本發(fā)明屬于塑料制備領(lǐng)域，尤其涉及一種利用改性煤矸石制備聚丙烯塑料的方法。
背景技術(shù)：
隨著塑料工業(yè)的蓬勃發(fā)展，填料的價(jià)格也日益上漲。煤矸石是煤礦企業(yè)排出的固體廢棄物，同時(shí)也是一種寶貴的資源，對(duì)其的資源化利用主要集中在煤炭工業(yè)、建筑材料和化工原料領(lǐng)域，利用層次較低，經(jīng)濟(jì)效益也很低。聚丙烯是應(yīng)用較為廣泛的塑料之一，通過添加填料，可使聚丙烯的剛性、尺寸穩(wěn)定性等得到提高，還可降低產(chǎn)品成本，目前已成為常用的聚丙烯改性手段。目前用于聚丙烯改性的填充材料主要有碳酸鈣、二氧化硅、氫氧化鋁、石墨、木粉、淀粉等無機(jī)和有機(jī)物。
煤矸石主要含有Si02：、Al2O3，和類炭黑物質(zhì)，以及其他金屬元素如鐵、鈣、鉀等的氧化物，與聚丙烯填料的組成相接近，且表面常帶有硅羥基(Si-OH)、鋁羥基(Al-0H)等可反應(yīng)性基團(tuán)，有利于對(duì)其進(jìn)行化學(xué)改性，因此可將其利用制備聚丙烯填料。不過煤矸石含少量鐵等金屬元素，影響產(chǎn)品白度，進(jìn)而限制了產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明旨在解決上述問題，提供一種利用改性煤矸石制備聚丙烯塑料的方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案為：
一種利用改性煤矸石制備聚丙烯塑料的方法，其特征在于包括如下步驟：
（1）將煤矸石磨粉于345-350℃加熱2h后，加入HCl，攪拌2.5h，過濾，將濾餅于800-850℃下焙燒1.5h；
（2）加入0.5％的硅烷偶聯(lián)劑KH-550醇溶液，在高速攪拌機(jī)中均勻，攪拌30min，120℃烘干2h；
（3）用雙螺桿擠出機(jī)將聚丙烯100g和煤矸石20 g填料混煉造粒，粒料經(jīng)烘干后再用注塑機(jī)在150-170℃成型，完成制備。
本發(fā)明所述的利用改性煤矸石制備聚丙烯塑料的方法，所述HCl的固液比為1：1.1，濃度為20％。
本發(fā)明所述的利用改性煤矸石制備聚丙烯塑料的方法，所述KH-550醇溶液的各組分比例KH-550：醇：水為20：72：8。
本發(fā)明所述的利用改性煤矸石制備聚丙烯塑料的方法，所述煤矸石粉磨為74μm。
本發(fā)明所述的利用改性煤矸石制備聚丙烯塑料的方法，所述雙螺桿擠出機(jī)工作于190℃，螺桿轉(zhuǎn)速為90r/min。
本發(fā)明的技術(shù)效果在于：
本發(fā)明所述的利用改性煤矸石制備聚丙烯塑料的方法，通過對(duì)煤矸石利用酸浸法法除雜改性，并將之應(yīng)用與聚丙烯填料中，一方面對(duì)之進(jìn)行資源化利用，減少了環(huán)境污染，另一方面，替代傳統(tǒng)無機(jī)填料，降低了聚丙烯塑料成本。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
一種利用改性煤矸石制備聚丙烯塑料的方法，其特征在于包括如下步驟：
（1）將煤矸石磨粉于345℃加熱2h后，加入HCl，攪拌2.5h，過濾，將濾餅于800℃下焙燒1.5h；
（2）加入0.5％的硅烷偶聯(lián)劑KH-550醇溶液，在高速攪拌機(jī)中均勻，攪拌30min，120℃烘干2h；
（3）用雙螺桿擠出機(jī)將聚丙烯100g和煤矸石20 g填料混煉造粒，粒料經(jīng)烘干后再用注塑機(jī)在150℃成型，完成制備。
本發(fā)明所述的利用改性煤矸石制備聚丙烯塑料的方法，所述HCl的固液比為1：1.1，濃度為20％。
本發(fā)明所述的利用改性煤矸石制備聚丙烯塑料的方法，所述KH-550醇溶液的各組分比例KH-550：醇：水為20：72：8。
本發(fā)明所述的利用改性煤矸石制備聚丙烯塑料的方法，所述煤矸石粉磨為74μm。
本發(fā)明所述的利用改性煤矸石制備聚丙烯塑料的方法，所述雙螺桿擠出機(jī)工作于190℃，螺桿轉(zhuǎn)速為90r/min。通過對(duì)煤矸石的成分進(jìn)行分析，可以知道煤矸石主要由SiO2，Al2O3等構(gòu)成，此外還含有少量FeO、C等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)為黃褐色，影響了填料的白度，也使聚丙烯塑料的應(yīng)用受到一定限制，所以應(yīng)予以除去，考慮到煤矸石中的Fe可以通過酸溶的方法進(jìn)行去除，而碳則可以通過煅燒的方法除去，而將碳去除掉后，煤矸石表面積增大，有利于Fe的去除，因此宜先脫碳，后除鐵，不過煤矸石中的Fe、C等雜質(zhì)分散于整個(gè)煤矸石體系中，因此在脫碳前，需要將煤矸石粉磨，以便C的去除。
隨著研磨粒度的減小，填料的白度也不斷提高，當(dāng)粒度達(dá)到到74μm時(shí)，填料白度可以達(dá)到62％，考慮到后續(xù)對(duì)填料進(jìn)行除鐵處理后，還要進(jìn)一步高溫煅燒，白度可以繼續(xù)提高，該步處理已滿足基本除碳要求，研磨過細(xì)磨機(jī)消耗能量過多，且工作負(fù)荷過大，因此確定適宜的研磨粒度為74μm；而碳的脫除率與煅燒溫度有很大關(guān)系，當(dāng)溫度低于200℃時(shí)，脫除效果很差，當(dāng)溫度高于200℃后，隨著煅燒溫度的提高，碳的脫除效果也越益明顯，不過當(dāng)溫度高于350℃后，白度增加不明顯，考慮到填料白度的提高不僅與碳有關(guān)，還與Fe有直接關(guān)系，而且大部分碳已經(jīng)脫除掉，為Fe的脫除創(chuàng)造了有利的表面積，即使有少量碳未脫除完全，也可以在后續(xù)工藝中進(jìn)一步高溫脫除，繼續(xù)升溫能量消耗較大，因此確定適宜的脫碳溫度為350℃。經(jīng)過350℃處理后的煤矸石，采用HCl溶液浸漬除去Fe效果較好，而Al則溶解較少，這是由于在350℃處理下，鹽酸對(duì)高嶺石的晶形結(jié)構(gòu)破壞很小，而Fe則轉(zhuǎn)變?yōu)镕e2O3在強(qiáng)酸下溶解率較高，因此可以利用此方法較容易的實(shí)現(xiàn)Fe、Al的分離。
HCl濃度對(duì)Fe的脫除有一定影響，濃度太高，溶液黏度變大，不利于Fe離子的擴(kuò)散，也自然不利于去除；而濃度太低，則會(huì)造成反應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)，更嚴(yán)重的是會(huì)引起Al溶出率的增加；而三氧化二鋁亦是常用的塑料填料，且二氧化硅與三氧化二鋁，也可在Na存在條件下發(fā)生反應(yīng)，因此不宜將之脫除。當(dāng)HCl濃度為20％時(shí)，F(xiàn)e的脫除率較高，Al的去除率較少；因此確定適宜的HCl濃度為20％。隨著Hcl溶液用量的增加，F(xiàn)e的脫除率不斷提高，不過Al也隨之被脫除。當(dāng)固液固比達(dá)到1：1.1時(shí)，F(xiàn)e的脫除率達(dá)到94.3％，而Al的脫除率為1.4％，繼續(xù)增加HCl用量，對(duì)Fe的脫除效果不明顯；而Al卻隨著HCl用量的增加而不斷被去除，對(duì)制備聚丙烯填料不利，因此確定適宜的固液比為1：1.1。
在800℃煅燒條件下，Nacl的加入可以顯著提高填料的白度，當(dāng)加入量達(dá)到煤矸石質(zhì)量的5％時(shí)，白度可以達(dá)到91％，已經(jīng)符合聚丙烯填料的要求，繼續(xù)增加Nacl用量無意義，因此考慮適宜的NaCl用量為煤矸石質(zhì)量的5％；煤矸石中的炭以有機(jī)物、元素碳、石墨3種形式出現(xiàn)，各自對(duì)應(yīng)的氧化燃點(diǎn)分別為460～490℃，620～700℃以及800～840℃，而當(dāng)溫度高于970℃后，填料又會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)化，生成新的物相，考慮到生產(chǎn)過程中工藝控制等方面的要求，煅燒溫度應(yīng)在500～950℃之間，而在Nacl用量為5％的條件下，隨著煅燒溫度的升高，填料的白度也不斷提高，不過研究中，當(dāng)煅燒溫度達(dá)到750℃后，填料的白度已經(jīng)達(dá)到83％，分析認(rèn)為可能本研究中煤矸石基本不含石墨碳，也有可能是在前期脫碳過程中部分難去除碳發(fā)生一定程度轉(zhuǎn)化而造成的，溫度達(dá)到800℃時(shí)，煤矸石白度達(dá)到87％，由于此煅燒溫度下，煤矸石填料已符合聚丙烯填料要求，且繼續(xù)升溫白度基本不變，因此確定適宜的煅燒溫度為800℃。
實(shí)施例2
一種利用改性煤矸石制備聚丙烯塑料的方法，其特征在于包括如下步驟：
（1）將煤矸石磨粉于350℃加熱2h后，加入HCl，攪拌2.5h，過濾，將濾餅于850℃下焙燒1.5h；
（2）加入0.5％的硅烷偶聯(lián)劑KH-550醇溶液，在高速攪拌機(jī)中均勻，攪拌30min，120℃烘干2h；
（3）用雙螺桿擠出機(jī)將聚丙烯100g和煤矸石20 g填料混煉造粒，粒料經(jīng)烘干后再用注塑機(jī)在170℃成型，完成制備。
本發(fā)明所述的利用改性煤矸石制備聚丙烯塑料的方法，所述HCl的固液比為1：1.1，濃度為20％。
本發(fā)明所述的利用改性煤矸石制備聚丙烯塑料的方法，所述KH-550醇溶液的各組分比例KH-550：醇：水為20：72：8。
本發(fā)明所述的利用改性煤矸石制備聚丙烯塑料的方法，所述煤矸石粉磨為74μm。
本發(fā)明所述的利用改性煤矸石制備聚丙烯塑料的方法，所述雙螺桿擠出機(jī)工作于190℃，螺桿轉(zhuǎn)速為90r/min。填料煅燒后，由于比表面積大，孔隙率高，與聚丙烯塑料混合后，吸油率高，對(duì)降低塑料成本不利，而且填料顯極性，聚丙烯顯非極性，填充體系界面難以形成良好的結(jié)合和牢固的粘結(jié)，相容性差。KH-550的加入可以顯著改變聚丙烯塑料的力學(xué)性能，當(dāng)加入量達(dá)到0.5％時(shí)，拉伸強(qiáng)度達(dá)到35.4 MPa，缺口沖擊強(qiáng)度達(dá)到11.7J/m，符合工程塑料的基本要求，繼續(xù)增加KH-550的加入量，可能由于其促進(jìn)了煤矸石粉體之間以及聚丙烯本體之間的相互作用，缺口沖擊強(qiáng)度下降很快，因此確定適宜的KH-550加入量為0.5％。
加入煤矸石填料后，聚丙烯的拉伸強(qiáng)度和缺口沖擊強(qiáng)度都發(fā)生變化，當(dāng)加入量較少時(shí)，拉伸強(qiáng)度和缺口沖擊強(qiáng)度都隨著煤矸石添加量的增加而增加，當(dāng)加入量達(dá)到20％時(shí)，二者都達(dá)到最大值，繼續(xù)增加加入量，二者都迅速下降，這可能是由于無機(jī)粒子剛性大，并且在粉磨過程中有部分小粒子，當(dāng)加入量較少時(shí)，對(duì)提高聚丙烯的拉伸強(qiáng)度以及防止銀紋發(fā)展有一定益處，而加入量過多，無機(jī)粒子發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，無法與聚丙烯本體有效分散，因此其拉伸強(qiáng)度和缺口沖擊強(qiáng)度都迅速下降，故確定適宜的煤矸石加入量為20％。