一种处理矿渣废弃物的有机-无机复合材料及其制备方法

1.本发明涉及复合材料技术领域，尤其是涉及一种处理矿渣废弃物的有机-无机复合材料及其制备方法。


背景技术：

2.钢铁工业作为我国国民经济第一支柱产业，在高速发展的同时，其所产生的高炉矿渣也在不断累积，据统计，我国钢铁工业冶金矿渣年排放量约5亿吨，其中高炉矿渣占比高达50％。矿渣堆积量的逐年增加，不仅侵占了大量土地资源，堆积矿渣中的成分还会对周围土壤、水源的ph、元素含量造成影响，甚至使周围土壤、水源发生毒化，对农作物以及水产品的生长造成严重损害，另外，矿渣的低效处理还会造成明显或潜在的经济损失和资源浪费。
3.2016年，出台了《中华人民共和国环境保护税法》，提出了征收冶金渣、粉煤灰炉渣等25元/吨的环保税，2019年，发布了《关于推进大宗固体废弃物综合利用产业集聚发展的通知》，2020年，印发了《关于推进实施钢铁工业超低排放的意见》，对钢铁工业废弃物排放提出了新的标准。因此，废渣的无害化、资源化处理是技术改进的焦点，也是各国推进循环经济的中心内容之一，开展矿渣的综合利用具有重要的意义。
4.高炉矿渣的化学成分与硅酸盐水泥相似，主要包括cao、sio2、al2o3、mgo、mno、fe2o3等氧化物和少量硫化物如cas、mns等，其中cao、sio2和al2o3的含量占90％以上。由于炼铁原料以及操作工艺不同，矿渣的组成和性质也存在较大差异，根据高炉矿渣化学成分中的碱性氧化物含量可以将高炉矿渣分为碱性矿渣、中性矿渣和酸性矿渣。根据高炉矿渣中不同成分含量又可以将高炉矿渣分为普通渣、高钛渣和锰铁渣。
5.由于高炉矿渣在水淬过程中发生剧烈反应，部分未完全释放的能量化学键的形式被储存下来，而具有较高的化学活性。国外对其资源化利用已有100多年研究历史，日本、美国及欧洲部分国家在高炉矿渣利用研究起步较早，对高炉矿渣的综合利用率可达到100％，取得了较为瞩目的成果。相比之下，我国高炉矿渣综合利用率仅为80％左右，其中约56％被用作矿渣粉，23％用于制备水泥，3％用于慢冷渣碎石，且通常将高炉矿渣应用于一些低附加值行业，包括建筑、道路修筑、污水处理、微晶玻璃以及农业硅肥等。
6.有机-无机复合材料，是指有机材料与其他无机物质通过特定方式结合而成的具有一定特性的功能材料。与单一材料相比，有机-无机复合材料各组分间具有相对独立性，且保留各组分材料性能的优点，因此通过性能互补和关联可获得更好的综合性能，极大地弥补了单一材料的缺陷，具有力学、光学、热学、电磁等方面的特殊性能，在航空航天、能源交通、电力电子和现代建筑等诸多国防和国民经济支柱产业中发挥着不可或缺的作用。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种处理矿渣废弃物的有机-无机复合材料及其制备方法，以促进矿渣的无害化、资源化处理，充分利用矿渣中的化学成分，提高矿渣的利用价值，生
产出具有高附加值的产品。
8.为实现上述目的，本发明提供一种处理矿渣废弃物的有机-无机复合材料，包括冶金矿渣废弃物30～40份、碱改性木纤维15～20份、改性有机硅树脂30～40份、硅烷偶联剂2～5份、包覆二氧化硅和二氧化铈的纳米二氧化钛5～10份。
9.优选的，包括冶金矿渣废弃物30份、碱改性木纤维15份、改性有机硅树脂30份、硅烷偶联剂2份、包覆二氧化硅和二氧化铈的纳米二氧化钛5份。
10.优选的，包括冶金矿渣废弃物40份、碱改性木纤维20份、改性有机硅树脂40份、硅烷偶联剂5份、包覆二氧化硅和二氧化铈的纳米二氧化钛10份。
11.优选的，包括冶金矿渣废弃物35份、碱改性木纤维17份、改性有机硅树脂35份、硅烷偶联剂4份、包覆二氧化硅和二氧化铈的纳米二氧化钛8份。
12.优选的，所述改性有机硅树脂为环氧树脂改性有机硅树脂；所述硅烷偶联剂为kh550、kh560、kh570、kh792中的一种；二氧化钛为金红石型二氧化钛。
13.一种如上所述的处理矿渣废弃物的有机-无机复合材料的制备方法，包括如下步骤：
14.s1、将矿渣粉碎至粒径小于100nm；
15.s2、将木纤维切成25～35mm后浸泡在5％naoh溶液中10～13h，获得碱改性木纤维；
16.s3、利用常规方法获得环氧树脂改性的有机硅树脂，环氧树脂与有机硅树脂的重量比为1:2；
17.s4、将纳米二氧化钛采用常规方法包覆二氧化硅和二氧化铈，na2sio3和ce(so4)2的包覆比例均为0.03；
18.s5、将步骤s2获得的碱改性树脂与熔融的步骤s3制得的改性有机硅树脂混合，以200～400rpm/min的速度搅拌20min；
19.s6、向步骤s5的混合物中加入步骤s1获得的矿渣粉，以200～400rpm/min的速度搅拌30min，在搅拌过程中匀速加入步骤s4获得的包覆二氧化硅和二氧化铈的纳米二氧化钛和硅烷偶联剂。
20.通过对有机硅树脂进行环氧改性，可以实现以己之长补彼之短的效果，使本发明的防滑涂层同时获得环氧树脂的极强的附着力、良好的力学性能、不易粉化的优点，以及有机硅树脂的优良的耐热、耐候性的优势。
21.有机硅树脂，又称聚硅氧烷，是一种以si-o-si为主链，硅原子上连有有机基团的具有高度交联特性、分子量在2000～4000之间的聚合物；分子链上有机基团与无机原子结构的分布，使其具有优良的耐热、耐候、耐水性。
22.金红石型二氧化钛的物理性质稳定，能较好地吸收紫外光，且光波吸收范围相对更广，将纳米金红石型二氧化钛加入涂料中，可明显增强涂料的硬度、强度、抗冲击性能，改善涂料的耐高低温和耐候性。通过对金红石型二氧化钛进行二氧化硅和二氧化铈包覆可以显著提升其对紫外光的屏蔽性能，抑制其光催化活性，有效改善其分散性。
23.因此，本发明提供的一种处理矿渣废弃物的有机-无机复合材料及其制备方法，具有以下技术效果：
24.1.本发明同时添加含有大量金属氧化物及非金属氧化物的矿渣、木纤维作为增强材料，可以使有机-无机复合材料具有优异的力学性能；
25.2.本发明中同时通过将木纤维改性，改变了木纤维表面的结构组成，从而可以改善木纤维与树脂基体间的界面结合强度，从而提高复合材料的力学性能；
26.3.本发明中加入的偶联剂可以通过偶联作用增加复合材料中的矿渣、二氧化钛无机材料和树脂基、木纤维有机材料的结合稳定性，提高复合材料的均一性；
27.4.本发明中通过对有机硅树脂进行环氧树脂改性，以及添加包覆二氧化硅和二氧化铈的纳米二氧化钛，在增加有机材料对无机材料的结合力的同时，还可以使复合材料获得优良的耐热、耐候性能；
28.5.本发明提供的复合材料制备工艺简单，对工作人员技术水平要求低，既解决了矿渣对环境的污染问题，又可以有效的降低聚合物的生产成本。
29.下面通过实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
具体实施方式
30.以下通过实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
31.以下实施例中所用的木质素购自泰安华维中科精细材料有限公司；环氧树脂为凤凰牌环氧树脂0164；有机硅树脂品牌为道康宁0805；四水硫酸铈购自国药集团化学试剂有限公司，产品级别为ar；硅酸钠、氢氧化钠、丙酮、六偏磷酸钠购自云南景锐科技有限公司。
32.实施例一
33.制备碱改性木纤维，包括以下步骤：
34.(1)将购买的木质素中未处理完全的木质、可见的杂质去掉，并将其中纤维长度大于30mm的剪成长度约5mm的段；
35.(2)用蒸馏水配制浓度为5％的氢氧化钠溶液，将步骤(1)处理好的木质素加入氢氧化钠溶液中，搅拌，使木质素全部浸泡在溶液中；
36.(3)常温浸泡10h，期间搅拌数次，直至木质素浸在溶液中不在浮于表面；
37.(4)将步骤(3)处理好的木质素置于烘箱中，于80℃条件下烘干。
38.实施例二
39.制备碱改性木纤维，步骤与实施例一完全相同，只是木纤维的长度为30mm，在氢氧化钠溶液中的浸泡时间为12h。
40.实施例三
41.制备碱改性木纤维，步骤与实施例一完全相同，只是木纤维的长度为35mm，在氢氧化钠溶液中的浸泡时间为13h。
42.实施例四
43.制备300g环氧树脂改性的有机硅树脂，步骤如下：
44.a、将100g环氧树脂用丙酮溶解，然后加入200g液态有机硅树脂，搅拌，使各组分充分混合；
45.b、加入二月桂酸二丁基锡，在水浴条件下反应2h，水浴温度为98℃。在反应过程中在反应容器顶部用冷水降温以防止丙酮挥发，使丙酮能够循环使用；
46.c、将步骤b获得的改性树脂液放入75℃烘箱内烘干12h，去除丙酮后即得到环氧改性有机硅树脂液。
47.实施例五
48.制备100g二氧化硅和二氧化铈包覆的金红石型二氧化钛，步骤如下：
49.a、准确称取100g粒径为30nm的金红石型二氧化钛溶于250ml蒸馏水中，然后加入1g六偏磷酸钠，超声10min；
50.b、将步骤(1)得到的悬浮液加热至60℃后，用0.1mol/l的naoh溶液调ph为9；
51.c、用恒流泵向步骤(2)得到的悬浮液中加入0.1mol/l的na2sio3溶液166ml和0.1mol/l的h2so4溶液，调节进料速率，使反应液保持ph为9不变；
52.d、用恒流泵加入0.1mol/l的ce(so4)2溶液和0.1mol/l的naoh溶液，调节进料速率，使反应液ph保持不变，进料时间为1h；
53.e、在温度为60℃，转速为300rpm的条件下陈化2h即可。
54.实施例六
55.制备处理矿渣废弃物的有机-无机复合材料，步骤如下：
56.s1、将矿渣粉碎至粒径小于100nm；
57.s2、将15份实施例一制备的碱改性木纤维、30份实施例四制备的环氧树脂改性的有机硅树脂混合，以200rpm/min的速度搅拌20min；
58.s3、取30份步骤s1制备的矿渣粉加入步骤s2的混合物中，以200rpm/min的速度搅拌30min，在搅拌过程中匀速加入5份实施例五制备的包覆二氧化硅和二氧化铈的纳米二氧化钛和2份kh560。
59.实施例七
60.制备处理矿渣废弃物的有机-无机复合材料，步骤与实施例六完全相同，只是步骤s2中的搅拌速度为300rpm/min，各材料的份数分别为：冶金矿渣废弃物40份、碱改性木纤维20份、改性有机硅树脂40份、kh5705份、包覆二氧化硅和二氧化铈的纳米二氧化钛10份。
61.实施例八
62.制备处理矿渣废弃物的有机-无机复合材料，步骤与实施例六完全相同，只是步骤s2中的搅拌速度为300rpm/min，步骤s3中的搅拌速度为400rpm/min，各材料的份数分别为：冶金矿渣废弃物35份、碱改性木纤维17份、改性有机硅树脂35份、kh5504份、包覆二氧化硅和二氧化铈的纳米二氧化钛8份。
63.实施例九
64.制备处理矿渣废弃物的有机-无机复合材料，步骤与实施例六完全相同，只是步骤s2中的搅拌速度为300rpm/min，步骤s3中的搅拌速度为300rpm/min，各材料的份数分别为：冶金矿渣废弃物36份、碱改性木纤维18份、改性有机硅树脂37份、kh5603份、包覆二氧化硅和二氧化铈的纳米二氧化钛7份。
65.因此，本发明提供的一种处理矿渣废弃物的有机-无机复合材料具有优异的力学性能、耐候性能，材料均一稳定，使用寿命长，可以用于加工制作大型风机叶片等高附加值的产品，制备方法简单，对工作人员技术水平要求低，既解决了矿渣对环境的污染问题，又可以有效的降低聚合物的生产成本。
66.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种处理矿渣废弃物的有机-无机复合材料，其特征在于：包括冶金矿渣废弃物30～40份、碱改性木纤维15～20份、改性有机硅树脂30～40份、硅烷偶联剂2～5份、包覆二氧化硅和二氧化铈的纳米二氧化钛5～10份。2.根据权利要求1所述的一种处理矿渣废弃物的有机-无机复合材料，其特征在于：包括冶金矿渣废弃物30份、碱改性木纤维15份、改性有机硅树脂30份、硅烷偶联剂2份、包覆二氧化硅和二氧化铈的纳米二氧化钛5份。3.根据权利要求1所述的一种处理矿渣废弃物的有机-无机复合材料，其特征在于：包括冶金矿渣废弃物40份、碱改性木纤维20份、改性有机硅树脂40份、硅烷偶联剂5份、包覆二氧化硅和二氧化铈的纳米二氧化钛10份。4.根据权利要求1所述的一种处理矿渣废弃物的有机-无机复合材料，其特征在于：包括冶金矿渣废弃物35份、碱改性木纤维17份、改性有机硅树脂35份、硅烷偶联剂4份、包覆二氧化硅和二氧化铈的纳米二氧化钛8份。5.根据权利要求1所述的一种处理矿渣废弃物的有机-无机复合材料，其特征在于：所述改性有机硅树脂为环氧树脂改性有机硅树脂；所述硅烷偶联剂为kh550、kh560、kh570、kh792中的一种；二氧化钛为金红石型二氧化钛。6.一种如权利要求1-5任一项所述的处理矿渣废弃物的有机-无机复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：s1、将矿渣粉碎至粒径小于100nm；s2、将木纤维切成25～35mm后浸泡在5％naoh溶液中10～13h，获得碱改性木纤维；s3、利用常规方法获得环氧树脂改性的有机硅树脂，环氧树脂与有机硅树脂的重量比为1:2；s4、将纳米二氧化钛采用常规方法包覆二氧化硅和二氧化铈，na2sio3和ce(so4)2的包覆比例均为0.03；s5、将步骤s2获得的碱改性树脂与熔融的步骤s3制得的改性有机硅树脂混合，以200～400rpm/min的速度搅拌20min；s6、向步骤s5的混合物中加入步骤s1获得的矿渣粉，以200～400rpm/min的速度搅拌30min，在搅拌过程中匀速加入步骤s4获得的包覆二氧化硅和二氧化铈的纳米二氧化钛和硅烷偶联剂。

技术总结
本发明公开了一种处理矿渣废弃物的有机-无机复合材料及其制备方法，所述有机-无机复合材料包括冶金矿渣废弃物30～40份、碱改性木纤维15～20份、改性有机硅树脂30～40份、硅烷偶联剂2～5份、包覆二氧化硅和二氧化铈的纳米二氧化钛5～10份。本发明提供的一种处理矿渣废弃物的有机-无机复合材料，具有优异的力学性能、耐候性能，材料均一稳定，使用寿命长，制备方法简单，对工作人员技术水平要求低，既解决了矿渣对环境的污染问题，又可以有效的降低聚合物的生产成本。聚合物的生产成本。


技术研发人员：康昆勇 邓书端 朱刚 董春雷 夏炎
受保护的技术使用者：西南林业大学
技术研发日：2023.03.24
技术公布日：2023/7/12