强橡胶具有更高的模量，而白炭黑可使橡胶在撕裂强度、耐磨、耐老化和抗粘等性能方面达到较好的平衡，填充胶具有较好的综合性能。在胎面胶中，白炭黑会产生较低滚动阻力，耐磨和抗湿滑性能与CB相当。由于CB和白炭黑拥有各自的优点，最近杂化填料的制备越来越受关注，复合增强体系中的几种填料可以产生协同效应，杂化填料有望成为传统补强体系的替代品[X. Xiong, J. Wang, H. Jia, et al. Synergistic effect of carbon black and carbon–silica dual phase filler in natural rubber matrix. Polymer Composites, 2014, 35 (8): 1466-1472; R. Zafarmehrabian, S.T. Gangali, M.H.R. Ghoreishy, et al. The Effects of Silica/Carbon Black Ratio on the Dynamic Properties of the Tread compounds in Truck Tires. E-Journal of Chemistry, 2012, 9 (3): 1102-1112.; N. Rattanasom, T. Saowapark, C. Deeprasertkul. Reinforcement of natural rubber with silica/carbon black hybrid filler. Polymer Testing, 2007, 26 (3): 369-377.]。在轮胎工业中，硅烷改性白炭黑部分取代炭黑的杂化填料已经用来制造绿色轮胎。

[0006] 煤泥在我国的资源丰富，其成分主要由少量的细粒煤和铝硅酸盐粘土矿物组成，颗粒细小。煤分子主要由稠环和脂肪环链的结构单元以及连接结构单元的桥键组成[ 陈清如, 刘炯天, 中国洁净煤, 徐州: 中国矿业大学出版社, 2009.]，桥键将这些结构单元连接成以芳环为中心的三维网状结构，主要化学组成元素为C、H、O、N、S，碳元素含量最高。煤泥中的煤颗粒表面含有羧基、羟基、羰基、甲氧基和醚键等多种含氧官能团，存在着一些断裂的化学键和不饱和键，具有较高的键能，反应活性高，吸附能力强。同时，煤泥中还含有大量黏土矿物颗粒，主要由含水的铝硅酸盐组成，主要化学组成元素为Si和Al。煤泥中的煤颗粒富碳，粘土矿物富硅，兼具碳（C）源和硅（Si）源，是一种富碳和富硅的原材料，也具有制备类似“炭黑-白炭黑”的双相填料的潜能。因此，以煤泥中的硅酸盐为硅源，通过化学沉淀法制备纳米二氧化硅；以煤泥中的煤颗粒为碳源，通过焙烧处理制备活性煤基炭材料；将纳米二氧化硅颗粒原位包覆在煤基炭材料表面，实现“煤基碳材料”与白炭黑的杂化，制备类似“炭黑-白炭黑”的双相补强剂，发挥填料的协同效应，改善橡胶复合材料的综合性能，为双相补强填料的开发提供一种新方法。

发明内容

[0007] 本发明的目的正是为了提供一种以煤泥为原料通过溶胶-凝胶法制备煤泥基炭-二氧化硅复合补强剂的新方法。该方法是在现有的炭黑-白炭黑双相填料研究的基础上，结合粘土矿物焙烧活化制备纳米二氧化硅的工艺条件，充分利用由小粒径的煤颗粒和粘土矿物组成的煤泥富含碳元素和硅元素的特点，采用惰性气氛焙烧-酸浸-碱浸-再酸浸-焙烧的工艺，通过溶胶-凝胶法，使炭化煤泥中含硅活性粘土矿物在炭化煤颗粒表面生成硅酸凝胶，形成煤泥基炭-硅酸复合物，然后再进行低温焙烧获得煤泥基炭-二氧化硅复合物，最后进行机械力化学改性制备出一种具有高结构活性和相容性的煤泥基炭-二氧化硅复合增强粉体材料。该复合补强剂显著改善了橡胶复合材料的物理机械性能，大大提高了煤泥的附加值，有效降低了煤泥堆放和直接燃烧对环境造成的危害。

[0008] 本发明的目的可通过下述技术措施来实现：

[0009] 本发明的以煤泥为原料制备煤泥基炭-二氧化硅复合补强剂的方法包括如下步骤：以煤泥为原料制备煤泥基炭-二氧化硅复合补强剂的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

[0010] 1）将煤泥置于N2气氛围下、在750℃～900℃的条件下进行焙烧处理，得到炭化煤泥；

[0011] 2）将炭化煤泥加入到浓度为10%～25%的盐酸溶液中，酸浸搅拌处理2h～6h；其中炭化煤泥与盐酸溶液的质量比为1:0.75～1:1.75；之后用蒸馏水抽滤洗涤至中性，得到酸浸煤泥残留物；

[0012] 3）向酸浸煤泥残留物中加入浓度为10%～15%的NaOH溶液，酸浸煤泥残留物和NaOH质量比为1:0.25～1:0.5；在80℃～100℃温度下搅拌反应2h～3h；

[0013] 4）在40℃～60℃的温度下向步骤3）所得反应物中加入浓度为10%的盐酸溶液，调节pH值至5.0～6.0，搅拌反应5h～8h时间后，用蒸馏水抽滤洗涤至中性，得到煤泥基炭-硅酸复合物；

[0014] 5）在200℃～400℃的温度范围内，低温焙烧煤泥基炭-硅酸复合物，即得煤泥基炭-二氧化硅复合物；

[0015] 6）取步骤5）得到的煤泥基炭-二氧化硅复合物加入改性剂，并进行球磨处理，得到改性后的煤泥基炭-二氧化硅复合补强剂产品，其中所述改性剂的加入量为煤泥基炭-二氧化硅复合物质量的5% 9%。~

[0016] 本发明步骤2）中所述炭化煤泥的粒度≤20μm；所述步骤6）中所述改性剂取自巯基硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、乙烯基硅烷偶联剂或脂肪酸中的任意一种或两种。

[0017] 本发明的有益效果如下：

[0018] 本发明采用煤泥做原料，经过高温焙烧处理，使煤泥中的煤颗粒和粘土矿物得到预活化，增强煤颗粒和矿物颗粒表面的反应活性，使得煤泥中无机和有机的矿物颗粒充分解离，提高酸浸处理过程中溶解除硅元素以外的无机成分的效率。在酸浸处理后的洗涤产物中加入NaOH溶液，溶解酸浸煤泥残留物中的硅元素，形成可溶性的Na2SiO3，硅元素以可溶性的Na2SiO3的形式包围在微细煤颗粒表面。然后加入盐酸，控制溶液pH和反应温度，使硅酸钠在煤颗粒的表面生成原硅酸，并均匀包覆，然后洗涤得到煤泥基炭-硅酸复合物。接着，低温焙烧煤泥基炭-硅酸复合物，即得煤泥基炭-二氧化硅复合物。最后，对煤泥基炭-二氧化硅复合物进行机械力化学改性，改善复合物颗粒的分散均匀性和表面活性以及与聚合物的相容性，显著改善橡胶复合材料的物理机械性能，起到增容和增强的双重作用，显著提高煤泥的附加值。该制备工艺的原材料来源广泛，生产工艺条件要求低，环境污染性小，易于控制和批量化生产。

附图说明

[0019] 图1煤泥粉体中颗粒的SEM照片。

[0020] 图2煤泥基炭-二氧化硅复合物的SEM照片。

[0021] 图3煤泥基炭-二氧化硅复合补强剂粉体材料的SEM照片。

具体实施方式

[0022] 本发明以下将结合实施例作进一步详细的说明：

[0023] 实施例1

[0024] 1）将煤泥置于N2气氛围下在750℃的条件下进行焙烧处理，保温4h，得到预活化炭化煤泥；

[0025] 2）将粒度≤20μm的炭化煤泥加入到浓度为20%的盐酸溶液中，酸浸搅拌处理4h；其中炭化煤泥与盐酸溶液的质量比为1:1.75；之后用蒸馏水抽滤洗涤至中性，得到酸浸煤泥残留物；

[0026] 3）向酸浸煤泥残留物中加入浓度为10%的NaOH溶液，酸浸煤泥残留物和NaOH质量比为1:0.35；在80℃温度下搅拌反应3h；

[0027] 4）在50℃的温度下向步骤3）所得反应物中加入浓度为10%的盐酸溶液，调节pH值至5.0，搅拌反应6h时间后，用蒸馏水抽滤洗涤至中性，得到煤泥基炭-硅酸复合物；

[0028] 5）在300℃的温度下，低温焙烧煤泥基炭-硅酸复合物，即得煤泥基炭-二氧化硅复合物；

[0029] 6）取步骤5）得到的煤泥基炭-二氧化硅复合物和作为改性剂的巯基硅烷偶联剂一并加入球磨机中，进行球磨改性，得到改性后的煤泥基炭-二氧化硅复合补强剂产品，其中所述巯基硅烷偶联剂的加入量为煤泥基炭-二氧化硅复合物质量的6%。

[0030] 采用熔融共混的方法，按照国家标准检验配方，将改性后的煤泥基炭-二氧化硅复合补强剂与丁苯橡胶进行熔融共混，制得丁苯橡胶复合材料，其拉伸强度达到19.89MPa，100%定伸强度为1.48MPa，300%定伸强度为5.44MPa，邵氏硬度61，撕裂强度25.17KN/m，断裂伸长率673 %。

[0031] 实施例2

[0032] 首先，将煤泥在N2气氛围下在800℃的条件下进行焙烧处理，保温4h，得到预活化炭化煤泥；然后，将粒度≤20μm的炭化煤泥加入到浓度为15%的盐酸溶液中，酸浸搅拌处理5h；其中炭化煤泥与盐酸溶液的质量比为1:1.50；之后用蒸馏水抽滤洗涤至中性，得到酸浸煤泥残留物；接着，向酸浸煤泥残留物中加入浓度为15%的NaOH溶液，酸浸煤泥残留物和NaOH质量比为1:0.45；在80℃温度下搅拌反应3h；之后，在40℃的温度下向步骤3）所得反应物中加入浓度为10%的盐酸溶液，调节pH值至5.5，搅拌反应7h时间后，用蒸馏水抽滤洗涤至中性，得到煤泥基炭-硅酸复合物；再在350℃的温度下，低温焙烧煤泥基炭-硅酸复合物，得煤泥基炭-二氧化硅复合物；最后，取一定量的煤泥基炭-二氧化硅复合物和由巯基硅烷偶联剂与铝酸酯偶联剂组成的复合改性剂一并加入球磨机中，进行球磨改性，得到改性后的煤泥基炭-二氧化硅复合补强剂产品，其中所述复合改性剂的加入量为煤泥基炭-二氧化硅复合物质量的5%，巯基硅烷偶联剂与铝酸酯偶联剂的质量比为1:1。

[0033] 采用熔融共混的方法，按照国家标准检验配方，将改性后的煤泥基炭-二氧化硅复合补强剂与丁苯橡胶进行熔融共混，制得丁苯橡胶复合材料，其拉伸强度达到19.23MPa，100%定伸强度为1.23MPa，300%定伸强度为3.70MPa，邵氏硬度58，撕裂强度25.00KN/m，断裂伸长率767 %。

[0034] 实施例3

[0035] 首先，将煤泥在N2气氛围下在850℃的条件下进行焙烧处理，保温4h，得到预活化炭化煤泥；然后，将粒度≤20μm的炭化煤泥加入到浓度为20%的盐酸溶液中，酸浸搅拌处理4h；其中炭化煤泥与盐酸溶液的质量比为1:1.25；之后用蒸馏水抽滤洗涤至中性，得到酸浸煤泥残留物；接着，向酸浸煤泥残留物中加入浓度为15%的NaOH溶液，酸浸煤泥残留物和NaOH质量比为1:0.45；在90℃温度下搅拌反应4h；之后，在40℃的温度下向步骤3）所得反应物中加入浓度为10%的盐酸溶液，调节pH值至5.0，搅拌反应6h时间后，用蒸馏水抽滤洗涤至中性，得到煤泥基炭-硅酸复合物；再在300℃的温度下，低温焙烧煤泥基炭-硅酸复合物，得煤泥基炭-二氧化硅复合物；最后，取一定量的煤泥基炭-二氧化硅复合物和由钛酸酯偶联剂与铝酸酯偶联剂组成的复合改性剂一并加入球磨机中，进行球磨改性，得到改性后的煤泥基炭-二氧化硅复合补强剂产品，其中所述复合改性剂的加入量为煤泥基炭-二氧化硅复合物质量的7%，钛酸酯偶联剂与铝酸酯偶联剂的质量比为1:1。

[0036] 采用熔融共混的方法，按照国家标准检验配方，将改性后的煤泥基炭-二氧化硅复合补强剂与丁苯橡胶进行熔融共混，制得丁苯橡胶复合材料，其拉伸强度达到22.34MPa，100%定伸强度为1.47MPa，300%定伸强度为4.98MPa，邵氏硬度61，撕裂强度26.31KN/m，断裂伸长率664 %。