无机材料超细粉体机械研磨制备中浆料流变性能的研究

无机材料超细粉体机械研磨制备中浆料流变性能的研究

越来越多地使用研磨法机械粉体的应用，制作不同行业的超细粉体。由于在超细研磨中颗粒细度随着研磨时间的增加而提高,同时比表面积和表面能也将作增大,从而颗粒由于静电力和vanderWaals力将产生团聚或聚结,浆体的流变性能也随之发生改变。因此对湿法超细研磨中浆体流变性的研究具有非常重要的意义[5–8,10,13,16,21–27,30–34]。1具有机化合物材料浆体流变性能1.1剪切应力的影响浆体分成Newtonian型和非Newtonian型。浆体的粘度η可定义为其中:τ为剪切应力;γ为剪切速率。对于Newtonian浆体,η是常量;对于非Newtonian浆体,η是变量,即非Newtonian浆体中τ与γ不成比例变化。无机材料浆体,无论是天然的还是合成的,主要呈非Newtonian浆体1.2颗粒间作用力及絮凝过程变化无机材料浆体的流变学表征主要是测量浆体的τ随γ的变化,从而反映浆体中颗粒间作用力和浆体絮凝的情况。然而,浆体和研磨介质在研磨腔体中的运动非常复杂1.2.1通过粘性计或变换器直接测量性能通过粘度计或流变仪直接测量γ和τ的关系,或是测量浆体静态时的表观粘度(即某一特定剪切率下测定的粘度)来衡量浆体的流变性1.2.2通过测量的间接特性由于ζ电位与表观粘度的关系比较密切,可通过测量ζ电位来间接地表征浆体的流变性1.2.3直接的比例关系在给定的研磨条件下,磨机研磨过程中的扭矩与浆体的粘度有直接的比例关系。因此,浆体的流变性可通过测量研磨过程中磨机的扭矩间接表征。这种方法虽然不能给出精确的浆体流变学参数,但是可定性地衡量不同研磨条件下的浆体流变性的相对值2.2经验流变性模型无机材料浆体主要呈非Newtonian浆体。非Newtonian浆体的经验流变性模型主要有两参数的Power–Law模型Power–Law模型Bingham塑性体模型Cass模型Herschel–Bulkley模型Sisko模型其中:τ3影响浆体流变的主要因素3.1固相含量低时选择主要反应体流变性能不随时间变化的浆体的流变性一般有以下性质:当固相含量低时,呈Newtonian浆体;随着固相含量的增大,也越来越趋近非Newtonian浆体,η随着γ降低而增加。Gao等Bernhard等3.2影响谷物及其分布的影响Tangsathitkulchai等3.3影响浆体ph值的因素Prestidge3.4影响对固相含量高的氧化铝(粒径小于5μm)浆体的粘度测试结果表明3.5温度影响温度是影响浆体表观粘度和τ3.6影响形状的因素湿磨过程中颗粒形状对浆体流变性的影响的研究报道较少。Yuan等4通过添加分散剂来控制浆体的流动强度4.1分散剂的作用机理文献[22,24,26]中所提及的分散剂大多是低分子量水溶性的高分子聚合物。常用的无机分散剂有硅酸钠、偏磷酸钠、三聚磷酸钠、氢氧化钠、氢氧化钾等。常用的水溶性高分子聚合物分散剂有聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚磷酸、聚苯乙烯磺酸、聚乙烯氨、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚乙烯氧化物、丙烯酰胺和烯酸的共聚物等。非离子型分散剂通常含有—O—基和—OH基,浆体的pH值对其分散效果相当敏感,但当浆体的pH值呈中性时,非离子型分散剂可起到很好的分散效果。大多数阴离子型分散剂含有羧基,这类分散剂在pH小于5时分散效果不明显。阳离子型分散剂通常是胺。有效地控制浆体流变性的分散剂应满足以下条件:(1)分散剂可大量地吸附在颗粒的表面以起到降低浆体η的作用;(2)浆体η足够高时使用分散剂;(3)选择分散剂时考虑pH值等因素对其分散效果的影响;(4)所使用的分散剂不能影响下一道的工艺操作如分离、造粒等,也不能对浆体造成污染;(5)选择分散剂应考虑经济可行。4.2增加分子间的作用力从浆体流变学的角度来看,分散剂或研磨助剂主要是为了减小或消除浆体的τ浆体中的高分子分散剂的加入对静电力和空间位阻作用力都有一定的影响。改变pH值或颗粒吸附其他带电离子可以改变颗粒的荷电量,从而改变颗粒间的静电作用力。通过加入亲水性的分子量在几千到一万的大分子化合物(如聚丙烯酰胺、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸钠盐、聚丙烯酸)可增加分子间作用力。加入高分子聚合物吸附在颗粒上而产生的空间位阻作用使颗粒间彼此不能靠的太近,从而消弱颗粒间的vanderWaals力。对于因加入聚合物、电解质而形成稳定的浆体,至今还没有适当理论定量地计算其稳定性,但可定性地认为是静电力和空间位阻作用力的综合作用所致。4.3研磨中分散剂对浆体流变的影响大多湿法研磨的过程中研磨的浆体的固相含量较高,加之会产生许多微粒,所以研磨浆体中的颗粒很容易形成絮团,致使浆体出现τ4.3.1不同分散剂的作用Wang等4.3.2湿法研磨中浆体流变性的影响因素就研磨某一种无机材料浆体而言,应使用一种有效的分散剂并确定其适宜用量。分散剂用量不足会造成颗粒团聚,影响浆体的流动性;过量又会在经济上造成浪费并且还会影响浆体的稳定性。Gao等湿法研磨中浆体的流变性受各种因素的影响,如颗粒大小及形状、颗粒的电荷情况、流体的η及浆体的固相含量。而且在湿法研磨中浆体在研磨腔体中不同位置的流变性也有所不同。因此,分散剂的最佳用量也会随着各种条件的不同而不同。确定分散剂用量的方法也是有很多种的,包括沉降测试法、等热吸附法、流变实验法及电泳法。前两种方法较为耗时,而电泳法只能测量ζ电位并且要求浆体必须较稀。因此在工业生产中用于估算固相含量高的浆体分散剂用量时会有较大偏差,可利用流变仪来测算分散剂最佳用量的方法。Greenwood等4.3.4分散剂的使用方法的影响产品的细度随着研磨时间的增加而增加,而细度的增加又会增大浆体的τ5无机材料浆体流变性的研究(1)大多数无机材料浆体均呈现非Newtonian型流变学行为。非Newtonian浆体流变性的表征包括使用流变仪或粘度计直接测量,通过测量ζ电位或磨机转矩间接表征。(2)湿法超细研磨中浆体流变性受很多因素影响,如浆体固相含量、颗粒大小及形状、浆体的pH值、是否选用合适的分散剂等。在研究浆体流变性时一定要同时考虑这些因素及其之间相互作用的影响。有效控制浆体的流变性能可增加产量,提高能量利用率及产品细度。(3)湿法超细研磨中加入合适的分散剂可使研磨浆体的固相含量提高30%,并且提高最终产品的细度。作为控制浆体流变性从而提高研磨效率的研磨助剂,常用分子量从5000到20000的聚丙烯酸及其盐类。阶段式加入分散剂比一次性加入分散剂效果好。(4)尽管已提出一些模拟无机材料浆体流变学性能的经验方程,但还需建立更具实际意义的与浆体中固相含量、颗粒大小及浆体温度相关的半经验方程。建立浆体流变性与研磨参数、分散剂的选择与用量、能量利用率和颗粒大小之间的数学关系对有效湿法超细研磨至关重要。4.3.3分子链法保持浆体稳定性的机理一些高聚物分散剂因能