無機材料超細粉體機械研磨制備中漿料流變性能的研究

越來越多地使用研磨法機械粉體的應用，制作不同行業(yè)的超細粉體。由于在超細研磨中顆粒細度隨著研磨時間的增加而提高,同時比表面積和表面能也將作增大,從而顆粒由于靜電力和vanderWaals力將產(chǎn)生團聚或聚結(jié),漿體的流變性能也隨之發(fā)生改變。因此對濕法超細研磨中漿體流變性的研究具有非常重要的意義[5–8,10,13,16,21–27,30–34]。1具有機化合物材料漿體流變性能1.1剪切應力的影響漿體分成Newtonian型和非Newtonian型。漿體的粘度η可定義為其中:τ為剪切應力;γ為剪切速率。對于Newtonian漿體,η是常量;對于非Newtonian漿體,η是變量,即非Newtonian漿體中τ與γ不成比例變化。無機材料漿體,無論是天然的還是合成的,主要呈非Newtonian漿體1.2顆粒間作用力及絮凝過程變化無機材料漿體的流變學表征主要是測量漿體的τ隨γ的變化,從而反映漿體中顆粒間作用力和漿體絮凝的情況。然而,漿體和研磨介質(zhì)在研磨腔體中的運動非常復雜1.2.1通過粘性計或變換器直接測量性能通過粘度計或流變儀直接測量γ和τ的關系,或是測量漿體靜態(tài)時的表觀粘度(即某一特定剪切率下測定的粘度)來衡量漿體的流變性1.2.2通過測量的間接特性由于ζ電位與表觀粘度的關系比較密切,可通過測量ζ電位來間接地表征漿體的流變性1.2.3直接的比例關系在給定的研磨條件下,磨機研磨過程中的扭矩與漿體的粘度有直接的比例關系。因此,漿體的流變性可通過測量研磨過程中磨機的扭矩間接表征。這種方法雖然不能給出精確的漿體流變學參數(shù),但是可定性地衡量不同研磨條件下的漿體流變性的相對值2.2經(jīng)驗流變性模型無機材料漿體主要呈非Newtonian漿體。非Newtonian漿體的經(jīng)驗流變性模型主要有兩參數(shù)的Power–Law模型Power–Law模型Bingham塑性體模型Cass模型Herschel–Bulkley模型Sisko模型其中:τ3影響漿體流變的主要因素3.1固相含量低時選擇主要反應體流變性能不隨時間變化的漿體的流變性一般有以下性質(zhì):當固相含量低時,呈Newtonian漿體;隨著固相含量的增大,也越來越趨近非Newtonian漿體,η隨著γ降低而增加。Gao等Bernhard等3.2影響谷物及其分布的影響Tangsathitkulchai等3.3影響漿體ph值的因素Prestidge3.4影響對固相含量高的氧化鋁(粒徑小于5μm)漿體的粘度測試結(jié)果表明3.5溫度影響溫度是影響漿體表觀粘度和τ3.6影響形狀的因素濕磨過程中顆粒形狀對漿體流變性的影響的研究報道較少。Yuan等4通過添加分散劑來控制漿體的流動強度4.1分散劑的作用機理文獻[22,24,26]中所提及的分散劑大多是低分子量水溶性的高分子聚合物。常用的無機分散劑有硅酸鈉、偏磷酸鈉、三聚磷酸鈉、氫氧化鈉、氫氧化鉀等。常用的水溶性高分子聚合物分散劑有聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚磷酸、聚苯乙烯磺酸、聚乙烯氨、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚乙烯氧化物、丙烯酰胺和烯酸的共聚物等。非離子型分散劑通常含有—O—基和—OH基,漿體的pH值對其分散效果相當敏感,但當漿體的pH值呈中性時,非離子型分散劑可起到很好的分散效果。大多數(shù)陰離子型分散劑含有羧基,這類分散劑在pH小于5時分散效果不明顯。陽離子型分散劑通常是胺。有效地控制漿體流變性的分散劑應滿足以下條件:(1)分散劑可大量地吸附在顆粒的表面以起到降低漿體η的作用;(2)漿體η足夠高時使用分散劑;(3)選擇分散劑時考慮pH值等因素對其分散效果的影響;(4)所使用的分散劑不能影響下一道的工藝操作如分離、造粒等,也不能對漿體造成污染;(5)選擇分散劑應考慮經(jīng)濟可行。4.2增加分子間的作用力從漿體流變學的角度來看,分散劑或研磨助劑主要是為了減小或消除漿體的τ漿體中的高分子分散劑的加入對靜電力和空間位阻作用力都有一定的影響。改變pH值或顆粒吸附其他帶電離子可以改變顆粒的荷電量,從而改變顆粒間的靜電作用力。通過加入親水性的分子量在幾千到一萬的大分子化合物(如聚丙烯酰胺、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸鈉鹽、聚丙烯酸)可增加分子間作用力。加入高分子聚合物吸附在顆粒上而產(chǎn)生的空間位阻作用使顆粒間彼此不能靠的太近,從而消弱顆粒間的vanderWaals力。對于因加入聚合物、電解質(zhì)而形成穩(wěn)定的漿體,至今還沒有適當理論定量地計算其穩(wěn)定性,但可定性地認為是靜電力和空間位阻作用力的綜合作用所致。4.3研磨中分散劑對漿體流變的影響大多濕法研磨的過程中研磨的漿體的固相含量較高,加之會產(chǎn)生許多微粒,所以研磨漿體中的顆粒很容易形成絮團,致使?jié){體出現(xiàn)τ4.3.1不同分散劑的作用Wang等4.3.2濕法研磨中漿體流變性的影響因素就研磨某一種無機材料漿體而言,應使用一種有效的分散劑并確定其適宜用量。分散劑用量不足會造成顆粒團聚,影響漿體的流動性;過量又會在經(jīng)濟上造成浪費并且還會影響漿體的穩(wěn)定性。Gao等濕法研磨中漿體的流變性受各種因素的影響,如顆粒大小及形狀、顆粒的電荷情況、流體的η及漿體的固相含量。而且在濕法研磨中漿體在研磨腔體中不同位置的流變性也有所不同。因此,分散劑的最佳用量也會隨著各種條件的不同而不同。確定分散劑用量的方法也是有很多種的,包括沉降測試法、等熱吸附法、流變實驗法及電泳法。前兩種方法較為耗時,而電泳法只能測量ζ電位并且要求漿體必須較稀。因此在工業(yè)生產(chǎn)中用于估算固相含量高的漿體分散劑用量時會有較大偏差,可利用流變儀來測算分散劑最佳用量的方法。Greenwood等4.3.4分散劑的使用方法的影響產(chǎn)品的細度隨著研磨時間的增加而增加,而細度的增加又會增大漿體的τ5無機材料漿體流變性的研究(1)大多數(shù)無機材料漿體均呈現(xiàn)非Newtonian型流變學行為。非Newtonian漿體流變性的表征包括使用流變儀或粘度計直接測量,通過測量ζ電位或磨機轉(zhuǎn)矩間接表征。(2)濕法超細研磨中漿體流變性受很多因素影響,如漿體固相含量、顆粒大小及形狀、漿體的pH值、是否選用合適的分散劑等。在研究漿體流變性時一定要同時考慮這些因素及其之間相互作用的影響。有效控制漿體的流變性能可增加產(chǎn)量,提高能量利用率及產(chǎn)品細度。(3)濕法超細研磨中加入合適的分散劑可使研磨漿體的固相含量提高30%,并且提高最終產(chǎn)品的細度。作為控制漿體流變性從而提高研磨效率的研磨助劑,常用分子量從5000到20000的聚丙烯酸及其鹽類。階段式加入分散劑比一次性加入分散劑效果好。(4)盡管已提出一些模擬無機材料漿體流變學性能的經(jīng)驗方程,但還需建立更具實際意義的與漿體中固相含量、顆粒大小及漿體溫度相關的半經(jīng)驗方程。建立漿體流變性與研磨參數(shù)、分散劑的選擇與用量、能量利用率和顆粒大小之間的數(shù)學關系對有效濕法超細研磨至關重要。4.3.3分子鏈法保持漿體穩(wěn)定性的機理一些高聚物分散劑因能