電氣石的濕法研磨改性研究

電氣石的濕法研磨改性研究

長期以來，電氣石以其遠(yuǎn)紅外線、負(fù)離子和弱電流的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)、健康、電子、制藥、化工、木工、建筑材料等領(lǐng)域。電氣石具有特殊的熱電性和壓電性,在受熱、受壓或者受到其它能量激發(fā)時(shí)都會(huì)產(chǎn)生電荷,釋放出大量的負(fù)離子,并能發(fā)射對人體有益的遠(yuǎn)紅外線,具有特別的電磁波防護(hù)功能。因此,電氣石能廣泛應(yīng)用在環(huán)保、電子、日化、紡織、陶瓷、建材等行業(yè)。將電氣石應(yīng)用于地面水泥混凝土中可以提高地面的耐磨擦性,凈化室內(nèi)外空氣環(huán)境,并且具有防霉抗菌的功能,因此將電氣石應(yīng)用于水泥混凝土中可提高水泥基地面材料的環(huán)保性能。為了增加電氣石粉末與其它各種材料的相容性,增加與水泥混凝土的親和性,需對電氣石粉末的表面進(jìn)行改性。本文針對電氣石在水泥混凝土中的這些特殊用途,選用親水性的聚羧酸鹽作為表面改性劑,將電氣石粉末與水以及助磨改性劑等助劑混合調(diào)漿后球磨,進(jìn)行單因素(研磨時(shí)間、助磨改性劑種類及用量、料漿濃度、球料比等)研磨條件試驗(yàn),用D90粒度(1μm)分布作為研磨測試的評價(jià)指標(biāo),確定各影響因素的最佳值,找出最佳的研磨工藝條件。1實(shí)驗(yàn)1.1主要原材料電氣石粉:1000目,市售;各種聚羧酸鹽改性劑(分子量A<B<C):固含量40%~43%,上海三瑞化學(xué)有限公司提供。1.2研磨和改性實(shí)驗(yàn)取一定量的電氣石粉末,按照一定的配方加入分散介質(zhì)去離子水和改性劑聚羧酸鹽,用瑪瑙罐和瑪瑙珠(平均直徑1.3研磨法分離電氣石漿料的粒徑分布與形貌漿料分散穩(wěn)定性的測試:將相同濃度的電氣石漿料置于帶刻度的試管中,放置一段時(shí)間后,用其沉降的高度來表明分散穩(wěn)定性的高低。電氣石漿料D50和D90粒度分布測試:取少量的研磨的電氣石漿料少許,加水后超聲分散3min,用LS-POP(VI)型激光粒度分析儀(珠海歐美克科技有限公司)進(jìn)行粒徑分布測試。電氣石漿料的粒徑大小與形貌:取少量的研磨的電氣石漿料少許,加水后超聲分散3min,用JEM-1200EXⅡ型透射電子顯微鏡(日本JEOL公司)觀察電氣石粉末的粒徑大小與形貌。紅外光譜(FTIR)測試:將未研磨改性的電氣石粉末與研磨改性后的電氣石漿料離心分離,然后用去離子水洗滌再次離心分離,如此重復(fù)三次,然后將沉淀物在烘箱中于80℃干燥,研磨后經(jīng)KBr晶體壓片,用Magna-IR550型紅外掃描儀(美國Nicolet公司)測試粒子的表面改性狀況。1.4電氣石粉末離心分離量的測定將400g左右的電氣石粉末置于0.1m2結(jié)果與討論2.1研磨時(shí)間對粒徑的影響研磨介質(zhì)選擇:研磨介質(zhì)的密度及硬度對物料研磨效果起著重要作用。一般情況下,介質(zhì)密度及硬度越大,對物料的沖擊力也越大,研磨效果也越好。但由于電氣石硬度較大而較難研磨,在長時(shí)間的研磨過程中,研磨介質(zhì)損耗很大,考慮到設(shè)備的具體實(shí)際情況,本實(shí)驗(yàn)選用瑪瑙珠作為研磨介質(zhì),其平均直徑實(shí)驗(yàn)條件為珠料比4∶1,漿料濃度50%,以水為分散介質(zhì),在沒有加改性劑的情況下,粒徑隨研磨時(shí)間的試驗(yàn)結(jié)果見圖1?？梢钥闯?粒徑隨著研磨時(shí)間的增加而逐漸減小。在開始研磨的1~2h內(nèi),粒徑的減小趨勢最大,隨著研磨時(shí)間的增加,粒徑雖有所下降,但變化趨勢較小。這是由于粉體粒徑越小,其表面能越高,粉體之間團(tuán)聚以降低表面能的趨勢越大。雖然研磨有助于粉末粒徑的減小,但被磨細(xì)的粉末粒子又趨向于團(tuán)聚,因此粉體粒度的變化,取決于這兩種作用綜合的效果。當(dāng)研磨時(shí)間達(dá)到6h左右,粉體被研磨粉碎的速度與粉體間團(tuán)聚的速度基本相同,電氣石粉末的粒度基本不再隨研磨時(shí)間的變化而變化,此時(shí)的D90粒徑基本上在1μm左右。因此在實(shí)驗(yàn)中選擇最佳的研磨時(shí)間為6h。2.2改性劑用量的影響固定研磨的時(shí)間為6h,然后選用不同的改性劑來研究改性劑種類對電氣石粉末粒徑的影響。具體的實(shí)驗(yàn)條件為珠料比4∶1,漿料濃度50%,以水為分散介質(zhì),改性劑用量為粉料用量的3%(質(zhì)量比),改性劑種類與粒徑的試驗(yàn)結(jié)果見表1。從表1可以看出,在相同的研磨時(shí)間條件下,不同改性劑的加入得到的粒徑分布不盡相同。改性劑A和改性劑B的加入與沒有加改性劑時(shí)的粒徑分布相差不大,而改性劑C的加入?yún)s使電氣石粉料的D90粒徑小于1μm,而且分散穩(wěn)定性較好?？赡艿脑蚴请姎馐癁闃O性晶體,表面靜電場強(qiáng)度大,聚羧酸鹽為典型的聚電解質(zhì)改性劑,它吸附在電氣石粉體顆粒的表面,在起到空間位阻效應(yīng)的同時(shí),也增加了顆粒表面同種電荷的荷電量,起到靜電穩(wěn)定作用。但是高分子分散劑在具有分散效果的同時(shí),也可能產(chǎn)生相反的絮凝作用,這些因素與所用高分子分散劑的分子量和加入量有關(guān)。因此在三種聚羧酸改性分散劑中,由于它們的分子量不同,聚合物中羧酸的含量也各不相同,研磨改性的電氣石漿料的粘度也不一致,因而導(dǎo)致研磨改性結(jié)果不同。本實(shí)驗(yàn)根據(jù)表1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果,選用改性劑C作為本研究的研磨用改性助劑。2.3研磨改性對電氣石粉末d29的影響選用改性劑C為研磨改性劑,研磨時(shí)間為6h,然后改變改性劑的用量來研究其對電氣石粉末粒徑的影響。實(shí)驗(yàn)條件為珠料比4∶1,漿料濃度50%,以水為分散介質(zhì),改性劑含量(與粉料的質(zhì)量百分比)與D90粒徑的試驗(yàn)結(jié)果見圖2。從圖2可以看出,隨著改性劑C含量的增加,研磨6h后,粒徑呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢,達(dá)到一定濃度后,D90粒徑分布變化不再明顯。這可能是由于當(dāng)改性劑的添加量小于2%時(shí),電氣石的顆粒表面沒有完全被改性劑C包覆,因此顆粒之間仍然相互團(tuán)聚。當(dāng)改性劑C的添加量在2%左右時(shí),在電氣石顆粒表面形成了單分子覆蓋層,此時(shí)粒子之間的團(tuán)聚較少,表現(xiàn)為圖中的D90粒徑最小。之后隨著改性劑含量的增加,改性劑之間的親油基團(tuán)可能相互吸附,引起粒子之間的團(tuán)聚,表現(xiàn)為圖中的粒徑又開始增加。出現(xiàn)以上現(xiàn)象也可用表面活性劑的臨界膠束濃度來解釋:在研磨改性中,當(dāng)改性劑的濃度達(dá)到或超過臨界濃度后,改性劑分子就會(huì)聚集起來而形成膠束,對電氣石粉末的表面包覆作用減弱,從而失去了表面活性,起不到分散的作用,致使研磨效率和效果下降。所以試驗(yàn)中當(dāng)改性劑的用量大于2%左右時(shí),電氣石粉末的D90粒徑反而增大的原因。因此根據(jù)圖中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),選擇改性劑C的添加量為2%。2.4漿料濃度對d29粒徑的影響選用改性劑C的添加量為2%,研磨時(shí)間為6h,固定分散介質(zhì)水和研磨介質(zhì)瑪瑙珠的質(zhì)量不變,改變電氣石粉末的濃度來研究研磨過程中電氣石漿料濃度對電氣石粉末D90粒徑影響情況,其實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。從圖3可以看出,隨著漿料濃度的增加,研磨后的漿料的D90粒徑也逐漸增加,表現(xiàn)為圖3中漿料濃度從50%增加到70%時(shí),D90粒徑從0.99μm增加到2.32μm。這是由于漿料濃度的增加使電氣石之間的相互接觸機(jī)會(huì)增加,而與瑪瑙球的碰撞機(jī)會(huì)減少,在相同的研磨時(shí)間內(nèi)研磨介質(zhì)對漿料粉末的沖擊剪切摩擦?xí)r間減少,因此D90粒徑下降較慢,使得濃度增加時(shí),漿料的D90粒徑增大。但漿料濃度從50%降低至45%時(shí),粒徑不降反而有所增加。這可能是當(dāng)濃度降低至一定數(shù)值時(shí),雖然電氣石粉末與研磨介質(zhì)碰撞的機(jī)會(huì)增加,但電氣石粉末可能殘留在瑪瑙珠形成的間隙中,使瑪瑙珠對電氣石粉末的研磨效率降低,因此D90粒徑降低較慢使D90粒徑稍微偏大。根據(jù)圖中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明研磨漿料的最佳濃度在50%左右。2.5珠料比對電氣石粉末粒徑的影響固定改性劑C的添加量為2%,研磨時(shí)間為6h,電氣石粉末的漿料濃度為50%,改變研磨介質(zhì)瑪瑙珠與電氣石粉末的配比(珠料比),來研究不同的珠料比對電氣石粉末粒徑的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4。從圖4可以看出,隨著珠料比從10∶1降低至5∶1時(shí),電氣石粉末的粒徑逐漸增加;但是當(dāng)珠料比降低至4∶1時(shí),粒徑反而降低;當(dāng)珠料比低于4∶1時(shí),粒徑又逐漸升高。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的可能原因是在電氣石漿料在研磨過程中,若研磨介質(zhì)加入過多,則磨機(jī)內(nèi)的物料相應(yīng)減少,研磨介質(zhì)自身碰撞的機(jī)會(huì)大增,引起研磨效率的下降,在研磨相同的時(shí)間后粒徑仍然較大。同時(shí)由于研磨介質(zhì)之間劇烈的相互碰撞,引起研磨介質(zhì)的損耗急劇增加,從而導(dǎo)致單元經(jīng)濟(jì)成本升高。當(dāng)珠料比在4∶1左右時(shí),D90粒徑在1μm左右,此時(shí)的研磨效率最高,因此最佳的珠料比在4∶1左右。2.6粒徑分布的測試將改性的電氣石漿料(改性工藝條件為珠料比4∶1,漿料濃度50%,改性劑C的用量為電氣石粉末用量的2%,改性研磨時(shí)間6h)超聲分散3min后,用透射電子顯微鏡(TEM)觀察電氣石粉末的粒徑大小,并用激光粒度分析儀測試其粒徑分布,其分析測試結(jié)果見圖5。從圖5(a)中的TEM照片中可以看出,電氣石顆粒的最大粒徑在1μm左右,其中還有部分的亞微米粒子,分散性較好,與圖5(b)的激光粒度分析儀器測試的D50粒徑在0.56μm和D90粒徑在0.77μm的測試結(jié)果基本一致。因此圖5可以說明用改性劑C在電氣石漿料的研磨過程中能夠起到分散劑的作用,而且效果較好。2.7研磨法的確定圖6為研磨改性前與研磨改性后(研磨改性條件:珠料比4∶1,漿料濃度50%,改性劑C的用量為電氣石粉末用量的2%,改性研磨時(shí)間6h)電氣石粉末的IR圖譜。從圖6可以看出,在研磨改性后的電氣石粉末中,紅外圖譜比未改性前多了幾個(gè)峰,其中在2909.6cm2.8外部環(huán)境條件因負(fù)離子的釋放量與電氣石粉末的質(zhì)量、粒徑、改性劑包裹的面積等有很大的關(guān)系,此外容器的體積、壓力、溫度、濕度、風(fēng)速等外部環(huán)境條件有較大的影響。為了便于比較測試,在測試時(shí)盡量使容器內(nèi)部的環(huán)境條件保持一致:大氣壓為101.77kPa,溫度為16℃,濕度為85%RH,風(fēng)速為0.3m/s。電氣石粉末的質(zhì)量在400g左右,然后將其放置于0.1m當(dāng)電氣石的D90粒徑在10μm左右時(shí),電氣石粉末的負(fù)離子釋放量為800個(gè)/cm3改性電氣石粉末的分散性能通過以瑪瑙珠為研磨介質(zhì)對電氣石