（中国粉体技术网/班建伟）超细粉体的制备,在现代材料产业中发挥着越来越重要的作用。而材料的破碎对能源的消耗非常大。据统计,在现代工业中,约80%的能源被用于材料的破碎和粉磨。实践证明:在对材料进行粉碎和破碎时,采用适当的助磨剂可以提高研磨产量、降低能耗。但是,由于助磨剂的作用效果具有明显的选择性,不同种类的物料,所需要的助磨剂的种类、用量和用法均有所不同。
1 助磨剂概述
助磨剂是在磨碎过程中向磨机系统添加的化学药剂的总称。其作用主要是提高磨矿效率、加快矿石颗粒的破碎速度,并由于药剂的分散作用,而改变矿浆的流变学特征,有的还可以对钢球和衬板起缓蚀作用,最终达到降低能耗、钢耗和进行选择性磨碎的目的。
关于助磨剂的作用机理目前主要有以下两种观点。一是“吸附降低硬度”学说,首先由列宾捷尔(Rehbinder)和维斯特沃德(West-wood)提出,称之为“Rehbinder”或“West-wood”效应。该学说认为助磨剂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“矿浆流变学调节”学说,由克兰帕尔(Klimpel)等人提出。该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,从而提高矿浆的可流动性,阻止矿粒在介质和衬板上的粘附以及颗粒之间的团聚。
在物料粉碎过程中,物料通常受到不同种类应力的作用,导致物料形成裂纹并扩展,然后被粉碎。根据格里菲斯定律,脆性断裂所需的最小应力与物料的比表面能成正比。显然,降低颗粒的表面能,可以减小使其断裂所需的应力。从颗粒断裂的过程来看,助磨剂分子在新生表面的吸附可以减小裂纹扩展所需的外应力,促进裂纹的扩展。所以,从这一点上说,能够降低固体表面能的化学物质可以降低颗粒的强度,因而可以提高粉碎效率或降低粉碎能耗。
除了上述颗粒的强度和硬度外,从粉碎工艺考虑,影响研磨效率和能耗的主要因素还有矿浆质量分数、粘度以及物料的分散状态、物料与研磨介质及磨机衬板之间的作用等等。这些因素都影响磨机内物料的流动性。因此,在一定程度上改善磨机内物料的流动性可以提高粉碎效率。
助磨剂改善了干粉或料浆的可流动性,明显改善了物料连续通过磨机的速度,因而影响物料粉碎工艺过程;此外,流动性的改善还影响颗粒在磨机中的分布及研磨介质的研磨作用；助磨剂的存在通过其保持颗粒之间良好的分散性阻止颗粒之间的相互团聚或粘结。从这个意义上讲,助磨剂是能够降低矿浆粘度并提高矿浆流动性的物质。
2 助磨剂的应用研究现状
助磨剂在实际应用时,除了要求合适的助磨剂品种外,助磨剂的用量对助磨效果有很重要的影响,用量较小时,助磨效率不明显;用量太大时,不仅不能起到助磨的作用,还有可能起到“阻磨”的作用。因此,客观上要求对各种不同物料的不同助磨剂及其用量进行试验研究。在考虑品种和用量的前提下,还应考虑其经济性、环保要求(无毒、无污染)以及研磨产品的质量要求。
刘春明等曾对助磨剂的开发与研究进展进行了综述。指出助磨剂的作用有助磨作用、分散作用、降粘作用、缓释作用及选择性磨矿作用。可以用作助磨剂的物质很多,按物质状态可以分为固体、液体和气体助磨剂。固体助磨剂主要有硬脂酸盐类、胶体二氧化硅、炭黑、氧化镁粉、胶体石墨以及石膏等。液体助磨剂包括表面活性剂、分散剂等,如三乙醇胺、聚丙烯酸酯、甘醇、聚羧酸盐、甲醇、乙醇、异戊醇等等。气体助磨剂包括丙酮、硝基甲烷、甲醇、水蒸气以及四氯化碳等等。
起初的助磨剂研究主要集中在水泥和磷肥生产过程助磨方面。生产水泥需要经过生料的粉碎、熟料烧成和水泥的粉碎等过程。大量的能源被用于水泥生产过程的物料粉磨。因此,寻求合适的、经济性好的助磨剂对于降低水泥生产的能耗、降低生产成本有十分重要的意义。经常用于水泥粉磨的助磨剂有煤、焦炭等炭素物质,以及表面活性剂物质,如亚硫酸盐纸浆废液、三乙醇胺下脚料、醋酸钠、乙二醇、丙二醇及其与尿素的复合助磨剂等。
粉磨水泥时,使用炭素物质的量不能超过1%,立窑厂磨制黑生料时,无严格限制。当用亚硫酸盐纸浆废液的浓缩物时,其加入量为0.15%～0.25%,加入过多会影响水泥的早期强度;当用三乙醇胺下脚料时,一般加入量为0.05%～0.1%,在水泥细度不变的情况下,可以消除细粉的粘附现象,提高粉体之间的分散性,使产量提高10%～20%,还有利于水泥早期强度的发挥。但是加入量过多会影响水泥强度。
曾冬铭等研究了用无机矿物作载体的AS复合助磨剂,该助磨剂克服了有机助磨剂在高温、干燥环境下被分解而失效的难题。试验及应用表明,该复合助磨剂能使水泥磨产量提高25%左右,单位电耗降低20%左右,早期强度提高25%左右,同时可大幅度增加矿渣的掺量,使水泥生产成本降低。
姚丕强等报道了一种水泥高效助磨剂———9911系列高效助磨剂。工厂的生产实验结果表明,该助磨剂可以使水泥的台时产量提高20%左右,同时水泥的强度也有所提高。江朝华等对硅酸盐类水泥用助磨剂进行了试验研究。他们用A(醇类强极性分子)、B(酸类强极性分子)、C(醇胺类强极性分子)等三种小极性分子作为普通硅酸盐水泥、矿渣水泥、粉煤灰水泥的助磨剂进行了试验研究。结果表明,三类助磨剂都可以提高这些水泥品种的流动性,有很好的助磨作用。
杨华明等对搅拌磨超细粉碎滑石的工艺进行了试验研究,研究表明,使用介质搅拌磨可以生产平均粒径小于1μm的超细滑石粉。该工艺使用六偏磷酸钠为助磨剂。助磨剂的存在使滑石粉表面的ξ电位负的更大,增加了粉体之间的排斥力,促进了粉体颗粒之间的分散。
吴一善等对滑石粉碎过程中助磨剂种类对研磨效果的影响进行了试验研究。结果表明,三乙醇胺是滑石湿磨的最佳助磨剂,具有分散作用的丙酮、乙醇也可以作为滑石的助磨剂;三乙醇胺和乙醇混合使用则不如单独使用;三乙醇胺主要通过降低矿浆粘度、改变矿浆流变性,从而提高磨矿效率,同时,三乙醇胺还具有提高滑石颗粒分散性的作用。
杜高翔等对使用搅拌磨超细粉碎水镁石粉时助磨剂的应用效果进行了试验研究。试验中分别选用9400分散剂(主要成分为聚丙烯酸盐)、WP-19分散剂(阳离子型羧酸共聚物)、5060分散剂(丙烯酸与丙烯酸酯共聚物)、乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺等作为助磨剂在相同的实验条件下进行比较,结果表明三乙醇胺的助磨效果最好。三乙醇胺用量试验的结果表明,三乙醇胺用量为水镁石质量的0.5%时,助磨效果最佳。
胡永平等对助磨剂在白土矿物磨矿中的应用进行了研究。结果表明,助磨剂的作用效果依次为:石油磺酸钠>TF279>三乙醇胺>油酸钠。当石油磺酸钠的用量为0.155%时,其-500目产率可由76.5%提高到84.9%。另外,NaOH、碳酸钠和六偏磷酸钠等对白土矿物也有一定的助磨效果。
P.B.Rajendran Nair等研究了间歇式搅拌磨超细粉碎方解石的过程中助磨剂的作用。他们将硬脂酸钙添加到研磨体系中,测试研磨样品的堆积密度、内摩擦角等参数。研究结果表明,所得样品的堆积密度因助磨剂的存在而有所增加,而内摩擦角、压缩系数、有效摩擦角、拉伸强度等参数则有所减小。且这种变化随着超细粉碎的进一步进行而更加明显。
Laurence Godet-Morand等对对撞式气流磨超细粉碎滑石进行了研究。研究结果显示,在超细研磨过程中,使用液体助磨剂A、A+B、A+C对提高滑石的粉碎速率和降低研磨产品粒度都有影响。其中A为最佳助磨剂。而单独添加助磨剂C对滑石的研磨过程和产品粒度几乎没有影响。
C.Frances等分析了间歇式球磨机的湿式研磨过程。分析结果表明,使用间歇式球磨机对氢氧化铝粉进行研磨时,使用偏磷酸钠作为助磨剂有较好的效果。
M.Hasegawa等系统地分析了液体助磨剂对干法粉碎石英的助磨效果,并对助磨剂的作用机理进行了分析。试验中所用的助磨剂为几种醇类和乙二醇类有机液体。结果表明,几种醇类和乙二醇类有机物液体对石英的研磨细度有明显的影响,加入助磨剂后研磨出的超细石英粉的最大比表面积较没有加助磨剂的产品大。而甘油和水对石英没有助磨作用。
徐政等对重钙湿式振动超细磨中助磨剂的应用进行了研究,通过对-325目重钙在振动磨中的试验研究表明,所选4种助磨剂都有一定的助磨效果,但以六偏磷酸钠和X2的助磨效果最佳,其最佳用量为0.5%,最适宜的磨矿质量分数为60%。同时还发现,助磨剂的用量有一个适用范围,当用量超过这个范围时,助磨效果就会变差。
3 结语
粉体的制备在现代工业、经济和生活中发挥着越来越重要的作用。经过系统的实验研究,选择价格低廉、助磨效果好、不影响粉体材料使用性能的助磨剂,可以降低产品能耗,提高产品质量和产量。我们应该在前人研究的基础上,继续进行助磨剂的作用规律和机理等方面的研究工作,以期更好地提高粉体加工的效率和降低能耗。
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