矿物材料加工学答案-2015~2016学年

中南大学考试试卷2015 -- 2016 学年上学期时间100分钟矿物材料加工学课程32 学时2 学分考试形式：开卷专业年级：矿物12级总分100分，占总评成绩60％（参考答案）一、简答题（本题25分，每小题5分）1、共价型石墨层间化合物的生成和作用。

【答】石墨与强氧化剂（硫酸、硝酸、高氯酸、氯酸钾）双氧水等反应，生成石墨酸（氧化石墨），氧与碳结合（2个），形成基团，层间距↑C:O =2:1，但实际C:O=（2.4~3.5）：1，决定于氧化剂性质及反应条件。

作用：非传导型。

两者形成共价键，结合牢固，石墨失去导电性，石墨层发生变形，如氟化石墨和石墨酸，氟、氧。

2、硫酸化焙烧原理。

【答】在氧化气氛中加热硫化矿石或精矿，将矿石中的部分硫化物转变为相应的硫酸盐的过程，称为硫酸化焙烧。

a、脱除炭或有机物：2C+O2=2CO Kp1=Pco2/Po2C+O2=CO2Kp2=Pco2/Po22CO+O2=2CO2Kp3=Pco22/Pco2·Po2b、金属硫化物的氧化：2MeS+3O2=2MeO+2SO2SO2+1/2O2=SO3 K2=Pso3/Pso2·Po2MeO+SO3=MeSO4 K3=1/Pso3MeO·Fe2O3+SO3=MeSO4+Fe2O3 K4=1/Pso3″1/3Fe2O3+SO3=1/2Fe2(SO4)3 K5=1/Pso3′″Pso3′、Pso3″、Pso3′″-金属硫酸盐、铁酸盐和硫酸铁分解压；Pso3、Pso2、Po2-气相中的分压；通过控制焙烧条件，获取相应产物；（1），Pso3>Pso3′和Pso3″,则生成硫酸盐，为硫酸化焙烧；（2），Pso3<Pso3′和Pso3″,生成氧化物，为氧化焙烧；（3）Pso3″>Pso3>Pso3′,则生成硫酸盐和铁酸盐，为部分硫酸化焙烧；（4）Pso3′″>Pso3>Pso3″,则生成金属硫酸盐和Fe2O3,为选择性硫酸化焙烧；3、复合材料中基体材料种类及其作用。

【答】按基体材料分a.聚合物基：以有机聚合物（热固性树脂、热塑性树脂）为基体b. 金属基：以金属为基体，如铝基、钛基c.无机非金属基：以陶瓷材料（包括玻璃和水泥）为基体。

基体材料：包括不饱和聚酯树脂，环氧树脂、酚醛树脂，热塑性树脂，辅助成分有固化剂、增韧剂、稀释剂、催化剂等改进了工艺性，降低了成本，基体材料的三种作用：a、把纤维粘在一起（原始状态为低粘度液体，能迅速变成坚固耐久的固体足以将增强材料粘住）b、分配纤维间的载荷（但基体的力学性能明显影响材料的工作方式和效益）c、保护纤维不受环境影响。

4.玻璃纤维特点及其生产工艺。

【答】特点：a、拉伸强度高，防火，防霉，耐高温，电绝缘性，但脆性大，不耐腐，对人皮肤有刺激性；b、最大特点，1500-4000MPa，比一般纤维高10倍，比合金铜高2倍；c、玻纤的耐磨、耐折差；d、绝热、耐热性好；e、透光性不如玻璃。

玻璃纤维生产工艺有两种：两次成型-坩埚拉丝法，一次成型-池窑拉丝法。

a、坩埚拉丝法工艺繁多，先把玻璃原料高温熔制成玻璃球，然后将玻璃球二次熔化，高速拉丝制成玻璃纤维原丝。

（一般用于无碱玻纤及其制品的制造）制球：将砂岩、石灰石、蜡石等原料以及硼酸、砷酸等按比例计量混合送入熔窑制成玻璃液，玻璃流出并制成直径1.8cm的玻璃球。

拉丝：玻璃球加入铂金制成的玻璃熔窑，熔成玻璃液并从底部漏板的小孔流出，拉制成玻纤。

b、池窑拉丝法把叶腊石等原料在窑炉中熔制成玻璃溶液，排除气泡后经通路运送至多孔漏板，高速拉制成玻纤原丝。

窑炉可以通过多条通路连接上百个漏板同时生产。

5.液相—固相湿化学反应过程。

【答】三个步骤：（1）外部传质：外扩散（2）内扩散(3)吸附与化学反应类型：颗粒体积收缩；大小不变。

二、综合问答题（本题60分，每小题15分）1、某煤系高岭土含有有机质1.5%，含铁1.9%，试论述其漂白原理。

【答】漂白高岭土最常用的方法之一,是用连二亚硫酸钠或连二亚硫酸锌作漂白剂,与高岭土中的着色杂质氧化铁反应,把三价铁还原成二价铁。

二价铁易溶于水,通过浓缩、过滤、洗涤除去,从而提高高岭土的白度。

常用的还原剂除了连二亚硫酸钠外，还有连二亚硫酸锌，相比之下前者很不稳定．后者则稳定得多。

但是用连二亚硫酸锌漂白时会使废水中锌离子浓度过高，对江河水造成污染。

为此，可采用硼氢化钠还原法。

这种方法实际上是在漂白过程中通过硼氢化钠与其它药剂反应生成连二亚硫酸钠，使高岭土中剩余的铁的氧化物如Fe2O3、FeOOH等被还原成可溶性二价铁而除去，从而使这一类高岭土得到漂白。

具体过程为：在pH为7.0～10.0的条件下，将一定量的硼氢化钠和NaOH与矿浆混合，然后通入SO2气体。

调节pH值在6～7，此pH值有利于在矿浆中产生最大量的连二亚硫酸钠。

再用H2SO3或SO2调节pH值到2.5～4，此时即可发生漂白反应。

生成连二亚硫酸钠的反应如下：NaBH4+9NaOH+9SO2=4Na2S2O4+NaBO2+NaHSO3+6H2O 这种方法的本质仍是连二亚硫酸钠起还原漂白作用，但在pH6～7时，生成的大量连二亚硫酸钠十分稳定。

在随后的pH值降低时，连二亚硫酸钠与高岭土矿浆中的氧化铁立即反应，得到及时利用，从而避免了连二亚硫酸钠的分解损失。

2、论述石膏在热处理过程中的物相变化及其性质和应用。

【答】（1）、性质：石膏为含水CaSO4(2个结晶水)，硬石膏为无水CaSO4,石膏为热不良导体，分透明石膏、纤维、雪花、普通、土状5种，大部分为纤维和普通石膏；（2）、用途：纤维：50%农业, 陶瓷、化工、雕塑、食品；普通石膏：90%水泥、陶瓷；不同温度产生具有不同特性的产物：过程：①65~70oC，脱水→半水石膏；②<200oC，半水→无水石膏，与水接触易凝结为二水石膏；③200~300oC，无水石膏，凝结慢，凝结强度大；④300~400oC，无水石膏，凝结快，凝结后强度小；⑤450~700oC,烧死石膏，成份不变，遇水不凝，无强度；⑥800~1000oC，游离石灰，有价值的普遍煅烧石膏；⑦>1000oC，游离石灰↑，形成快速凝结的煅烧石膏；3、以碳酸钙填充热塑性树脂，试论述填充材料表面改性原理。

【答】碳酸钙是目前高聚物基复合材料中用量最大的无机填料。

由于碳酸钙填料为无机粉体，与有机高分子的相容性差，直接添加到高分子材料中难以均匀分散，还会影响材料的加工性能和力学性能，因此，一般在填充高分子材料之前要对其进行表面改性处理。

碳酸钙的表面改性方法主要是化学包覆，辅之以机械力化学；使用的表面改性剂包括硬脂酸(盐)，钛酸酯偶联剂，铝酸酯偶联剂等。

表面化学包覆改性工艺有干法和湿法两种。

硬脂酸(盐)是碳酸钙最常用的表面改性剂，故又称为聚合物表面包覆改性。

干法改性是先将聚合物单体吸附在碳酸钙表面，然后引发其聚合，从而在其表面形成聚合物包覆层，工艺流程见图1；湿法改性是将聚合物溶解在适当溶剂中，然后对碳酸钙进行表面改性，当聚合物逐渐吸附在碳酸钙颗粒表面上时排除溶剂形成包膜。

这些聚合物定向吸附在碳酸钙颗粒表面，形成物理、化学吸附层，可阻止碳酸钙粒子团聚，改善分散性，使碳酸钙在应用中具有较好的分散稳定性。

具体来讲就是在水溶液中对碳酸钙进行表面改性处理。

一般工艺过程，如图2 ，是先将硬脂酸皂化，然后加入碳酸钙浆料中，经过一定时间的反应后，进行过滤和干燥。

碳酸钙在液相中的分散比在气相中的分散较为容易。

另外，通过加入分散剂，使其分散效果更好，因此，在液相中碳酸钙颗粒与表面改性剂分子的作用更均匀。

当碳酸钙颗粒吸附了硬脂酸盐后，表面能降低，即使经压滤、干燥后形成二次粒子，其团聚结合力减弱，不会形成硬团聚，用较小的剪切力即可将其重新分散。

利用超细粉碎过程的机械力化学作用也可对碳酸钙粉体进行表面改性，一般的工艺流程如图3。

碳酸钙在超细粉碎过程中，由于机械力的作用，一方面粒度变细，与此同时，一部分机械能积聚在颗粒内部，引起表面结构和性质的变化，使碳酸钙表面与表面改性剂的作用活性增加。

因此在超细粉碎过程中添加表面改性剂和助剂可在超细粉碎过程中同时完成碳酸钙的表面化学包覆改性。

此过程中，硬脂酸盐类改性剂与碳酸钙表面的吸附机理为: 碳酸钙本身不含羟基, 在粉碎过程中与附着在其表面的水分作用, 并发生水解, 产生一层具碱性的疏油的含羟基的表面, 即表面上的羟基和改性剂分子的亲无机端发生键合作用, 生成改性的碳酸钙粒子4、论述型砂生产原理和工艺。

【答】热塑性酚醛树脂加固化剂(六亚甲基四胺）加热固化，可使石英砂粘结成覆膜砂，精细铸造中用于壳型，壳芯的制造（发动机缸体用），分冷法和热法。

1.冷法：室温下，树脂与砂混匀，加溶剂（酒精、丙酮等），放入混砂机中。

混砂密闭，则酒精耗量小，为树脂40~50%；不密闭，耗量为70~80%；混碾至溶剂挥发完，干燥粉碎过筛。

2.热法：砂子→加热140~160℃→与树脂混匀→树脂熔化包覆于砂子表面→温度↓变粘→固化剂→急冷→加硬脂酸钙（防结块）→混合后干燥，过筛→覆膜砂产品。

5、阐述膨润土有机化改性原理及工艺。

【答】膨润土有机改性是指用有机阳离子或有机化合物，取代蒙脱石层间可交换性阳离子或吸附水,使其失去或部分失去吸附水，生成的一种疏水亲油的膨润土的工艺过程。

根据改性所用表面活性剂的不同，可将有机膨润土分为单阳离子、双阳离子、两性、非离子及其他类型有机膨润土。

常用的有机改性剂是季铵盐表面活性剂。

季铵盐阳离子与蒙脱石层间可交换阳离子(主要是钠离子)发生离子交换反应，使有机基团覆盖于蒙脱石矿物表面，其表面性能由亲水疏油变为疏水亲油。

膨润土有机化改性工艺流程如图：三、计算题某高岭土含Fe-2O3，试根据下列的标准电位，做出电位-pH图，并说明那些药剂可作为脱铁药剂。

A+2H ++2e -=A+2H 2O E 0298=0.178v;2B+H ++4e -=2B -+H 2O E 0298=0.932v;C+2H ++4e -=3C E 0298=0.483v;Fe 3++e -=Fe 2+ E 0298=0.771v;设反应体系温度为25o C ，A,A .,B,B .,C,C .,Fe-2+,Fe-3+活度均为1.解：A+2H ++2e -=2A+2H 2O E 0298=0.178v;ε1=0.178－0.0591PH （V ）2B+H ++4e -=B+H 2O E 0298= 0.932v;ε2=0.932－0.02955PH （V ）C+2H ++2e -=C E 0298=0.483v;ε3=0.483－0.02955PH （V ） Fe 3++e -=Fe 2+ E 0298=0.771v;ε4=0.771（V ）电位—PH 图如右所示，B 与Fe 曲线交于（5.45,0.771）处故而当PH>5.45时，B 可以作为脱铁药剂，不论PH 为何值，A 、C 均可用作脱铁药剂。