电气石的湿法研磨改性研究

电气石的湿法研磨改性研究

长期以来，电气石以其远红外线、负离子和弱电流的特点，广泛应用于环境保护、健康、电子、制药、化工、木工、建筑材料等领域。电气石具有特殊的热电性和压电性,在受热、受压或者受到其它能量激发时都会产生电荷,释放出大量的负离子,并能发射对人体有益的远红外线,具有特别的电磁波防护功能。因此,电气石能广泛应用在环保、电子、日化、纺织、陶瓷、建材等行业。将电气石应用于地面水泥混凝土中可以提高地面的耐磨擦性,净化室内外空气环境,并且具有防霉抗菌的功能,因此将电气石应用于水泥混凝土中可提高水泥基地面材料的环保性能。为了增加电气石粉末与其它各种材料的相容性,增加与水泥混凝土的亲和性,需对电气石粉末的表面进行改性。本文针对电气石在水泥混凝土中的这些特殊用途,选用亲水性的聚羧酸盐作为表面改性剂,将电气石粉末与水以及助磨改性剂等助剂混合调浆后球磨,进行单因素(研磨时间、助磨改性剂种类及用量、料浆浓度、球料比等)研磨条件试验,用D90粒度(1μm)分布作为研磨测试的评价指标,确定各影响因素的最佳值,找出最佳的研磨工艺条件。1实验1.1主要原材料电气石粉:1000目,市售;各种聚羧酸盐改性剂(分子量A<B<C):固含量40%~43%,上海三瑞化学有限公司提供。1.2研磨和改性实验取一定量的电气石粉末,按照一定的配方加入分散介质去离子水和改性剂聚羧酸盐,用玛瑙罐和玛瑙珠(平均直径1.3研磨法分离电气石浆料的粒径分布与形貌浆料分散稳定性的测试:将相同浓度的电气石浆料置于带刻度的试管中,放置一段时间后,用其沉降的高度来表明分散稳定性的高低。电气石浆料D50和D90粒度分布测试:取少量的研磨的电气石浆料少许,加水后超声分散3min,用LS-POP(VI)型激光粒度分析仪(珠海欧美克科技有限公司)进行粒径分布测试。电气石浆料的粒径大小与形貌:取少量的研磨的电气石浆料少许,加水后超声分散3min,用JEM-1200EXⅡ型透射电子显微镜(日本JEOL公司)观察电气石粉末的粒径大小与形貌。红外光谱(FTIR)测试:将未研磨改性的电气石粉末与研磨改性后的电气石浆料离心分离,然后用去离子水洗涤再次离心分离,如此重复三次,然后将沉淀物在烘箱中于80℃干燥,研磨后经KBr晶体压片,用Magna-IR550型红外扫描仪(美国Nicolet公司)测试粒子的表面改性状况。1.4电气石粉末离心分离量的测定将400g左右的电气石粉末置于0.1m2结果与讨论2.1研磨时间对粒径的影响研磨介质选择:研磨介质的密度及硬度对物料研磨效果起着重要作用。一般情况下,介质密度及硬度越大,对物料的冲击力也越大,研磨效果也越好。但由于电气石硬度较大而较难研磨,在长时间的研磨过程中,研磨介质损耗很大,考虑到设备的具体实际情况,本实验选用玛瑙珠作为研磨介质,其平均直径实验条件为珠料比4∶1,浆料浓度50%,以水为分散介质,在没有加改性剂的情况下,粒径随研磨时间的试验结果见图1。可以看出,粒径随着研磨时间的增加而逐渐减小。在开始研磨的1~2h内,粒径的减小趋势最大,随着研磨时间的增加,粒径虽有所下降,但变化趋势较小。这是由于粉体粒径越小,其表面能越高,粉体之间团聚以降低表面能的趋势越大。虽然研磨有助于粉末粒径的减小,但被磨细的粉末粒子又趋向于团聚,因此粉体粒度的变化,取决于这两种作用综合的效果。当研磨时间达到6h左右,粉体被研磨粉碎的速度与粉体间团聚的速度基本相同,电气石粉末的粒度基本不再随研磨时间的变化而变化,此时的D90粒径基本上在1μm左右。因此在实验中选择最佳的研磨时间为6h。2.2改性剂用量的影响固定研磨的时间为6h,然后选用不同的改性剂来研究改性剂种类对电气石粉末粒径的影响。具体的实验条件为珠料比4∶1,浆料浓度50%,以水为分散介质,改性剂用量为粉料用量的3%(质量比),改性剂种类与粒径的试验结果见表1。从表1可以看出,在相同的研磨时间条件下,不同改性剂的加入得到的粒径分布不尽相同。改性剂A和改性剂B的加入与没有加改性剂时的粒径分布相差不大,而改性剂C的加入却使电气石粉料的D90粒径小于1μm,而且分散稳定性较好。可能的原因是电气石为极性晶体,表面静电场强度大,聚羧酸盐为典型的聚电解质改性剂,它吸附在电气石粉体颗粒的表面,在起到空间位阻效应的同时,也增加了颗粒表面同种电荷的荷电量,起到静电稳定作用。但是高分子分散剂在具有分散效果的同时,也可能产生相反的絮凝作用,这些因素与所用高分子分散剂的分子量和加入量有关。因此在三种聚羧酸改性分散剂中,由于它们的分子量不同,聚合物中羧酸的含量也各不相同,研磨改性的电气石浆料的粘度也不一致,因而导致研磨改性结果不同。本实验根据表1中的实验数据结果,选用改性剂C作为本研究的研磨用改性助剂。2.3研磨改性对电气石粉末d29的影响选用改性剂C为研磨改性剂,研磨时间为6h,然后改变改性剂的用量来研究其对电气石粉末粒径的影响。实验条件为珠料比4∶1,浆料浓度50%,以水为分散介质,改性剂含量(与粉料的质量百分比)与D90粒径的试验结果见图2。从图2可以看出,随着改性剂C含量的增加,研磨6h后,粒径呈现先减小后增大的趋势,达到一定浓度后,D90粒径分布变化不再明显。这可能是由于当改性剂的添加量小于2%时,电气石的颗粒表面没有完全被改性剂C包覆,因此颗粒之间仍然相互团聚。当改性剂C的添加量在2%左右时,在电气石颗粒表面形成了单分子覆盖层,此时粒子之间的团聚较少,表现为图中的D90粒径最小。之后随着改性剂含量的增加,改性剂之间的亲油基团可能相互吸附,引起粒子之间的团聚,表现为图中的粒径又开始增加。出现以上现象也可用表面活性剂的临界胶束浓度来解释:在研磨改性中,当改性剂的浓度达到或超过临界浓度后,改性剂分子就会聚集起来而形成胶束,对电气石粉末的表面包覆作用减弱,从而失去了表面活性,起不到分散的作用,致使研磨效率和效果下降。所以试验中当改性剂的用量大于2%左右时,电气石粉末的D90粒径反而增大的原因。因此根据图中的实验数据,选择改性剂C的添加量为2%。2.4浆料浓度对d29粒径的影响选用改性剂C的添加量为2%,研磨时间为6h,固定分散介质水和研磨介质玛瑙珠的质量不变,改变电气石粉末的浓度来研究研磨过程中电气石浆料浓度对电气石粉末D90粒径影响情况,其实验结果见图3。从图3可以看出,随着浆料浓度的增加,研磨后的浆料的D90粒径也逐渐增加,表现为图3中浆料浓度从50%增加到70%时,D90粒径从0.99μm增加到2.32μm。这是由于浆料浓度的增加使电气石之间的相互接触机会增加,而与玛瑙球的碰撞机会减少,在相同的研磨时间内研磨介质对浆料粉末的冲击剪切摩擦时间减少,因此D90粒径下降较慢,使得浓度增加时,浆料的D90粒径增大。但浆料浓度从50%降低至45%时,粒径不降反而有所增加。这可能是当浓度降低至一定数值时,虽然电气石粉末与研磨介质碰撞的机会增加,但电气石粉末可能残留在玛瑙珠形成的间隙中,使玛瑙珠对电气石粉末的研磨效率降低,因此D90粒径降低较慢使D90粒径稍微偏大。根据图中的实验数据结果表明研磨浆料的最佳浓度在50%左右。2.5珠料比对电气石粉末粒径的影响固定改性剂C的添加量为2%,研磨时间为6h,电气石粉末的浆料浓度为50%,改变研磨介质玛瑙珠与电气石粉末的配比(珠料比),来研究不同的珠料比对电气石粉末粒径的影响,实验结果见图4。从图4可以看出,随着珠料比从10∶1降低至5∶1时,电气石粉末的粒径逐渐增加;但是当珠料比降低至4∶1时,粒径反而降低;当珠料比低于4∶1时,粒径又逐渐升高。出现这种现象的可能原因是在电气石浆料在研磨过程中,若研磨介质加入过多,则磨机内的物料相应减少,研磨介质自身碰撞的机会大增,引起研磨效率的下降,在研磨相同的时间后粒径仍然较大。同时由于研磨介质之间剧烈的相互碰撞,引起研磨介质的损耗急剧增加,从而导致单元经济成本升高。当珠料比在4∶1左右时,D90粒径在1μm左右,此时的研磨效率最高,因此最佳的珠料比在4∶1左右。2.6粒径分布的测试将改性的电气石浆料(改性工艺条件为珠料比4∶1,浆料浓度50%,改性剂C的用量为电气石粉末用量的2%,改性研磨时间6h)超声分散3min后,用透射电子显微镜(TEM)观察电气石粉末的粒径大小,并用激光粒度分析仪测试其粒径分布,其分析测试结果见图5。从图5(a)中的TEM照片中可以看出,电气石颗粒的最大粒径在1μm左右,其中还有部分的亚微米粒子,分散性较好,与图5(b)的激光粒度分析仪器测试的D50粒径在0.56μm和D90粒径在0.77μm的测试结果基本一致。因此图5可以说明用改性剂C在电气石浆料的研磨过程中能够起到分散剂的作用,而且效果较好。2.7研磨法的确定图6为研磨改性前与研磨改性后(研磨改性条件:珠料比4∶1,浆料浓度50%,改性剂C的用量为电气石粉末用量的2%,改性研磨时间6h)电气石粉末的IR图谱。从图6可以看出,在研磨改性后的电气石粉末中,红外图谱比未改性前多了几个峰,其中在2909.6cm2.8外部环境条件因负离子的释放量与电气石粉末的质量、粒径、改性剂包裹的面积等有很大的关系,此外容器的体积、压力、温度、湿度、风速等外部环境条件有较大的影响。为了便于比较测试,在测试时尽量使容器内部的环境条件保持一致:大气压为101.77kPa,温度为16℃,湿度为85%RH,风速为0.3m/s。电气石粉末的质量在400g左右,然后将其放置于0.1m当电气石的D90粒径在10μm左右时,电气石粉末的负离子释放量为800个/cm3改性电气石粉末的分散性能通过以玛瑙珠为研磨介质对电气石