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| 粉体超细粉碎中分散剂和助磨剂的作用机理及选择原则 |
| 来源：中国粉体技术网 更新时间：2015-09-21 10:58:09 浏览次数： |
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1 分散与助磨概述
在超细粉碎过程中，当颗粒的粒度减小至微米级后，颗粒的质量趋于均匀，缺陷减少，强度和硬度增大，粉碎难度大增加。同时，因比表面积及表面能显著增大，微细颗粒相互团聚(形成二次或三次颗粒)的趋势明显增强；对于湿法超细粉碎，这时矿浆的黏度显著提高，矿浆的流动性明显变差。如果不采取一定的工世措施，这时粉碎效率将显著下降，单位产品能耗将明显提高，这就是在超细粉碎过程中必须使物料良好分散以及在某些情况下使用分散剂或助磨剂的背景。
助磨剂是一类显著提高超细粉碎作业效率或降低单位产品能耗的化学物质，它包括不同状态(固态、液态和气态)的有机物和无机物。添加助磨剂的主要目的是提高物料的可磨性，阻止微细颗粒的黏结、团聚和在磨机衬板及研磨介质上的粘附，提高磨机内物料的流动性，从而提高产品细度和细产品的产量，降低粉碎极限和单位产品的能耗。很显然，分散剂也是一种助磨剂，它是通过阻止颗粒的团聚，降低矿浆黏度来起助磨作用的。
在湿式超细粉碎过程中，除了采用分散剂分散或化学分散外，还可采用物理分散的方法，物理分散方法包括以下几种：
①超声分散。将所需分散的超细粉体悬浮体置于超声场中，用适当的超声频率和作用时间加以处理。它包括超声乳化(主要用于分散难溶于液态的药剂和难以相溶的两种或多种液态物质)、超声分散(用于超细粉体在液相介质中的分散，在测量超细粉体粒度时，通常使用超声分散进行预处理)、超声清洗等。
超声波用于超细粉体悬浮体的分散效果虽然较好，但由于其能耗高，大规模使用在经济上还存在很多问题。
②机械搅拌分散。通过强烈的机械搅拌引起液流运动而使超细粉体聚团碎解悬浮。但是在停止搅拌后，分散作用消失，超细粉体可能重新团聚。此外，在超细设备中，转速往往受到一定的限制，因此机械搅拌难以单独完成超细粉碎过程“降黏”的目的。因此，必须采用与化学分散相结合的手段。
化学分散就是通过在超细粉体悬浮体中添加分散剂(无机电解质、表面活性剂、高分子分散剂等)阻止颗粒之间的团聚，达到降低矿浆黏度和物料稳定分散的目的。
2 助磨剂和分散剂的作用原理
关于助磨剂的作用原理主要有两种观点。一是“吸附降低硬度”学说，认为助磨剂分子在颗粒上的吸附降低了颗粒的表面能或者引起近表面层晶格的位错迁移，产生点或线的缺陷，从而降低了颗粒的强度和硬度；同时，阻止新生裂纹的闭合，促进裂纹的扩展。二是“矿物流变学调节”学说，认为助磨剂通过调节矿浆的流变学性质和矿粒的表面电性等，降低矿浆的粘度，促进颗粒的分散，从而提高可流动性，阻止矿粒在研磨介质及磨机衬板上的黏附以及颗粒之间的团聚。
在磨矿时，磨矿区内的矿粒通常受到不同种类应力的作用，导致形成裂纹并扩展，然后被粉碎。因此，物料的力学性质，如在拉应力、压应力或剪切应力作用下的强度性质将决定对物料施加的力的效果。显然，物料的强度越低、硬度越小，粉碎所需的能量就越少。
除了前述颗粒的强度和硬度以及比表面能外，从粉碎工艺来考察，影响粉碎机产量、粉碎产品细度和单位产品能耗的主要因素还有矿浆的粘度，矿粒之间的粘结、聚结或团聚作用，矿粒在研磨介质及磨机衬板上的黏附等等。这些因素都将影响磨机内矿浆的流动性。
因此，在一定程度上改善矿浆的流动性可以明显提高磨矿效率。对此，克兰帕尔（Klimpel）等人进行了大量的实验室和工业试验。结果表明，助磨剂改善了干粉或矿浆的可流动性，明显提高了物料连续通过磨机的速度；物料流动性的提高改善了研磨介质的磨矿作用；助磨剂通过保持颗粒的分散阻止颗粒之间的聚结或团聚。因此，从这个意义上，助磨剂氏能够降低矿浆粘度并提高矿浆流动性的物质。
3 助磨剂及分散剂的种类
按照添加时的物质状态，助磨剂和分散剂可以分为固体、液体、气体三种；根据其物理化学性质，助磨剂和分散剂可以分为有机和无机两种。
固体助磨剂和分散剂：如六偏磷酸钠、三聚磷酸钠、焦磷酸钠、硬脂酸盐类、胶体二氧化硅、炭黑、氧化镁粉、胶体石墨、用于水泥的石膏等。
液体助磨剂：包括各种表面活性剂、高分子聚合物等。如用于石灰石、方解石以及水泥熟料等的三乙醇胺、聚丙烯酸钠、六偏磷酸钠、水玻璃等；用于石英等的甘醇、三乙醇胺；用于滑石的聚羧酸盐；用于硅灰石的六偏磷酸钠等。
表 1 助磨剂和分散剂的种类及应用
| 类型 |
助磨剂和分散剂名称 |
应用 |
液体助磨剂 |
乙醇、丁醇、辛醇、甘醇 |
石英 |
| 甲醇、三乙醇胺、聚丙烯酸钠等 |
方解石等 |
| 乙醇、异丙醇 |
石英、方解石等 |
| 乙二醇、丙二醇、三乙醇胺、丁醇等 |
水泥等 |
| 丙酮、三氧甲烷、三乙醇胺、丁醇等 |
方解石、石灰石 |
| 丙酮 |
铁粉等 |
| 有机硅 |
氧化铝、水泥等 |
| 12～14胺 |
石英、石英岩等 |
| FlotagamP |
石灰石，石英等 |
| 月桂醇、棕榈醇、油醇（钠）、硬脂酸盐 |
石灰石，方解石等 |
| 硬脂酸（钠） |
浮石、白云石、石灰石、方解石 |
| 葵酸 |
水泥、磷镁矿 |
| 环烷酸（钠） |
水泥，石英岩 |
| 环烷基磺酸钠 |
石英岩 |
| 聚二醇乙醚 |
碳化硅、氮化硅等 |
| N－链烷系 |
苏打、石灰 |
| 焦磷酸钠、氢氧化钠、碳酸钠、水玻璃等 |
伊利石、水云母等粘土矿物 |
| 碳酸钠、聚马来酸、聚丙烯酸钠 |
石灰石、方解石等 |
| 氯化钠、氯化铝 |
石英岩等 |
| 六偏磷酸钠、三聚磷酸钠、水玻璃等 |
石英、硅藻土、硅灰石、高岭土、长石、云母等 |
| 六聚磷酸钠 |
硅灰石等 |
| 三聚磷酸钠 |
赤铁矿、石英 |
| 水玻璃，硅酸钠 |
石英、长石、粘土矿、钼矿石、云母等 |
| 三乙醇胺 |
方解石、水泥、锆英石等 |
| 聚羧酸盐 |
滑石等 |
| 碳氢化合物 |
玻璃 |
| 焦磷酸钠、六偏磷酸钠、聚丙烯酸钠等 |
粘土矿物 |
| 硅酸钠、六偏磷酸钠、聚丙烯酸钠等 |
高岭土、伊利石等 |
| 聚丙烯酸（酯） |
高岭土、碳化硅等 |
| 固体助磨剂 |
石膏、炭黑 |
水泥、煤等 |
气体助磨剂 |
二氧化碳 |
石灰石、水泥 |
| 丙酮蒸汽 |
石灰石，水泥 |
| 氢气 |
石英等 |
| 氮气、甲醇 |
石英、石墨等 |
气体助磨剂：如蒸汽状的极性物质（丙酮、硝基甲烷、甲醇、水蒸汽等）以及非极性物质（四氯化碳）等。表1.15是部分实验室及工业细磨或超细磨中应用的助磨剂和分散剂。从结构化学上来说，助磨剂和分散剂应具有良好的选择性分散作用；能够调节矿浆的粘度；具有较强的抗Ca2=、Mg2＋的能力；受pH值的影响较小等等。也即助磨剂和分散剂的分子结构要与细磨或者超细磨系统复杂的物理化学环境相适应。在非金属矿的湿式超细粉碎中，常用的助磨剂和分散剂根据其化学结构有以下三类。
一是碱式聚合无机盐。在这类中，除了用于硅酸盐矿物的粉碎外，一般多聚磷酸盐优于多聚硅酸盐。
二是碱式聚合有机盐，在这类中，常用的是聚丙烯酸盐、胺盐及脂，它受pH的影响较小。
三是偶极－偶极有机化合物。
需要指出的是，对于同一种被磨物料虽然有多种助磨剂和分散剂供选用，但必有一种最好。据G.Farkas等人所进行的研究，在一系列试验的表面活性剂中阴离子表面活性剂SuccinetNF6对于方解石的助磨效果最好；而磺化脂肪酸和脂肪酰胺对于石英的助磨效果最好。S.Sohoni等人的实验研究表明，在三乙醇胺、甘醇、二甘醇、油酸及亚硫酸盐废液、石膏等助磨剂中，三乙醇胺对石灰石的助磨效果最好；而石膏对波特兰水泥的助磨效果最佳。
4 助磨剂和分散剂的选择
在超细粉碎中，助磨剂和分散剂的选择对于提高粉碎效率和降低单位产品能耗是非常重要的。但是，助磨剂和分散剂的作用具有选择性，也即对某种物料可能是有效的助磨剂和分散剂，对于另一种物料可能没有助磨作用甚至起阻磨作用。例如。虽然三乙醇胺对石灰石及水泥熟料有较好的助磨效果，但是对于石英几乎没有助磨效果或者助磨效果很小，而0.1％的油酸钠甚至对石英的磨矿起副作用。
选择助磨剂和分散剂时，首先要考虑被磨物料的性质。由于前人已经做了大量的试验研究和文献总结工作，我们可以从有关文献资料中查阅到适用于待磨物料的助磨剂和分散剂，然后进行比较实验；其次要考虑粉碎方式和粉碎环境，如干法粉碎还是湿法粉碎。在某些干法作业中可能选用某些气体助磨剂更方便和效果更好；第三要考虑助磨剂和分散剂的成本和来源，如果成本太高、来源很少，即使作为助磨剂效果很好也应该慎用；第四要考虑助磨剂对后续作业的影响，如选矿分离作业、分级、过滤脱水乃至干燥作业等；最后一个因素是对环境的影响，选用的助磨剂和分散剂必须满足环保要求，不污染环境和危害工人健康。
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