文 | 張偉 張明玖

助磨劑是一類化學(xué)外加劑，在水泥的粉磨過程中摻入少量或微量的這種物質(zhì)即可提高粉磨效率。助磨劑的作用就是消除或降低阻礙粉磨工作正常進(jìn)行出現(xiàn)的現(xiàn)象：水泥細(xì)顆粒粘附在研磨介質(zhì)、部件所形成的包裹層及覆蓋層。從宏觀和微觀方面分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的因素有以下幾點(diǎn)：①粉磨產(chǎn)生的水泥細(xì)顆粒吸附一層空氣薄膜，每個(gè)單獨(dú)的顆粒都是這樣的。這層薄膜可能有阻止這些顆粒結(jié)合的傾向，當(dāng)這層薄膜被破壞之后，這些顆粒通過吸附而結(jié)合聚積。②固體表面上的原子或原子團(tuán)的價(jià)鍵可能是不完全飽和的，因而在固體表面上形成不均勻場(chǎng)而形成表面能力。③靜電：磨機(jī)內(nèi)的細(xì)微顆粒在粉磨力周期性作用下，產(chǎn)生游離電荷或自由價(jià)鍵，使顆粒帶有正負(fù)電荷。④在磨機(jī)操作過程中，物料及其溫度、研磨介質(zhì)及部件表面的粗糙程度會(huì)使包層、聚積的形成加劇。⑤粉磨極限時(shí)，物料達(dá)到質(zhì)量均勻狀態(tài)，難以進(jìn)一步粉磨細(xì)；粉磨達(dá)到一定程度，如很強(qiáng)的過粉磨情況出現(xiàn)，顆粒的二次結(jié)合引起的顆粒團(tuán)聚、聚集。那么助磨劑能夠改善粉磨的作用機(jī)理是什么的？

1、助磨劑的作用機(jī)理的若干觀點(diǎn)

國內(nèi)外較為知名和有影響力的專家學(xué)者及其觀點(diǎn)學(xué)說有：合肥水泥工業(yè)研究設(shè)計(jì)院朱憲伯等提出的“薄膜假說”。鹽城工學(xué)院蔡安蘭、南京工業(yè)大學(xué)江朝華的“中和未飽和電價(jià)鍵，防止聚集，提高粉磨速度、流動(dòng)性”的觀點(diǎn)。華南理工大學(xué)盧迪芬、魏詩榴的“平衡顆粒表面過剩價(jià)鍵、降低顆粒表面能”的觀點(diǎn)。國外助磨劑理論的代表人物是(Rehbinder)列賓捷爾和（Mardulier）馬杜里。列賓捷爾的學(xué)說是強(qiáng)度理論（或稱吸附降低強(qiáng)度學(xué)說、強(qiáng)度削弱理論）。馬杜里的學(xué)說是分散理論（或稱顆粒分散理論、粉體流變學(xué)說）。

1.1 薄膜假說

用作助磨劑的表面活性分子，在磨細(xì)的顆粒表面形成一單分子吸附薄膜，從而減少了細(xì)顆粒間的聚集及細(xì)顆粒與研磨介質(zhì)何部件間的粘糊，提高了粉磨效率。根據(jù)薄膜假說，隨著水泥比表面積的增加，形成單分子吸附薄膜的助磨劑用量增加，即水泥磨得越細(xì)，所需助磨劑的用量越多。對(duì)于同類型的助磨劑，分子量和密度越小，則形成單分子吸附膜所需要的量就越小，或者說是在摻量相同時(shí)，其助磨作用就越強(qiáng)，因此可以用分子量與密度乘積的倒數(shù)來衡量判斷同類性質(zhì)助磨劑助磨作用的大?。辉陬w粒表面形成的單分子吸收薄膜，起潤滑劑的作用，降低顆粒間的摩擦力，極大地改善了水泥的流動(dòng)性，表現(xiàn)為磨內(nèi)物料流速加快，水泥粉磨中，產(chǎn)品越細(xì)，表現(xiàn)為每個(gè)顆粒的表面積越小，就更容易形成完整的單分子薄膜，增強(qiáng)助磨作用，這就是助磨劑對(duì)高細(xì)水泥的助磨效果比非高細(xì)水泥更為顯著的解釋；物料種類不同，其特性也不同，表現(xiàn)為在顆粒表面的性質(zhì)也是不同的，因而同一種助磨劑在顆粒表面形成的單分子薄膜的能也就不同，自然就導(dǎo)致同一助磨劑對(duì)不同種類的物料的助磨效果產(chǎn)生差異。目前，盡管對(duì)單分子薄膜的理論（假說）有待深入研究，如它的實(shí)際存在和性質(zhì)，但用此來解釋一些粉磨中的助磨作用，還是很有說服力的。

1.2 顆粒流動(dòng)性觀點(diǎn)

助磨劑吸附顆粒表面而能減輕粘附包層，增加細(xì)摻量，提高粉磨效率：（1）助磨劑吸附于顆粒表面時(shí)，引起顆粒表面特性的許多變化，列賓捷爾發(fā)現(xiàn)當(dāng)助磨劑存在時(shí)，物質(zhì)的表面硬度以及強(qiáng)度發(fā)生了改變，隨著物質(zhì)表面吸附量的增加，耐磨力下降；在完全吸附時(shí)，耐磨能力最小。研磨是個(gè)表面現(xiàn)象，表面硬度的減小，無疑有助于這個(gè)過程的進(jìn)行，故加入助磨劑后細(xì)度提高，細(xì)粉量增加。（2）隨著粉磨過程的進(jìn)行，由于各種力的影響，顆粒有團(tuán)聚成較大顆粒的傾向。團(tuán)聚的根源是粉碎所截?cái)囝w粒內(nèi)部的共價(jià)鍵，大于水泥熟料而言，所涉及的就是Si-O共價(jià)鍵和Ca-O間的離子鍵，由于后者的單鍵鍵能較小，顆粒的斷裂首先是大量地發(fā)生在Ca-O離子鍵上，由于離子鍵的斷裂，產(chǎn)生了電子密度的差異，斷后兩側(cè)出現(xiàn)一系列交錯(cuò)的Ca2+和O2-的活性點(diǎn)。它們會(huì)彼此吸引，使斷裂面趨于復(fù)合。助磨劑可以提供外來離子或分子去滿足斷開面上未飽和電價(jià)鍵，消除或減弱聚集的趨勢(shì)、阻止斷裂面的復(fù)合。沒有了團(tuán)聚，用于粉碎團(tuán)聚起來的粒子的能量可以用粉碎單個(gè)顆粒，使顆粒達(dá)到更細(xì)的狀態(tài)。引力減小，使得顆粒具有更好的分散性，從而使流動(dòng)性增加，減少或防止了粘球、糊球現(xiàn)象，提高了粉碎效率。（3）在球磨機(jī)里，球和物料之間相互作用導(dǎo)致顆粒尺寸減小，因此粉磨速度和這種作用的頻率和效率成正比。任何一種能夠改進(jìn)球和物料相互作用的頻率和效率的方法都有助于粉磨。助磨劑使物料的流動(dòng)性顯著性增加，物料的流動(dòng)性增加使顆粒很快達(dá)到粉磨區(qū)域，因而增加了顆粒在鋼球或磨機(jī)內(nèi)壁捕獲率，提高了粉磨速度，提高了粉磨效率。助磨劑吸附顆粒表面而能中和未飽和電價(jià)鍵，減小表面硬度、防止顆粒斷裂面愈合及顆粒聚集、提高粉磨速度、流動(dòng)性，增加細(xì)粉量，提高粉磨效率。

1.3 顆粒表面能觀點(diǎn)

（1）物料的粉碎意味著顆粒內(nèi)部的價(jià)鍵被切斷，在斷裂面上出現(xiàn)不飽和的價(jià)鍵，形成帶有電荷的結(jié)構(gòu)單元或帶有不配對(duì)的電子的游離基。助磨劑是極性物質(zhì)，具有不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，正、負(fù)電荷重心不重合，形成偶極矩。在力場(chǎng)中偶極矩隨力場(chǎng)的方向取向。因此助磨劑在粉碎中起著防止聚結(jié)或分散的作用。

（2）根據(jù)近代的材料脆斷破壞觀點(diǎn)，裂紋的存在和擴(kuò)張導(dǎo)致斷裂。促成斷裂產(chǎn)生的物料條件是力或能量。當(dāng)物料顆粒受外力作用時(shí)，在裂紋尖端處呈現(xiàn)局部應(yīng)力集中。當(dāng)拉應(yīng)力超過物質(zhì)分子的引力時(shí)，則裂紋擴(kuò)展。如斷紋繼續(xù)擴(kuò)展就產(chǎn)生新表面，使表面自由能增加。因此助磨劑在粉碎當(dāng)中起著削弱固體強(qiáng)度的作用，使粉碎容易進(jìn)行，有利于粉磨細(xì)度和粉碎效率的提高。因此助磨劑也是一種“軟化劑”。

1.4 “強(qiáng)度削弱理論”與“顆粒分散理論”

列賓捷爾的“強(qiáng)度削弱理論”、馬杜里的“顆粒分散理論”是助磨劑起助磨作用機(jī)理的經(jīng)典學(xué)說，形成于上世紀(jì)三十年代和六十年代。列賓捷爾早在1931年就提出了 “強(qiáng)度削弱理論”，他在鉆削花崗巖、石英巖一類硬質(zhì)巖石時(shí)，加入了某種電解質(zhì)的表面活性劑，使鉆透速度提高了20%-60%，他認(rèn)為電解質(zhì)或表面活性劑在巖石晶體表面上吸附，使界面處的晶格內(nèi)聚力降低，即吸附使界面張力降低，列賓捷爾理論認(rèn)為助磨劑吸附在顆粒表面上，繼而能夠滲入顆粒固有裂縫及在外力下新形成的裂縫，擴(kuò)大這些裂縫，并阻止裂縫復(fù)合，改變顆粒表面的結(jié)構(gòu)，降低了顆粒的強(qiáng)度和硬度，使得顆粒更易粉碎，提高了粉碎效率。馬杜里的顆粒分散理論認(rèn)為助磨劑作為表面活性劑，對(duì)顆粒表面的電荷起平衡作用，可以顯著減小或消除顆粒間的粘附和團(tuán)聚，增加了顆粒的流動(dòng)性，提高粉磨效率。

1.5 其它觀點(diǎn)

安徽理工大學(xué)的竇彥彬認(rèn)為：在水泥粉磨過程中物料顆粒到外力作用時(shí)物料顆粒被逐漸粉碎，而物質(zhì)顆粒的粉碎則意味著物質(zhì)化學(xué)鍵的拆斷和重新組合、隨著顆粒不斷破碎和顆粒斷裂面的生成，顆粒的表面上出現(xiàn)不飽和的價(jià)鍵并帶有正負(fù)電荷的結(jié)構(gòu)單元，使顆粒處于亞穩(wěn)定狀態(tài)的高能狀態(tài)，在條件合適時(shí)斷裂面重新粘合或者顆粒與顆粒再聚合起來結(jié)成大顆粒，因此粉碎過程是一種分散與聚合的可逆反應(yīng)。在水泥粉碎過程中，摻入適量的助磨劑，則助磨劑吸附在物料表面上，使斷裂面上的價(jià)鍵力得到飽和、顆粒間的附聚力得到屏蔽，即屏蔽了水泥顆粒的一些帶電活性點(diǎn)，使其電荷性質(zhì)趨于平衡，從而避免了細(xì)物料的再聚合和細(xì)粉的糊球、粘磨現(xiàn)象。在水泥粉碎過程中助磨劑的分子能進(jìn)入到水泥顆粒的裂縫中，靠其表面的活性作用幫助裂縫的擴(kuò)展并防止微小裂縫在外力打擊下的重新愈合，從而提高水泥的粉磨效果。

固體物料在粉碎過程中，如果不加助磨劑，磨細(xì)到幾十微米以下時(shí)，粒子很小，比面積很大，系統(tǒng)有很大的表面能處于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)，這時(shí)只能靠表面自動(dòng)變小，即顆粒團(tuán)聚變大來降低表面能。如果在粉碎過程中摻加了助磨劑，助磨劑分子會(huì)自動(dòng)吸附到分子表面，降低表面能，屏蔽顆粒上的電荷，阻止小粒子的團(tuán)聚，增加物料的流動(dòng)性，強(qiáng)化了粉磨效率。

2、簡要評(píng)述

依據(jù)對(duì)各種學(xué)說的理解，筆者認(rèn)為：一種物質(zhì)能夠自動(dòng)吸附在另一種物質(zhì)上，這是物質(zhì)間發(fā)生的吸附現(xiàn)象，助磨劑隨物料共同加入磨機(jī)中，在粉磨粗磨階段粘附顆粒表面并進(jìn)入物料顆粒的裂縫，使顆粒裂縫擴(kuò)張、降低顆粒強(qiáng)度、提高粉磨速度。繼續(xù)粉磨，輸入的能量使顆粒表面裂縫延伸擴(kuò)展而加大，內(nèi)部有缺陷的地方產(chǎn)生新的裂縫，物料就能夠粉磨的更細(xì)。由于繼續(xù)不斷的輸入能量或施加外力在顆粒上，又由于顆粒本身表面自由能的增加，細(xì)粉顆粒上的裂縫會(huì)復(fù)合，破裂的顆粒表面也會(huì)出現(xiàn)不飽和價(jià)鍵，且?guī)в姓?fù)電荷的結(jié)構(gòu)單元，這時(shí)可能出現(xiàn)顆粒的團(tuán)聚。加入助磨劑的作用是助磨劑分子吸附在細(xì)顆粒表面，形成薄膜—單分子膜吸附到顆粒的表面，包括顆粒斷裂形成而形成的裂縫內(nèi)壁表面。助磨劑是表面活性很高的化學(xué)物質(zhì)，在顆粒表面能夠平移不飽和鍵、消除電荷，結(jié)果是降低了顆粒表面能，降低顆粒間相互吸引的作用力。表面能的降低則可避免顆粒團(tuán)聚、裂縫復(fù)合?？傊┓肿优c物料接觸、粘附在顆粒表面，因其較高的表面活性、降低顆粒表面能、顆粒分散度加大、流動(dòng)性改善。顆粒裂縫因助磨劑分子的契入作用，顆粒強(qiáng)度下降，容易粉磨了。綜合效果表現(xiàn)為粉末速度加快、粉磨效率提高。

3、結(jié)束語

通過對(duì)助磨劑起助磨作用機(jī)理各種學(xué)說的認(rèn)識(shí)和理解，認(rèn)為物料本身固有的裂縫和結(jié)構(gòu)上的缺陷是物料被粉碎的基本條件。外力機(jī)械設(shè)備的研磨介質(zhì)和部件作用物料，物料受力而被粉碎。破碎的物料因受力破碎而帶有電荷或不飽和價(jià)鍵，造成裂縫復(fù)合和顆粒團(tuán)聚。顆粒的表面能的增加，抵消或超過機(jī)械粉碎力時(shí)進(jìn)一步粉碎的難以進(jìn)行。因此外力是一定程度和階段上粉碎物料的主導(dǎo)因素。顆粒難以進(jìn)一步的粉碎狀態(tài)，即所謂的“質(zhì)量均勻”狀態(tài)時(shí)，加入表面活性物質(zhì)，在消除顆粒表面能，首先消除顆粒因自身釋放表面能引起的團(tuán)聚，進(jìn)一步防止顆粒表面能的形成、顆粒呈良好分散狀態(tài)，同時(shí)活性化學(xué)物質(zhì)進(jìn)入顆粒裂縫，使其擴(kuò)展加大易于粉碎。助磨劑就成為粉碎過程中，尤其是細(xì)粉磨中的提高粉磨效率的關(guān)鍵因素。