張印民，赫軍凱，劉欽甫，張士龍

（中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083）

高嶺土作為一種重要的非金屬礦，廣泛的應(yīng)用在橡膠、塑料、涂料、造紙等領(lǐng)域。高嶺土經(jīng)過細(xì)化后可以作為化工填料，顯著提高產(chǎn)品的檔次和附加值[1-7]。因此，粒度是高嶺土產(chǎn)品重要的性能指標(biāo)之一，直接影響著產(chǎn)品的應(yīng)用性能。磨剝法是非金屬礦濕法超細(xì)粉碎中常用的技術(shù)，它是借助于研磨介質(zhì)在水中的相對運動，相互間產(chǎn)生剪切、擠壓、沖擊和磨剝作用，使較大的疊層剝開，并趨向于單個晶體的磨礦技術(shù)[8]。

本文選取張家口高嶺土，利用介質(zhì)攪拌式磨剝機對樣品進(jìn)行磨剝，采用激光粒度儀分析了高嶺土漿液濃度、介質(zhì)球的粒度、高嶺土與介質(zhì)球質(zhì)量比和磨剝時間等諸因素對高嶺土的粒度的影響，并對高嶺土原樣和磨剝后的樣品做了SEM分析對比。從而得到了最佳的高嶺土磨剝條件。

1 試驗部分

1.1 試驗原料及試劑

試驗用高嶺土來自河北張家口，高嶺石含量95%，325目，化學(xué)分析(%)為：SiO244.64、Al2O338.05、TFe2O30.22、TiO21.13、MnO 0.002、MgO 0.06、CaO 0.11、Na2O 0.27、K2O <0.1、 P2O50.13、LOI 15.06；分散劑：聚丙烯酸鈉，兗州鴻麟化輕有限公司；氫氧化鈉：分析純，兗州鴻麟化輕有限公司；介質(zhì)球：硅酸鋯，蘇州化聯(lián)；蒸餾水。

1.2 試驗儀器

攪拌器：DJIC-電力增強攪拌器；磨剝機：GF-1100實驗多用分散機，江蘇省江陰市雙葉機械有限公司；激光粒度測試儀：馬爾文MS-2000型激光粒度測試儀，馬爾文儀器公司；掃描電子顯微鏡：S4800冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡。

1.3 試驗方法

將高嶺土與蒸餾水按一定的比例混合，加入高嶺土干粉質(zhì)量的0.5%的聚丙烯酸鈉分散劑。高嶺土懸浮液的初始pH值為8.57左右，調(diào)節(jié)pH值到10。然后用攪拌器攪拌20min，將高嶺土漿液加入到磨剝機中進(jìn)行磨剝，測試其粒度。

2 結(jié)果與討論

2.1 高嶺土泥漿固含量的影響

選取介質(zhì)球質(zhì)量3.5kg，粒度0.8～1.0mm，磨剝時間分別為30、45、60min，測試高嶺土漿液固含量分別為40%、45%、50%時，高嶺土漿液中顆粒D(V,0.9)的粒度變化，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同固含量的高嶺土顆粒D(V,0.9)的粒度變化

從圖1可以看出，各個濃度的高嶺土漿液的顆粒粒度隨著時間的延長呈下降趨勢，但是趨勢逐漸緩慢。高嶺土顆粒的D(V,0.9)粒度在固含量為45%時最小，粒度為3.086μm，和濃度為40%的粒度相差不大。但當(dāng)濃度從45%增大到50%時，粒度增加較大。分析認(rèn)為當(dāng)高嶺土漿液濃度較大時，在相同的時間內(nèi)高嶺土顆粒不能夠充分與介質(zhì)球接觸作用，高嶺土顆粒磨剝不充分，造成高嶺土漿液的顆粒較大。延長磨剝的時間會使高嶺土漿液的粘度增大，不利于后期的噴霧干燥。因此選取高嶺土漿液的濃度為40%～45%。

2.2 介質(zhì)球粒度的影響

選取介質(zhì)球的粒度范圍：LQ-1為0.4～0.6mm；LQ-2為0.6～0.8mm；LQ-3為0.8～1.0mm；LQ-4為1.0～1.2mm；LQ-5為混合粒度(0.6～0.8mm∶0.8～1.0mm∶1.0～1.2mm=1∶3∶1)。選取高嶺土的漿液質(zhì)量3.5kg、濃度40%。磨剝時間30、45、60min，測試不同粒度介質(zhì)球在磨剝過程中高嶺土漿液中顆粒D(V，0.9)粒度的變化，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同粒度的介質(zhì)球磨剝時高嶺土顆粒D(V,0.9)的粒度變化

從圖2可以看出，隨著介質(zhì)球粒度的增大，高嶺土漿液的顆粒粒度先是變大后逐漸減小，但是當(dāng)顆粒粒度為1.0～1.2mm時，顆粒粒度反而增大，混合粒度的高嶺土漿液的顆粒粒度較1.0～1.2mm減小。介質(zhì)球粒度為0.8～1.0mm時，高嶺土漿液的顆粒粒度最小，為3.063μm。

分析認(rèn)為，根據(jù)Griffithd定律[2]，顆粒斷裂所需的最小應(yīng)力為σ=(4Yγ/L)1/2，高嶺土顆粒在磨剝過程中，介質(zhì)球與其接觸作用，顆粒吸收機械能，表面能和比表面積增大，相鄰原子間的鍵力發(fā)生斷裂，顆粒的粒度降低。因此，介質(zhì)球的粒度大小影響顆粒所受應(yīng)力作用程度的大小，直接決定著顆粒所吸收機械能的多少，影響著顆粒的表面能和比表面積，從而影響顆粒粒度的大小。

2.3 介質(zhì)球質(zhì)量的影響

選取高嶺土漿液的質(zhì)量為3.5kg，選取介質(zhì)球的粒度為0.8～1.0mm，磨剝時間分別為30、45、60min，測試質(zhì)量為3.0、3.5、4.0、4.5kg的介質(zhì)球在磨剝過程中高嶺土漿液中顆粒D(V，0.9)的粒度變化，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同質(zhì)量介質(zhì)球磨剝時高嶺土顆粒D(V，0.9)的粒度變化

從圖3可以看出，磨剝時間為45min和60min，當(dāng)介質(zhì)球的質(zhì)量在3.5kg時，高嶺土漿液中顆粒粒度均達(dá)到最小值，當(dāng)介質(zhì)球的質(zhì)量再增加時，顆粒的粒度逐漸增大。分析認(rèn)為，當(dāng)介質(zhì)球質(zhì)量過大時，磨剝過程中介質(zhì)球運動以及介質(zhì)球之間的互相作用耗費了過多的機械能，從而使高嶺土顆粒吸收的機械能減少，顆粒的表面能和比表面積減小，顆粒粒度增大。

2.4 磨剝時間的影響

選取測試在磨剝時間為60、90、120、135、150min時漿液中高嶺土顆粒D(V,0.9)的粒度變化，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同磨剝時間高嶺土顆粒D(V，0.9)的粒度變化

從圖4可以看出，隨著時間的增加，高嶺土顆粒粒度不斷減小。這是由于高嶺土顆粒隨著時間延長不斷吸收機械能，顆粒的表面能和比表面積增大，顆粒粒度減小，顆粒的粘度增加，但不利于后期的噴霧干燥，同時隨著粒度的減小，顆粒的晶體均勻性增加，表面能和斷裂能增大。隨著磨剝時間的繼續(xù)增加，顆粒粒度減小的緩慢，趨于粉碎極限[3]。因此選取磨剝時間為120min。

3 SEM分析

采用掃描電子顯微鏡觀察了高嶺土原樣和在最佳磨剝條件下的樣品的微觀結(jié)構(gòu)形貌，如圖5所示。

圖5 高嶺土樣品的SEM照片

從圖5(a)中可以看出，高嶺土原樣具有高嶺石典型的層狀結(jié)構(gòu)，但是其片層都沒有分開，顆粒的粒度比較大，粒度分布也不均勻；從圖5(b)可以看出磨剝后樣品的片層已經(jīng)分開，顆粒的粒度較小而且粒度分布也比較均勻，與激光粒度儀的測試結(jié)果相符。

4 結(jié)論

采用磨剝法對高嶺土漿液進(jìn)行了磨剝，利用激光粒度儀分析了高嶺土漿液濃度、介質(zhì)球粒度、介質(zhì)球與高嶺土漿液質(zhì)量比以及磨剝時間對高嶺土顆粒粒度的影響，從而得出了最佳的磨剝條件：高嶺土漿液濃度為40%～45%、介質(zhì)球粒度0.8～1.0mm、高嶺土與介質(zhì)球的質(zhì)量比1∶1、磨剝時間120min。對高嶺土原樣和磨剝后的樣品進(jìn)行了掃描電鏡分析對比，磨剝后的樣品微觀結(jié)構(gòu)中片層分開，顆粒的粒度減小而且分布均勻。

[1]李寶智,徐星佩.煅燒高嶺土表面改性[J].非金屬礦,2002,25(S1):48-49.

[2]韓躍新,印萬忠.礦物材料[M].北京:科學(xué)出版社,2006:60-70.

[3]陳福,趙恩錄,張文玲,等.納米高嶺土的制備方法及應(yīng)用展望[J].陶瓷,2007(5):9-13.

[4]韓煒,陳敬中,嚴(yán)春杰,等.高嶺土深加工研究方向及其納米化探討[J].礦產(chǎn)綜合利用,2003(4):27-28.

[5]FRANCO F,RUIZ CRUZ M D.Factors influencing the intercalation degree('reactivity')of kaolin minerals with potassium acetate,formamide,dimethylsulphoxide and hydrazine[J].Clay Minerals,2004,39(2): 193-205.

[6]牛美娜.插層—分解法剝離高嶺土[D].北京:北京化工大學(xué),2006.

[7]程宏飛,劉欽甫,王陸軍,等.我國高嶺土的研究進(jìn)展[J].化工礦產(chǎn)地質(zhì),2008,30(2):125-128.

[8]張印民,劉欽甫,赫軍凱,等.高嶺土插層—剝片的研究進(jìn)展[J].中國非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊,2010(2):11-14.

[9]楊華明,邱冠周.超細(xì)粉碎過程助磨劑的作用機理[J].中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2000,31(5):400-402.

[10]金葉玲.凹凸棒石的性能及其在聚氨酯革中的應(yīng)用[D].南京:南京工業(yè)大學(xué),2004.