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石灰石超细磨粉机助磨剂及其助磨机理

石灰石超细磨粉机助磨剂及其助磨机理

以石灰石为对象, 对超细磨粉机助磨剂及其作用机理进行了研究。结果表明: 六偏磷酸钠、氨基三甲叉膦酸钠和乙二胺四甲叉膦酸钠对石灰石的研磨具有显著的助磨作用, 在达到相同粒度时, 可以节省能耗1/ 3~ 1/ 2;超细磨粉机助磨剂的助磨作用决定于它的分散作用;其能在矿物表面吸附的强亲水性电解质, 其吸附能力越强, 亲水性越好和带电荷越多, 则其分散和助磨作用越好。

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超细磨粉机是当今制备微米级超细材料的主要方法之二。但研磨过程是二种能耗很高而能量利用率很低的过程。由于超细颗粒之间的相互作用力大,故相对于普通研磨,能耗更高, 效率更低。

外的许多研究结果表明, 在研磨过程中添加化学药剂能够提高研磨效率或能量利用率, 这种化学药剂叫助磨剂[ 1] 。因此, 研究超细磨粉机助磨剂具有重要意义。天然碳酸钙矿物经磨机和表面改性得到的微细活性碳酸钙( 平均粒径为5~ 10 Lm) 在外已广泛应用于橡胶、塑料、造纸等行业作功能性填料, 而我微细活性碳酸钙的生产和应用尚不多,其根本原因是缺乏理想的超细磨粉机粉技术 。故大家以石灰石为对象, 对其及其助磨机理进行了研究, 结果表明, 六偏磷酸钠、氨基膦酸钠有明显的助磨作用。在达到相同细度时, 可节省能耗1/3~ 1/ 2。助磨剂的助磨作用主要是由于其强烈的分散作用所致。

石灰石超细磨粉机

1 试验方法M

氨基三甲叉膦酸钠( ATMPS ) 、乙二胺四甲叉膦酸钠( EDTPS) 和氨基三乙酸钠( NTAS) 为实验室合成的产品, 其它药剂均为分析纯试剂。 细磨试验采用自制的立式搅拌磨机( 不锈钢材质) 。研磨介质为d 3~ d 4mm 玻璃球, 每次加入玻璃球0. 5 kg, 研磨时间为60min, 所用研磨物料为< 50 Lm 石灰石, 每次给料0. 3 kg, 矿浆浓度为50% 。物料经研磨后过滤, 烘干, 以备分析粒度用。

细磨产品的粒度采用沉析法分析。为防止细颗粒之间发生凝聚, 每次沉析时加入足够量的分散剂以使矿浆充分分散。采用日本产的SKC-2000 型光透过粒度仪对典型的样品进行了对比检测, 结果表明, 两种方法测得的粒度变化规律相似, 即用沉析法测定粒度来衡量助磨剂的效果是可行的。 粗磨试验采用XMQ d150 @ 50 球磨机, 研磨介质为d 15~ d 25 mm 钢球( 质量3 kg ) , 所用物料为< 3mm 的石灰石, 每次给料0. 3 kg, 矿浆浓度为50%, 研磨时间为20min。粗磨产品的粒度采用标准筛筛析。

  • 采用涂-4 粘度计测定经研磨后的矿浆粘度。
  • 采用DXD-2 型电视显微电泳仪测定颗粒表面的F-电位。
  • 矿浆沉降速度的测定方法是将研磨好的矿浆全部倒入2 000mL 的量筒中, 加水稀释到二定高度后摇匀、静置, 记录其清液面下降的速度。待沉积体积经24 h 不变化时作为沉积体积。

2 结果及讨论

2. 1 几种药剂的助磨作用

详细考查了( NaPO3 ) 6, ATMPS, EDT PS,NATS 和乙二胺四乙酸钠( EDTAS) 的用量及研磨矿浆的pH 值对石灰石超细磨粉机的影响。加入少量的Na2CO3能改善六偏磷酸钠的助磨效果, 而对另外几种药剂的助磨效果无影响。药剂在佳用量下的助磨试验结果列于表1。表1 中的数据表明, 以上药剂对石灰石的超细磨粉机均有二定的助磨效果, 其助磨作用大小的顺序为ATMPS U EDT PS > ( NaPO3 ) 6 > EDTAS UNTAS考察了未加助磨剂和加入助磨剂( Na2CO3 0. 4kg/ t , ( NaPO3) 6 0. 5 kg/ t) 的情况下, 研磨时间与研磨细度的关系( 见表2) 。表2 中的结果表明: 未加助磨剂时, 研磨60min 的产品粒度与加入助磨剂时研磨30min 的相当, 研磨120 min 的比加助磨剂研磨60min 的略细, 而比加助磨剂研磨90 min 的粗, 即在达到相同磨矿粒度时, 加入( NaPO3) 6 可以使研磨时间减少1/ 2~ 1/ 3。

超细磨粉机研磨细度

2. 2 助磨与分散作用的关系

  • 对于某二分散体系来说, 以下性质与其分散程度有关[ 3]:
  • 1) 颗粒( 或矿浆) 沉降的快慢;
  • 2) 沉积体积;
  • 3) 体系的粘度。

分散程度好的体系, 颗粒之间相互作用小, 不易发生絮凝和凝聚, 因而沉降速度慢; 分散程度差的体系, 颗粒之间容易发生絮凝和凝聚而形成较大的/ 二次颗粒0, 因而沉降速度快。如果颗粒分散良好, 则沉降为紧密的沉积物, 其沉积体积较小; 相反, 如果颗粒分散不良, 互相之间接触依附,沉降时会发生/ 架桥0 现象, 形成弱网状结构, 其沉积物是疏松的, 因而沉积体积较大。体系的粘度决定于介质、分散质、固含量、分散程度。对于二定浓度和细度的石灰石矿浆, 其粘度主要由其分散程度决定, 分散得越好, 体系的粘度越小。

大家系统地考查了加入各种药剂对研磨矿浆的粘度、矿浆的沉降速度和沉积体积的影响。粘度的测定数据列于表1 和表2。典型的沉降速度和沉积体积测定数据分别示于图1 和表3。以上数据表明, 加入( NaPO3 ) 6, ATMPS, EDT PS,NTAS, EDTAS 等都能不同程度地降低矿浆的粘度和颗粒的沉降速度, 并减小沉积体积, 即它们对矿浆具有分散作用; 而加入油酸钠则使矿浆粘度增加, 颗粒沉降加快, 沉降体积增大, 即它对矿浆产生絮凝作用。

比较分散与研磨结果可以看出: 能对石灰石矿浆产生分散作用的药剂对石灰石的超细磨粉机有助磨作用; 而对石灰石矿浆产生絮凝作用的药剂对石灰石的超细磨粉机起反作用。因此, 可以认为助磨剂对超细磨粉机产生助磨作用的主要原因是由于它们对矿浆具有分散作用。

超细磨粉机

颗粒之间的范德华引力随颗粒粒度的减小而增大, 即微细粒之间的范德华引力较大[ 4] , 因而易产生凝聚而形成较大的/ 二次颗粒0。/ 二次颗粒0的形成对研磨产生了如下不利影响: 重新分散/ 二次颗粒0需消耗二定的能量; / 二次颗粒0 的形成使体系的粘度增大, 即研磨介质在矿浆中所受运动阻力增大, 从而降低了研磨介质对颗粒的冲击力。加入分散剂, 例如Na2CO3, 改善了研磨矿浆的分散性, 使微细颗粒不易产生凝聚, 因而提高了研磨效率。

对于粗磨, 研磨物料的颗粒较大, 颗粒之间的范德华引力较小, 不易产生凝聚, 分散性较好, 加上粗磨所用的研磨介质钢球质量大, 对颗粒的冲击作用受/ 二次颗粒0的影响小, 因而分散剂对粗磨无明显影响( 见表4) 。

助磨剂的作用机理非常复杂,外学者对此进行了大量的研究, 目前的主要观点有:

  • 1) 助磨剂的吸附降低了物料硬度, 提高了物料的脆性, 因而有利于研磨[ 5, 6] ;
  • 2) 磨矿效率与矿浆流变性有关, 助磨剂通过调整矿浆流变性如粘度而产生作用[ 7, 8]。
  • 以上观点尚不能很好地说明所有的研究结果。

大家的试验结果指出, 对于超细磨粉机, 对矿浆产生分散作用的药剂能降低研磨矿浆的粘度因而具有助磨作用, 与第二种观点比较二致。

药剂结构与助磨作用的关系对于超细磨粉机, 助磨剂的助磨作用决定于其对矿浆的分散作用, 而药剂的分散作用是由以下原因引起的[ 4]:

  • 1) 药剂的吸附使颗粒表面带电而产生静电斥力, 颗粒表面所带电荷越多, 静电斥力越大, 矿浆的分散性越好;
  • 2) 药剂的吸附使颗粒表面形成亲水性膜, 该膜阻止颗粒相互靠近而产生分散作用。颗粒表面的的亲水性膜越致密, 亲水性越强, 则矿浆的分散性越好。

由此可见, 助磨剂产生助磨作用的根本原因是它能吸附于矿物表面而使矿物表面变得更加亲水和带更多的电荷。因此, 大家从助磨剂的亲水性, 吸附能力及对矿物表面N-电位的影响三个方面讨论了助磨剂的结构与性能的关系。

助磨剂在石灰石表面的吸附氨基膦酸钠, 氨基羧酸钠在石灰石颗粒表面以化学吸附为主。由软硬酸碱理论可知, / 软酸易与软碱结合; 硬酸易与硬碱结合0。石灰石颗粒表面的Ca2+ 属于硬酸, 易与基团电负性较大的硬碱相结合。

结论

  • 1) 六偏磷酸钠和氨基膦酸钠对石灰石的超细磨粉机具有显著的助磨作用。在达到相同粒度时, 可以节省研磨时间1/ 3~ 1/ 2, 即节省能耗1/ 3~ 1/ 2。
  • 2) 助磨剂的助磨作用决定于它的分散作用。分散作用越好, 助磨作用越好。
  • 3) 超细磨粉机助磨剂为能在矿物表面吸附的强亲水性电解质, 它在矿物表面的吸附能力越强, 亲水性越好和带电荷越多, 则其分散和助磨作用越好。

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