(中國粉體技術網/班建偉)硅灰石是一種鈣的偏硅酸鹽礦物,理論組成為:CaO 48.3%,SiO2 51.7%。它具有較好的化學穩定性,耐酸、耐堿、耐腐蝕,但在濃鹽酸中易發生分解,形成絮狀物。在焙燒條件下,可與高嶺石、葉蠟石、伊利石、滑石等礦物發生固相反應。硅灰石中的鈣易被鐵、錳、鎂、鈦、鍶等雜質取代而形成類質同象變體,所以純凈的硅灰石很少見。
硅灰石有許多與其物理和化學性質有關的工藝特性,自從它被開發利用以來,其工業領域的應用范圍一直在迅速擴大。它的重要特性之一是具有針狀和纖維狀的晶體形態,在陶瓷工業、涂料工業和絕緣材料工業中有著極重要的用途。另一重要特性是其助熔性能,能在較低的溫度下,即與氧化硅、氧化鋁等相熔,起到降低混合物熔融溫度的作用,可作為一種良好的助熔劑。除此之外,它還具有良好的純度和白度,在高級陶瓷產品和優質白色油漆與發亮涂料的生產中發揮重要作用。
1.硅灰石的開發
根據1994年批準實施的中華人民共和國建材行業硅灰石標準(JC/T535-94),可將硅灰石產品按粒徑分為五類(表1):
表1 硅灰石粒徑分類
類別 |
塊粒/mm |
普通粉/μm |
細粉/μm |
超細粉/μm |
針狀粉/μm |
粒徑 |
1-250 |
38-1000 |
10-38 |
0-10 |
長徑比10:1 |
硅灰石的加工技術一般包括提純、超細粉碎和表面改性。
1.1 硅灰石的提純
硅灰石提純的主要目的是去除有害鐵礦物,降低方解石、石榴石、石英等限量礦物的含量。提純的主要方法有手選、電磁選、浮選和聯合選。手選是防止混入的廢石在破碎過程中產生更多的細小顆粒而增加后續提純的難度。硅灰石纖維松解,可實現與脈石礦物選擇性破碎。選擇性破碎后分段篩選即可實現硅灰石與脈石礦物的快速分離。由于硅灰石無磁性,而鐵礦物透灰石、石榴石等脈石礦物為磁性或弱磁性礦物,強磁選即可達到硅灰石與脈石礦物的分離或部分分離。
1.2 硅灰石的超細粉碎
硅灰石粉的粉碎加工,是要將其加工到一定粒度,同時還要盡量保持晶體的長徑比。硅灰石的長徑比一般為7-8:1,有的可達15-20:1,最高為30:1。由于粉碎方法的差異,所得硅灰石的長徑比有所不同。
目前來講,國內所用到的硅灰石粉碎設備可分為以下幾類(表2),工作原理和粉碎效果均有所不同。
表2 硅灰石針狀超細粉碎常用設備
設備 |
工作原理 |
粉碎效果 |
沖擊式 |
高速轉子將物料分散到粉碎腔周邊,受到沖擊 |
細度10-13μm |
粉碎機 |
作用,在定子和轉子受到慣性力和摩擦力的擠壓、剪切、破碎被氣流帶出得到產品。 |
較大長徑比10~12 |
氣流磨 |
氣流的高速運動使物料顆粒之間、顆粒與氣壁之間產生沖擊碰撞和摩擦剪切使物料破碎。 |
長徑比可達12~15 |
攪拌磨 |
通過攪拌器攪動研磨介質產生沖擊、摩擦和剪切作用使物料粉碎。 |
平均細度可4.5μm平均長徑比為6~8 |
振動磨 |
筒體的高頻振動使筒體內的研磨介質對物料進行劇烈碰撞、研磨導致物料破碎分離。 |
90%小于20μm長徑比8:1-10:1 |
雷蒙磨 |
磨棍繞軸旋轉時由于離心力作用緊壓在磨環上物料在磨棍與磨環之間受到擠壓和研磨作用而被粉碎。 |
50%小于11μm 100%小于34μm 平均長徑比8.4 |
球磨機 |
磨球間相互碰撞、沖擊及剪切,磨球與罐壁之間相互碰撞、研磨,使物料粉碎。 |
細度13-16μm長徑比約為3-4 |
影響硅灰石針狀粉性能指標的主要因素有分散介質、機械粉碎作用力特性等,適量的助磨劑也有利于提高產品的長徑比。
1.3 硅灰石的表面改性
硅灰石的表面改性可分為有機改性和無機改性;根據表面改性劑和顆粒間有無反應,硅灰石有機化改性又可分為表面化學改性和表面吸附包覆改性;表面無機化改性主要是指沉淀包覆。
硅灰石改性最常用的表面改性劑有鈦酸鹽、鋁酸鹽、硬脂酸鹽和硅烷等。其改性方法是將硅灰石和表面改性劑在容器內高速攪拌,使硅灰石和表面改性劑充分接觸,在一定的條件下使其發生反應。也可在硅灰石的粉碎過程中加入改性劑,通過機械力化學的作用進行改性。目前已有的改性設備中,國內常采用高速加熱攪拌機,國外則多用流態化和沖擊式改性裝置。
2. 硅灰石的工業應用
目前,隨著硅灰石深加工工藝的發展,硅灰石的應用領域正在不斷擴大和深入,主要表現在陶瓷工業、涂料、橡塑工業、冶金工業及環保建材。
2.1 陶瓷工業
陶瓷工業中,硅灰石可降低陶瓷的燒成溫度和縮短點火時間,減少熱膨脹,同時高長徑比的硅灰石可使坯體具有較高的強度和較好的壓型質量,有助于形成快速排除氣體的通道和提高坯體表面的聲學效應,大大減少在焙燒過程中產生的分層和開裂現象,這不僅大幅度降低能耗和增加產量,而且能大大改善陶瓷制品的機械性能,提高產品質量。因此,在陶瓷工業中被廣泛地用于生產建筑陶瓷、日用陶瓷、美術工藝陶瓷、多孔過濾陶瓷、低介電陶瓷、精密鑄造陶瓷模具、火花塞、生物活性陶等等。
2.2 涂料
由于硅灰石具有吸油率低、吸濕性低、絕緣性高和耐高溫等特性,非常適用于涂料。它能使白色涂料具有明亮的色調,并能長時間保持。其針狀的晶體使它成為涂料的良好平光劑,改善涂層的流平性。硅灰石粉的粒子形狀,是涂料良好的懸浮劑,沉淀物柔軟易分散。由于它的吸油量低,又有有很高的填充量,涂料成本可大大降低。
2.3 橡塑工業
橡塑工業中,主要是利用硅灰石針狀結晶所產生的類似纖維的增強作用,以代替價格較貴的玻璃纖維、碳纖維以及危害人體健康的石棉等增強材料。而且高長徑比的硅灰石經表面改性后作為填料充填在塑料、橡膠和聚合物中,可增強其機械強度和表面光滑,減少收縮,增強阻污力,允許填充較多的填充劑,減少顏料的用量等,從而可降低制品的生產成本,提高制品的力學性能,并賦予塑料、橡膠和聚合物自身所沒有的特殊功能。
2.4 冶金工業
硅灰石具有低溫助熔特性,廣泛用于冶金工業。尤其在連鑄方面,硅灰石的優越性能更加明顯。硅灰石用作冶金保護渣基料,具有減少配料種類、熱穩定性好、化學成分穩定、鑄件表面光潔、低碳等優點。用硅灰石作電焊條配料,可減少焊接的火花,使焊縫成型整潔美觀,增加機械強度。
2.5 環保建材
高長徑比的針狀硅灰石粉以其無毒、無味、無放射性等優點,逐漸取代了石棉和玻璃纖維,成為優質的環保建材新原料。由于硅灰石在被粉碎到很細的情況下仍能保持其獨特的針狀結構,使得添加了硅灰石針狀粉的硅鈣板、防火板等材料的抗沖擊性、抗彎折強度、耐磨強度均大大提高。在建筑材料領域,硅灰石的應用前景不可限量。
3. 結語
從以上分析,可以看出硅灰石的加工技術在不斷提高,應用領域不斷拓寬。就今后發展而言,首先要重視硅灰石的深加工,尤其是改性后的硅灰石產品的開發,以提高產品附加值。其次,要加強硅灰石在應用方面的研究,充分并合理的拓展其應用領域。
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