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球磨法制備超細石英粉
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作者:pmtce820c
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發(fā)布時間: 2020-12-14
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超細石英粉是一種優(yōu)質的中性無機填料，由于具有強耐酸性、穩(wěn)定的物理和化學性能、良好的透光性、高介電、高耐濕、抗輻射、優(yōu)良的耐高溫性能及高純度低離子含量、低膨脹性、低應力等性能，廣泛用于塑料、橡膠、油漆、涂料、陶瓷、油墨及催化和氣體過濾材料等領域。而且超細石英粉還是一種功能性材料，與新的功能材料復合展現了廣闊的應用前景，因此開發(fā)超細石英粉具有現實意義。
超細石英粉是一種優(yōu)質的中性無機填料，由于具有強耐酸性、穩(wěn)定的物理和化學性能、良好的透光性、高介電、高耐濕、抗輻射、優(yōu)良的耐高溫性能及高純度低離子含量、低膨脹性、低應力等性能，廣泛用于塑料、橡膠、油漆、涂料、陶瓷、油墨及催化和氣體過濾材料等領域。而且超細石英粉還是一種功能性材料，與新的功能材料復合展現了廣闊的應用前景，因此開發(fā)超細石英粉具有現實意義。
制備超細石英粉需要使用各種機械設備，包括：球磨機、振動磨、攪拌磨、氣流磨、高速沖擊式磨、膠體磨等及作為配套設備的精細分級設備。其中，高能球磨法制備超細石英粉所需的設備較少、工藝簡單，但影響最終產品的組成和性能的因素卻有很多。其中原料性質、球磨強度、球磨環(huán)境、球磨氣氛、料球比、球磨時間和球磨溫度等是主要因素。
（1）原料性質的影響。物料體系的組成和各組分的配比是決定最終產品組成的物質基礎，不同的原料組成和組分配比即使在相同球磨條件下也會得到不同的球磨產品。
（2）球磨強度的影響。高能行星磨中研磨介質對物料的高速高頻沖擊碰撞有利于能量的轉換和分子、原子及離子的輸運和擴散。球磨強度對機械合金化非晶的形成具有重要的影響。強度低時，粉末形成非晶的時間較長，甚至無法形成非晶；強度較高時，形成非晶的時間大大縮短，且有助于非晶成分范圍的擴大，當球磨能量高到一定程度時更宜形成穩(wěn)定的化合物而不是非晶。對于硬度和強度較高的多組分氧化物體系，因其價鍵較牢固，鍵能較高，球磨強度較低時根本無法使之發(fā)生晶格扭曲、畸變等，也就談不上機械力化學反應。
（3）球磨環(huán)境的影響。對無機非金屬的粉磨通常有干法和濕法兩種粉磨方法，干法操作簡單，濕法往往可以得到更小的粉磨產物粒徑。然而濕法粉磨產生相變的時間遠遠高于干法，這是由于濕法摩擦系數小，顆粒在水中的界面能小于在空氣中的表面能，因而使粉體顆粒難以積聚起足夠的能量以克服相變所需要的激活勢壘的緣故。而干法粉磨至一定程度時，相變的發(fā)生幾乎是必然的。機械能誘性的材料內部結構變化通常要求顆粒(晶粒)尺寸及自由能達到極限值，而在濕法粉磨環(huán)境下，碎裂表面的溶解和“重建”、良好的潤滑和冷卻環(huán)境都阻礙了顆粒尺寸和自由能達到極限值，從而阻礙了多晶轉變的發(fā)生。
（4）料漿濃度的影響。在濕法球磨粉碎的過程中，漿料濃度也是一個重要的工藝參數，直接關系到粉體的粒度與球磨效率。由實驗可知隨著料漿濃度的增加，球磨效果越來越好，但是當料漿濃度達到一定值時，球磨時間對粉體粒徑的影響變小。
（5）研磨介質尺寸的影響。高能球磨中多采用尺寸較小的硬質合金球或氧化鋯球、氧化鋁球等，這是因為小尺寸球有利于增大研磨介質與物料之間的摩擦面積。
（6）料球比的影響。為了獲得較高的球磨能量，通常采用比普通球磨機小得多的料球比。當裝料量和球徑大小一定時，球運動的平均自由程取決于裝球量。裝球量過小即料球比過大時，物料受研磨的機會減少；反之，料球比過小時，球的平均自由程減小，不能充分利用其機械力，因而降低機械力化學反應的程度。
（7）球磨時間的影響。球磨時間的長短直接影響粉磨產物的組成和純度。某些金屬或合金的MA非晶化和晶型轉變只在—定的時間范圍內進行，粉磨時間過短時，材料內部能量聚集太少不足以破壞其結合價鍵；粉磨時間過長，又可能會發(fā)生其他的化學變化。對于無機非金屬材料的機械力化學合成，通常需要較長時間的球磨。
（8）球磨速率的影響。球磨轉速對產品粒度的影響與球磨時間的影響類似。
（9）助磨劑的影響。助磨劑是在粉體制備過程中能夠顯著提高粉碎效率和降低能耗的化學物質，主要是表面活性劑、分散劑等。在球磨過程中加入微量的助磨劑，可提高球磨效率。
（10）溫度的影響。在研磨過程中，由于球磨對粉末的摩擦和撞擊，粉末的溫度會升高，局部溫升有利于固相反應，但整體溫度的升高會加劇物料間的團聚及其與磨球和筒壁的黏附，粉磨某些有機物時，溫度過高還會導致其分解等現象。一般認為，研磨時粉末的溫升不宜超過350K。
制備超細石英粉需要使用各種機械設備，包括：球磨機、振動磨、攪拌磨、氣流磨、高速沖擊式磨、膠體磨等及作為配套設備的精細分級設備。其中，高能球磨法制備超細石英粉所需的設備較少、工藝簡單，但影響最終產品的組成和性能的因素卻有很多。其中原料性質、球磨強度、球磨環(huán)境、球磨氣氛、料球比、球磨時間和球磨溫度等是主要因素。
（1）原料性質的影響。物料體系的組成和各組分的配比是決定最終產品組成的物質基礎，不同的原料組成和組分配比即使在相同球磨條件下也會得到不同的球磨產品。
（2）球磨強度的影響。高能行星磨中研磨介質對物料的高速高頻沖擊碰撞有利于能量的轉換和分子、原子及離子的輸運和擴散。球磨強度對機械合金化非晶的形成具有重要的影響。強度低時，粉末形成非晶的時間較長，甚至無法形成非晶；強度較高時，形成非晶的時間大大縮短，且有助于非晶成分范圍的擴大，當球磨能量高到一定程度時更宜形成穩(wěn)定的化合物而不是非晶。對于硬度和強度較高的多組分氧化物體系，因其價鍵較牢固，鍵能較高，球磨強度較低時根本無法使之發(fā)生晶格扭曲、畸變等，也就談不上機械力化學反應。
（3）球磨環(huán)境的影響。對無機非金屬的粉磨通常有干法和濕法兩種粉磨方法，干法操作簡單，濕法往往可以得到更小的粉磨產物粒徑。然而濕法粉磨產生相變的時間遠遠高于干法，這是由于濕法摩擦系數小，顆粒在水中的界面能小于在空氣中的表面能，因而使粉體顆粒難以積聚起足夠的能量以克服相變所需要的激活勢壘的緣故。而干法粉磨至一定程度時，相變的發(fā)生幾乎是必然的。機械能誘性的材料內部結構變化通常要求顆粒(晶粒)尺寸及自由能達到極限值，而在濕法粉磨環(huán)境下，碎裂表面的溶解和“重建”、良好的潤滑和冷卻環(huán)境都阻礙了顆粒尺寸和自由能達到極限值，從而阻礙了多晶轉變的發(fā)生。
（4）料漿濃度的影響。在濕法球磨粉碎的過程中，漿料濃度也是一個重要的工藝參數，直接關系到粉體的粒度與球磨效率。由實驗可知隨著料漿濃度的增加，球磨效果越來越好，但是當料漿濃度達到一定值時，球磨時間對粉體粒徑的影響變小。
（5）研磨介質尺寸的影響。高能球磨中多采用尺寸較小的硬質合金球或氧化鋯球、氧化鋁球等，這是因為小尺寸球有利于增大研磨介質與物料之間的摩擦面積。
（6）料球比的影響。為了獲得較高的球磨能量，通常采用比普通球磨機小得多的料球比。當裝料量和球徑大小一定時，球運動的平均自由程取決于裝球量。裝球量過小即料球比過大時，物料受研磨的機會減少；反之，料球比過小時，球的平均自由程減小，不能充分利用其機械力，因而降低機械力化學反應的程度。
（7）球磨時間的影響。球磨時間的長短直接影響粉磨產物的組成和純度。某些金屬或合金的MA非晶化和晶型轉變只在—定的時間范圍內進行，粉磨時間過短時，材料內部能量聚集太少不足以破壞其結合價鍵；粉磨時間過長，又可能會發(fā)生其他的化學變化。對于無機非金屬材料的機械力化學合成，通常需要較長時間的球磨。
（8）球磨速率的影響。球磨轉速對產品粒度的影響與球磨時間的影響類似。
（9）助磨劑的影響。助磨劑是在粉體制備過程中能夠顯著提高粉碎效率和降低能耗的化學物質，主要是表面活性劑、分散劑等。在球磨過程中加入微量的助磨劑，可提高球磨效率。
（10）溫度的影響。在研磨過程中，由于球磨對粉末的摩擦和撞擊，粉末的溫度會升高，局部溫升有利于固相反應，但整體溫度的升高會加劇物料間的團聚及其與磨球和筒壁的黏附，粉磨某些有機物時，溫度過高還會導致其分解等現象。一般認為，研磨時粉末的溫升不宜超過350K。
