[发明专利]一种改性粉煤灰、其制备方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及橡胶制品填料加工技术领域，具体地涉及一种制备改性粉煤灰、其分级和表面处理方法及实现装置。

背景技术

粉煤灰是燃煤火力发电厂排出的固体废弃物，是由不同结构和形态的微粒组成的分散体系。粉煤灰的主要化学成分为硅、铝、铁氧化物，一定量的钙、镁、硫氧化物，痕量的铜、铬、铅等，以及未燃尽的炭粒。粉煤灰全国年排放总量已超过1亿吨，而其中得到利用的还不到50%，大量粉煤灰堆积于灰场，不仅占用土地资源，而且对水质和环境造成污染。未经处理的粉煤灰，只能用作建材原料，如水泥填料或砖块等，经济价值不高。所以，加强粉煤灰的综合开发利用，提高其经济效益和附加值，无论从环保、节能或资源再利用的角度看，都是十分必要的。

由于粉煤灰中含有大量性能稳定的二氧化硅、氧化铝、氧化铁等成分，无机亲水性的颗粒表面，与橡胶等疏水性有机基体的相容性差，易使颗粒与基体的结合面成为复合材料的薄弱环节；另外，粉煤灰的表面能较高，粒度细，容易产生团聚，很难在橡胶基体中均匀分散，使其应用范围受到限制，使用效果大打折扣。因此，必须改善其表面性状。粉煤灰经偶联剂表面改性后，疏水性增强，分散稳定性提高，在有机材料的填料等方面具有广泛用途。迄今为止，已开发了硅烷、铝酸酯、钛酸酯、锆酸酯等多种偶联剂，用于粉煤灰的表面化学改性。例如，中国专利CN 101240095A、1047272、102070794A、102010535A等公开了利用偶联剂对粉煤灰进行表面改性，所用的改性剂多以硅烷偶联剂为主，以助改性剂为辅，或者选用粉煤灰专用改性剂。改性效果最好的是某些有机硅烷，其次是铝、钛、钴等金属有机酸酯类偶联剂，对于使用两种以上金属有机酸酯类偶联剂，经过适当复配，协同效果可达到甚至超过有机硅烷。专利CN 101348578利用氢氟酸作为腐蚀剂对粉煤灰表面进行腐蚀处理，再经活化剂活化、纳米改性、偶联剂接枝疏水性等处理后，获得粉煤灰微珠橡塑填料。专利CN 1880385A对粉煤灰进行加热除水、筛选、研磨等处理后，用于橡塑填充剂。现有技术的缺陷在于改性剂直接在橡塑制品生产中添加，用量大，在颗粒表面分布不均匀，研磨过程能耗高、颗粒不呈球形且有锋利的刃口，氧化铁残留量大，以及生产工艺或加工设备密封不良引起细颗粒向大气中飘扬等，从而影响其填充的效果以及制品的外观和品质，如橡胶表面喷霜、力学强度下降等，并严重制约了改性粉煤灰的规模化生产和在橡塑工业中的推广使用。如专利CN 1156334C所公开的粉煤灰微、纳米级粒料分段提取的方法和设备，但仍没有解决粉煤灰颗粒表面改性的问题，仍然影响其在橡塑中直接添加使用的效果。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术以上缺陷，提供一种改性粉煤灰的制备方法，以粉煤灰为原料，通过风选分级和表面喷雾化学改性一体化工艺处理，制得改性粉煤灰。本发明方法制得的改性粉煤灰作为橡胶填料，可全部取代轻质碳酸钙、滑石粉、纳米钙或部分取代碳黑充填在橡胶制品中。

本发明提供了一种改性粉煤灰的制备方法，在密闭负压系统中，以粉煤灰为原料，在对所述粉煤灰颗粒进行风选分级处理的同时，对分选出的细颗粒和极细颗粒进行喷雾表面化学改性处理，经加热、干燥后得到目的产物改性粉煤灰。

本发明中，所述细颗粒的粒径为800目以上；所述超细颗粒的粒径为1000目以上；所述极细颗粒的粒径为3000目以上。

本发明中，所述风选分级是在密闭负压的分选设备中进行；所述分选设备包括第一级分选机、第二级分选机、第三级分选机。

本发明中，所述风选分级是通过切换旋气流并调节每级分选机的风力大小，在第一级分选机中分出粗颗粒，在第二级分选机中分出细颗粒，在第三级分选机中分出极细颗粒。

本发明中，所述喷雾表面化学改性处理是在第二级分选机和第三级分选机中进行，由设置在所述第二级分选机和第三级分选机中的至少一个喷头向所述细颗粒和极细颗粒的表面直接喷洒改性剂。

本发明中，进一步地，将经所述喷雾表面化学改性处理之后的所述细颗粒和极细颗粒导入捏合机中进行搅拌、捏合和加热处理，强化表面偶联。

本发明中，进一步地在所述捏合机顶部设置至少一个喷头。

本发明中，表面化学改性是指粉煤灰表面富含羟基基团，它们可以与偶联剂如单烷氧基脂肪酸型钛酸酯偶联剂[i-C₃H₇OTi(OCOR)₃] 中的亲无机相（短碳链烷基）发生化学键合作用，包附在粉煤灰颗粒表面，在无机填料和有机聚合物之间形成化学桥键，使偶联剂具有表面改性效果。其偶联机理如下所示：