具有助磨作用的陶瓷添加剂

具有助磨作用的陶瓷添加剂

众所周知，原材料薄磨是一项能耗低效率的操作过程。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、弹性和塑性变形及噪声目前,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。1助磨剂1.1助磨剂的分类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助磨剂的作用机理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:①降低破碎能;②增加脆性断裂机率以防止塑性变形;③阻止细颗粒的絮凝和再聚集,强化分散;④调整矿浆的流变特性。2实验过程2.1石英砂的选择选用宁村瓷石和石英砂作为研究对象。它们的化学组成见表1、表2。2.1.1酒石的混合比例实验方案如下:高铝瓷球9.05(a),大中小配比为0.8∶1∶1;混合均匀的粒径小于4(f)的瓷石500g;用MXQ-240×90锥形球磨机球磨25min;浆料固体含量60%;添加剂用量0.1%～1.0%。2.1.2石英砂的混合比例实验方案如下:高铝瓷球8.5(a),大中小配比:0.8∶1∶1;混合均匀的粒径小于4(f)的石英砂500g;用MXQ—240×90锥形球磨机球磨40min;浆料固体含量60%;添加剂用量0.1%～1.0%。2.2建立单次累积分布用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(μm)”作为横坐标,“累积分布率(%)”作为纵坐标,输入HARVARD软件的制图表格中,绘制出颗粒的累积通过分布曲线。3不同添加剂的联合磨效果的比较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助磨剂的用量从图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前3条要差;从表3可见,十二烷基苯磺酸钠的中位径3.68μm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3.74μm和3.75μm,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3.93μm和4.01μm。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2μm时的效果几乎相同,但随着颗粒直径的增大,它们的差距越来越明显,这3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。以上各添加剂中,三聚磷酸钠、水玻璃、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1500～2000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颗粒直径对十二烷基苯磺酸钠效果的影响图3是各添加剂最佳用量时对石英砂的助磨效果图,从中可以看出各添加剂对提高球磨效率是有一定作用的。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2μm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2μm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。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添加剂的用量对助磨效果的影响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