机械研磨 对 结构和粒度的影响

10-1 nm) 和 200 (2.491×10-1 nm) 消失，合并成一个峰； 13-1 (2.377×10-1 nm) 和 131 (2.290×10-1 nm) 合并成一 个峰。研磨到 30 min 后，由 13-1 和 131 合并的峰已消
动峰，9 12.61 cm-1 为 Al-OH 伸缩振动峰，769.59，
经不同时间研磨的高岭石ir图谱机械研磨对粘土矿物结构和粒度的影响第35卷2007processingequipment样品试验条件0108894235195551159708369231546071114915013313698482120932811847386450082657由粒度分析可以看出细粒含量在研磨到301597减少到1149这是因为在研磨初期机械力使高岭石晶粒顺层分解产生更细小的晶片而新生成的高岭石晶片边缘带有过剩电荷属高活性断裂面高岭石晶片通过边缘的静电作用相联接而形成团聚形成较大的颗粒致使高岭石的细粒含量有所减少
机械研磨对粘土矿物结构和粒度的影响
第35卷 2007 年第 10 期
论文编号：1001-3954(2007)10-0033-037
机械研磨对粘土
矿物结构和粒度的影响*
丁述理 宋 黑 徐博会 孙晨光
河北工程学院河北省资源勘测研究重点实验室 河北邯郸 056038
摘要：对高岭石、蒙脱石和伊利石粘土矿物分别进行了 4 h 的机械研磨，利用 XRD、IR 和激光粒度 分析等测试技术对不同时间段内粘土矿物结构和粒度的变化进行研究，结果表明：高岭石经过 1 h 研 磨后，其晶体结构发生明显变形，经过 2 h 的研磨后，其晶体结构几乎完全被破坏；蒙脱石经过 1 h 研磨后，其晶体结构发生明显变形，在后续的 3 h 的机械研磨过程中，其晶体结构变形不明显；伊 利石在经过 1 h 研磨后，其晶体结构发生也明显变形，当研磨到 3.5 h 后，其晶体结构几乎完全被破 坏。研磨 2 h 后，小于 2 µm 的颗粒含量排序为：蒙脱石>伊利石>高岭石。 叙词：干法研磨 超细粉体 粘土矿物 晶体结构
材料 10 min 1 h
2 h 平均值 d-' 标准偏差 s' t 值
差值 d1' 6.176 3.162 2.537
3.958
1.946 4.914
3 结论
通过静态浸泡腐蚀速率测定试验，发现在浸泡的 前 2 h，各参试样品都呈腐蚀加速趋势。四种不同锰含 量的锰钢在浸泡前后溶液及试样的变化较大，但四者 之间的腐蚀形貌相似。对浸泡质量损失的数理统计数
依此，将 Mn-2 设为真值。采用上述的方法，再
由于 t1"<t0.05，2，因此可以判断出 Mn-4 与 Mn-3 的 耐蚀性没有显著差别。
由以上三部分对比判断可知，四种锰钢材料的耐 蚀性顺序由弱到强为 Mn-1＜Mn-2＜(Mn-3、Mn-4)。
次求得 t1'，t2'，如表 5 所示。
表5 四种锰钢静态腐蚀数据数理统计计算表 (假定 Mn-2 为真值)
响。所以每次研磨时间为 4 min，且中间需停顿一定时
也完全有可能使结构中的各种键发生断裂而产生大量
间以保持温度不要太高，以免对研磨体产生损害。
的自由基。
高岭石的结构变化在 X 衍射图谱中也非常明显 (图
2 结果与分析
2.1 高岭石矿物
图 1 中 a 曲线为高岭石的红外光谱图。从图中可
2)。从图２中可以看出，18°～26°(2θ ) 范围内的衍射 峰形状完好 (11-1 峰并没有显示出来)，表明高岭石的结 晶程度较好。在研磨到 20 min 后，系列衍射峰 (020)、 (11-0)、(111-)、(02-1)、(021-) 逐渐合并成两个峰，由此
合肥工业大学出版社，2003 2 曹楚南. 腐蚀试验数据的统计分析. 北京：化学工业出版社，1988
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Mining & Processing Equipment
第35卷 2007 年第 10 期
机械研磨对粘土矿物结构和粒度的影响
阐明了研磨对其晶体结构的影响机理，并利用激光粒 度仪分析了不同研磨时间的粒度变化，对工业生产具 有指导意义。
失，其余峰的衍射强度继续减弱。研磨到 1 h 后，合并
6 93.41 cm-1 为 Si-O-Al 伸缩振动峰，538.17 cm-1 为 Si-
后的各峰已经基本消失。当研磨 2 h 后，X 射线图谱中
O-Al 的弯曲振动峰，474.84 cm-1 为骨架内弯曲振动
的 001 峰已经完全消失，说明结构已经完全被破坏。
破 本文分别对高岭石、蒙脱石和伊利石三种矿物在
干法条件下进行了不同时间的研磨，并利用傅立叶红
·磨 外光谱和 X 射线衍射对研磨后的样品进行分析测试，
DEDEDEDEDEDEDEDEDEDEDEDEDEDEDEDEDEDEDEDEDEDEDEDEDEDEDEDEDE
(上接第 32 页) Mn-1 与 Mn-2、Mn-3 和 Mn-4 的耐 蚀性具有显著差别。又由表 4 可以看出，Mn-1 的质量 损失率最高，因此，四种锰钢材料中 Mn-1 的耐腐蚀 性最差。
随 着现代科学技术的飞速发展，超细矿物粉体作为 一种新型基础材料在涂料、橡胶、塑料等行业 应用得越来越广泛[1～3]。目前国内主要的超细粉体制备 方法是机械研磨，这种方法主要是利用搅拌器搅动磨 矿介质，产生“冲击—摩擦—剪切”力或利用研磨介 质快速振动产生的“剪切—摩擦”力使物料粉碎。但 在长时间的研磨过程中，由于机械力的作用，晶体结 构或多或少的要受到破坏，如果控制不当，最终会导
Klmer577 型双束红外分光光度计，分辨率 1 cm-1，KBr
压片法。粒度分析采用 Marlvern2000 型激光粒度分析
仪。分别将三种粘土矿物 30 g 分两次置于研磨机内的
以及八面体与四面体的连接遭到破坏，表示 Si-O 振 动的两个峰 1 039.95 和 4 30.55 cm-1 只有后者消失，前 者基本没有变化，说明此时四面体部分遭到破坏。研 磨 60 min 后，高频区的羟基峰已经弱化为一个宽峰， 1 635.97 cm-1 处水的偏移振动峰强度加强，这说明高岭 石的部分结构水 (内外部羟基) 会因机械研磨而失去， 成为游离水，低频区 Si-O-Al 的伸缩振动峰 693.41 cm-1 消失，证明四面体与八面体的连接继续遭到破 坏。由这些变化可以初步判断，经过 1 h 的研磨，高 岭石的晶体结构已经发生了严重的破坏。研磨 2 h 后， 低频区由 538.17、474.84 cm-1 处的峰也已经消失，四 面体以及四面体与八面体之间的连接已经完全断裂， 高岭石各频区的振动峰 (除水的偏移振动峰 1 635.97 和
石的晶体结构发生了不同程度的变化，对应图谱上的 特征峰也逐渐减弱甚至消失。研磨 20 min 后，高频区 3 694.95 和 3 619.79 cm-1 峰的强度明显减弱，低频区各 峰的振动强度也有所下降，表明结构开始发生变形。
叠系上石盒子组中部，矿石多为灰白、浅灰色，个别
研磨 30 min 后，高频区的内羟基振动峰 3 619.79 cm-1
以看出，高岭石的 OH 伸缩振动峰主要为 3 694.95 和 3 619.79 cm-1，其中 3 694.95 cm-1 为外羟基振动峰，
可以看出，随着研磨时间的增长，高岭石结构在 a、 b 轴方向上发生平移，结晶程度变差[12]；201- (2.577×
3 619.79 cm-1 为内羟基振动峰。3 420 cm-1 附近的峰属 于层间水的偏移振动，但强度很微弱。1 635.97 cm-1 为自由水的偏移振动峰，1 039.95 cm-1 为 Si-O 伸缩振
1 试验
1.1 样品特征
高岭岩样采自山西省平鲁矿区，属晚二叠系山西
组 4# 煤层夹矸。这层高岭岩中，高岭石矿物成分占
98％ 以上，本岩层分布较广且很稳定，浅灰色，致
密块状，有参差状断口。化学成分为：SiO2 46.38%， Al2O3 37.66%，Fe2O3 0.29%，TiO2 0.48%，CaO 0.1%， MgO 0.2%，K2O 0.55%，Na2O 0.1%，烧失量为 14.29%。
伊利石 (水云母) 样品采自武安煤盆地北部边缘二
a─原土 b─20 min c─30 min d─1 h e─2 h f─3 h g─3.5 h h─4 h
图1 经不同时间研磨的高岭石 IR 图谱
峰，430.55 cm-1 为 Si-O 振动峰[10,11]。 从图 1 (b～h) 可见，随着研磨时间的增加，高岭
呈深灰色或花斑杂色，致密细腻，贝壳状断口，呈细
已经消失，3 694.95 cm-1 峰的强度进一步减弱，低频
小鳞片状变晶结构，次要矿物有方解石、绿泥石、黄
区 912.61、769.59 cm-1 处的振动峰消失，说明八面体
铁矿、纳长石，有时还见有堇青石。化学成分：S i O2 66.66%，Al2O3 25.76%，Fe2O3 0.74%，CaO 0.22%， MgO 0.445%，Na2O 0.90%，K2O 6.66%，TiO2 0.68%，
述相同，求得 t1"，如表 6 所示。
表6 四种锰钢静态腐蚀数据数理统计计算表 (Mn-4 与 Mn-3 对比)
材料 10 min 1 h
2 h 平均值 d-" 标准偏差 s" t 值
差值 d1" 3.088 -0.515 0.294 0.956
1.890 1.204
参考文献 1 卢书媛. 湿磨衬板新材质开发及冲击腐蚀磨损机理的研究. 合肥：
破 烧失量为 3.92％。
1.2 仪器与方法
·磨 研磨机为南昌通用化验制样机厂生产的 GJ100-2
型密封式化验制样粉碎机，入料粒度<13 mm，加工时
间≤4 min，功率 1.1 kW。实验用 X 射线衍射仪为日本 的 D/ max-RA 型，实验条件 CuKα，40 kV，100 mA， 扫描速度 4°(2θ )/ min。红外光谱分析使用的是 Perkin-
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机械研磨对粘土矿物结构和粒度的影响
第35卷 2007 年第 10 期
a─原土 b─20 min c─30 min d─1 h e─2 h f─3 h g─3.5 h h─4 h
图3 经不同时间研磨的蒙脱石 IR 图谱
a─原土 b─20 min c─30 min d─1 h e─2 h f─3 h g─3.5 h h─4 h
膨润土 (其主要成分为蒙脱石) 样采自邯郸县黄粱
梦镇，属第三系九龙口组。矿床呈层状或透镜状赋存
于半胶结状碎屑岩系中，矿层厚度、质量在不同的地
域变化较大，总体为钙基膨润土，多为灰白色、浅灰
绿色，蜡状光泽，干后裂纹发育且较硬。蒙脱石含量
50%～70％，化学成分：SiO2 60.64%，Al2O3 20.65%， Fe2O3 7.92%，CaO 1.73%，MgO 5.74%，Na2O 0.82%， K2O 0.56%，TiO2 0.98%。
*基金项目：河北省自然科学基金 (D2007000695、D2004000463)、河 北省科技厅博士基金 (05547009D－2) 资助项目。
致部分矿物晶体结构的破坏而变成非晶物质[4]。关于机 械研磨对粘土矿物结构的影响，自上世纪 50 年代以 来就受到人们的关注[5, 6]。此后，有的学者对机械研磨 进行了更进一步的研究，其中邱晓晖、赵丽颖等人[7, 8] 研究了机械研磨过程中机械力化学变化和化学改性， 郝青丽等人[9] 研究了研磨对粘土矿物结构的影响。然 而，有关机械研磨对粘土矿物结构和粒度影响的综合 研究还很少见。
研磨体中进行研磨，研磨时间为 20 min、30 min、1
1 039.95 cm-1 处的 Si-O 伸缩振动峰) 都已经消失，说明
h、2 h、3 h、3.5 h 和 4 h，但由于研磨时间的增加，研
高岭石的晶体结构几乎已经完全被破坏。由此可以看
磨体发热，皮垫受热变软，使研磨体的密封性受到影
出，研磨可以使高岭石的表面羟基断裂形成游离水，
最后，对比 Mn-4 与 Mn-3 的耐蚀性，方法与上
据分析表明，适量增加含锰量可以提高锰钢在热酸性 的模拟铜矿浆中的耐蚀性，其增加幅度不超过40%。 但到一定程度 (如高锰钢)，则锰含量的增加不再会改 变锰钢的耐蚀性。在设计铜矿用衬板材料时，若要进 一步提高材料的耐蚀性，可以考虑添加除锰含量以外 的其它合金成分。
差值 d2' 3.088 3.677 2.243
3.003
0.721 6.126
由于 t1'>t0.05，2，t2'>t0.05，2，因此可以判断出 Mn-2 与 Mn-3、Mn-4 的耐蚀性也具有显著差别。又由表 3 可 以看出，Mn-2 的质量损失率比 Mn-3、Mn-4 高，因 此，Mn-2 的耐腐蚀性比 Mn-3、Mn-4 差。