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1、有助磨作用的陶瓷添加剂 张 健 吴基球 (华南理工大学材料学院 广州 510640) 摘 要 对具有助磨作用的陶瓷添加剂进行了探讨。包括试样的制备、 球磨、 粒度测定、 助磨机理的解释等。通过多次实 验确定,十二烷基苯磺酸钠、 柠檬酸钠+水玻璃等对瓷石有较好的助磨效果;木质素磺酸钠、 油酸等对石英砂有较好的助 磨效果。 关键词 助磨 陶瓷 添加剂 众所周知,原料细磨是一个高能耗、 低效率的作业 过程。陶瓷工业的原料磨细设备是陶瓷厂的主要机械 设备之一,它的电耗约占陶瓷厂总电耗的30 % ,但效 率却仅为1 %甚至更低,大部分的输入能量用于产生 热量、 无用的冲击、 挤压、 磨损、 静电能、 弹
2、性和塑性变 形及噪声1。因此,提高原料细磨效率,对陶瓷厂的节 能降耗有着重要的现实意义。 目前,在提高球磨效率方面,主要是从设备和调整 球磨工艺参数的角度来考虑。比如选择合适的料球水 比例、 合适的球磨机转速和选用高档的球石和内衬等。 助磨剂则是从原料磨细的微观机制方面来提高细磨效 率。一般来说,助磨剂是指在粉碎过程中少量加入,即 能显著提高粉碎效率的化学物质。 2国外在磨矿行业 已大量使用,并取得显著效果。国内关于助磨剂的研 究起步较晚,主要是用于有色金属选矿方面和水泥熟 料的加工方面,在陶瓷工业原料加工中的应用少见报 道。 3在陶瓷原料加工中 ,比较难粉碎的是石英、 熔块、 锆英石等硬度较
3、大的原料,本文对几种添加剂对石英 砂、 瓷石起助磨作用的机理、 最佳用量等进行了研究和 探讨,并找出了几种助磨效果较好的添加剂。 1 助磨剂 1. 1 助磨剂在陶瓷生产中的应用 原料的粉碎是陶瓷生产过程中一个必不可少的工 序,而粉碎是一个高能耗、 低效率的作业过程,因此助 磨剂的研究对于提高粉碎效率、 降低生产成本具有重 要的现实意义。 助磨剂常分为液体助磨剂、 固体助磨剂、 气体助磨 剂和混合助磨剂。到目前为止,陶瓷工业中使用的绝 大多数是固体和液体助磨剂。 1. 2 助磨剂作用机理1 对助磨剂的作用机理通常有两种代表性的学说。 第一种是以列宾捷尔为首的 “吸附降低硬度” 学 说,即助磨剂分
4、子在颗粒上的吸附降低了颗粒的表面 自由能,或者引起表面晶格的位错迁移,产生点缺陷或 线缺陷,从而降低颗粒的强度和硬度,促进裂纹的产生 和扩展,因而降低了磨矿能耗,改善了磨矿效果。 第二种是以克兰帕尔为首的 “矿浆流变学调节” 学 说,认为助磨剂能够通过调节浆料的流变学性质和表 面电性质等降低浆料的粘度,促进颗粒的分散,从而提 高浆料的流动性,阻止颗粒之间、 颗粒与研磨介质及衬 板之间的团聚与粘附。 助磨剂的作用机理可归纳如下: 降低破碎能; 增加脆性断裂机率以防止塑性变形; 阻止细颗粒的 絮凝和再聚集,强化分散; 调整矿浆的流变特性。 2 实验过程 2. 1 球磨过程 选用宁村瓷石和石英砂作为
5、研究对象。它们的化 学组成见表1、 表2。 81全国性建材科技期刊 陶瓷 2001年 第2期 总第150期 表1 宁村瓷石的化学组成(质量 %) SiO2Al2O3CaOMgOK2ONa2OFe2O3烧失 合计 71.73 18.630.720.384.720.640.652.43 99.9 表2 石英砂的化学组成(质量 %) SiO2Al2O3CaONa2O烧失合计 98.270.270.020.690.3499.59 2. 1. 1 瓷石的球磨实验 实验方案如下:高铝瓷球9. 05?,大中小配比为 0. 811 ;混合均匀的粒径小于4? 的瓷石500 g;用 MXQ - 24090锥形球磨
6、机球磨25 min;浆料固体含量 60 %;添加剂用量0. 1 %1. 0 %。 2. 1. 2 石英砂的球磨试验 实验方案如下:高铝瓷球8. 5?,大中小配比:0. 8 11 ;混合均匀的粒径小于4? 的石英砂500 g;用 MXQ24090锥形球磨机球磨40 min;浆料固体含量 60 %;添加剂用量0. 1 %1. 0 %。 2. 2 颗粒粒径分布的统计 用AMRAY1000B扫描电子显微镜测量水平方向 600个颗粒的Feret径,用 “HARVARD” 制图软件对数据 进行统计和处理:以 “颗粒直径( m) ” 作为横坐标,“累 积分布率( %)” 作为纵坐标,输入HARVARD软件的
7、制 图表格中,绘制出颗粒的累积通过分布曲线。 3 各添加剂助磨效果的对比分析 各添加剂最佳用量时对瓷石助磨的累积通过分布 曲线见图1 ,各添加剂最佳用量时的中位径见图2。 3. 1 瓷石的助磨实验 从图1可以看出,各种添加剂都有一定的助磨作 用。最靠上的5条曲线依次是十二烷基苯磺酸钠、 柠 檬酸钠+水玻璃、 木质素磺酸钠+十二烷基苯磺酸钠 +三聚磷酸钠、 柠檬酸钠+三乙醇胺、 柠檬酸钠+三聚 磷酸钠+水玻璃的助磨效果曲线。其中前3条曲线靠 得很近,有好几处出现交叉,柠檬酸钠+水玻璃和木质 素磺酸钠+十二烷基苯磺酸钠+三聚磷酸钠几乎重 合,说明这3种添加剂的效果相近;后两条曲线表示的 效果明显比
8、前3条要差;从表3可见,十二烷基苯磺酸 钠的中位径3. 68m为最小,柠檬酸钠+水玻璃和木 质素磺酸钠+十二烷基苯磺酸钠+三聚磷酸钠分别为 3. 74m和3. 75m ,与十二烷基苯磺酸钠非常相近,柠 檬酸钠+三乙醇胺和柠檬酸钠+三聚磷酸钠+水玻璃 分别为3. 93m和4. 01m。接下来的3条曲线是木 质素磺酸钠、TC +三聚磷酸钠和商品助磨剂WZ的助 磨效果曲线,这3条曲线在颗粒直径小于2m时的效 果几乎相同,但随着颗粒直径的增大,它们的差距越来 注:图中英文代号所指添加剂名称见表3。 图1 各添加剂最佳用量时对瓷石助磨的累积通过分布曲线图 图2 各添加剂最佳用量时的中位径图 越明显,这3
9、条曲线中效果最好的是木质素磺酸钠,最 差的是商品助磨剂WZ。由上可见,所选用的几种添 加剂比商品添加剂WZ有明显好的效果,所以这几种 添加剂作为助磨剂是有发展前途的,但现实生产中的 91全国性建材科技期刊 陶瓷 2001年 第2期 总第150期 粉碎对象不只是瓷石一种原料,因而如何将这几种添 加剂用于工业生产还有待进一步的研究。比商品助磨 剂WZ效果差的是三乙醇胺、 三聚磷酸钠和稀释剂 TC ,其中以三乙醇胺最好,TC最差。最下面一条曲线 是仅加CMC的助磨效果曲线,它所表示的效果明显比 其他曲线效果要差。 表3 各添加剂最佳用量时对瓷石助磨的效果 按效果排列次序英文代号添加剂添加量(质量 %
10、) 中位径( m) 1SE十二烷基苯磺酸钠0.33.68 2NM+ SB柠檬酸钠+水玻璃0.83.74 3MZS+ SE+ S J木质素磺酸钠+十二烷基苯磺酸钠+三聚磷酸钠0.83.75 4NM+ SY柠檬酸钠+三乙醇胺0.63.93 5NM+ S J + SB柠檬酸钠+三聚磷酸钠+水玻璃0.244.01 6MZS木质素磺酸钠0.94.21 7TC+ S JTC+三聚磷酸钠0.34.35 8WZ商品助磨剂WZ0.94.47 9SY三乙醇胺0.34.7 10S J三聚磷酸钠0.74.85 11TC稀释剂TC0.95.15 12CMC羧甲基纤维素钠0.16.68 以上各添加剂中,三聚磷酸钠、 水玻
11、璃、 是属于无 机电解质;木质素磺酸钠、 十二烷基苯磺酸钠、TC、 柠 檬酸钠是阴离子型有机表面活性剂,三乙醇胺是非离 子型有机表面活性剂。 由表3和图2可见,十二烷基苯磺酸钠单独使用 中位径最小,效果最好,木质素磺酸钠单独使用的效果 相对差一点。磺酸盐的价格低,约1 5002 000元/ t , 可见这两种添加剂是很有实用价值的。 三乙醇胺、 三聚磷酸钠、TC单独使用效果较差,均 比不上商品助磨剂WZ的效果。但如果将三乙醇胺与 柠檬酸钠混合,其助磨效果有较大改观,超过了WZ, 这是离子型与非离子型表面活性剂混合后,产生有利 于表面吸附及胶团形成的分子间相互作用的结果,非 离子型表面活性剂三乙
12、醇胺与离子型表面活性剂柠檬 酸钠混合后,三乙醇胺分子减弱了带同种电荷的柠檬 酸钠极性基间的排斥作用,而且三乙醇胺的极性基在 邻近的表面活性离子的电场作用下可能发生极化而产 生进一步的相互作用,这使得混合胶团容易形成,从而 进一步增强表面活性剂分子的吸附作用;将三聚磷酸 钠与TC混合后,其助磨效果也有较大改观,助磨效果 也超过了WZ。这是因为TC是一种聚羧酸盐,属于阴 离子表面活性剂,它与三聚磷酸钠混合后,三聚磷酸钠 电离出Na +离子会导致溶液中有更多的 Na +进入颗粒 表面羧酸根吸附层,从而削弱了羧酸根离子间的电性 排斥,使吸附分子排列更加紧密,更好地降低了表面 能,改善了泥浆的流变特性,
13、从而提高了粉碎效率。 柠檬酸钠与水玻璃混合的效果仅次于十二烷基苯 磺酸钠,这是由于在离子型表面活性剂柠檬酸钠中,加 入电解质水玻璃后,会导致Na + 离子进入颗粒表面柠 檬酸根吸附层,从而削弱了柠檬酸根离子间的电性排 斥,使吸附分子排列更加紧密。因此将不同类型的添 加剂混合使用,利用它们之间的相互作用和不同的作 用机理,改善作用效果,是助磨剂发展的方向。 木质素磺酸钠+十二烷基苯磺酸钠+三聚磷酸 钠、 柠檬酸钠+三聚磷酸钠+水玻璃混合的效果很好, 也是因为无机电解质能改善表面活性剂的吸附能力的 缘故。 3. 2 石英砂的助磨实验 图3是各添加剂最佳用量时对石英砂的助磨效果 图,从中可以看出各添
14、加剂对提高球磨效率是有一定 02全国性建材科技期刊 陶瓷 2001年 第2期 总第150期 作用的。图3和图4显示,木质素磺酸钠有相对最好 的效果,油酸紧随其后;接下来是十二烷基苯磺酸钠, 但从图3中可以看到,当颗粒直径在2m以下时,十 二烷基苯磺酸钠与不加任何添加剂的效果几乎相同, 当颗粒直径增大时,十二烷基苯磺酸钠的作用才体现 出来;颗粒直径小于2m时,油酸、 三乙醇胺、 油酸钠 的效果完全一样,当颗粒直径增大时,油酸的优越性明 显地表现出来;三乙醇胺和油酸钠的效果是相近的。 注:图中英文代号所指添加剂名称见表4。 图3 各添加剂最佳用量时对石英砂助磨的累积通过分布曲线图 图4 各添加剂最
15、佳用量时的中位径图 表4 各添加剂最佳用量时对石英砂助磨的效果 按效果排列次序英文代号添加剂添加量(质量 %) 中位径( m) 1MZS木质素磺酸钠0.13.92 2YS油酸0.14.12 3SE十二烷基苯磺酸钠0.14.62 4SY三乙醇胺0.14.81 5YSN油酸钠0.14.9 6不加任何添加剂-5.41 这几种添加剂中,木质素磺酸钠、 油酸、 十二烷基 苯磺酸钠和油酸钠都是阴离子型有机表面活性剂,三 乙醇胺是非离子型有机表面活性剂。由表4可见,这 5种添加剂取得最好效果时添加量都较小,均为 0.1 % ,这在生产中对于降低成本,提高球磨效率有较 高的实际意义。并且它们都是有机添加剂,在
16、烧成的 过程中,有机物会燃烧挥发,对产品化学组成和结构影 响很小。 4 结论 1) 对于宁村瓷石,助磨效果排序为:十二烷基苯磺 酸钠柠檬酸钠+水玻璃木质素磺酸钠+十二烷基 苯磺酸钠+三聚磷酸钠柠檬酸钠+三乙醇胺柠檬 酸钠+三聚磷酸钠+水玻璃木质素磺酸钠 TC + 三聚磷酸钠商品助磨剂WZ三乙醇胺三聚磷酸 钠 TC。 2) 对于石英砂,助磨效果排序为:木质素磺酸钠 油酸十二烷基苯磺酸钠三乙醇胺油酸钠。 3) 添加剂的用量是在一定适宜范围内,当超过这 个范围时,助磨效果反而变差。本实验中几种主要添 加剂最佳用量如下:球磨瓷石时:十二烷基苯磺酸钠 (0. 3 %)、 柠檬酸钠+水玻璃(0. 8 %) ;球磨石英砂时: 木质素磺酸钠(0. 1 %)、 油酸(0. 1 %)。 4) 阴离子型表面活性剂和无机电解质或非离子型 表面活性剂混合使用时,其助磨效果比单独加入阴离 子型表面活性剂、 无机电解质或非离子型表面活性剂 的效果要好。如
