宜昌某高岭土剥片试验

白丽丽 张凌燕 管俊芳 刘 新 田 钊 曹 刚

(1.武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北 武汉430070;2.矿物资源加工与环境湖北省重点实验室，湖北武汉430070)

高档高岭土产品，如涂布级和涂料级高岭土对白度和细度都有很高的要求，高档填料用高岭土对粒度的要求更是达－2 μm占90%。目前，国内外进行高岭土剥片的主要手段有机械磨剥、化学浸泡和高速喷射法等，但产品质量均不太理想，主要原因是剥片过程对晶体结构造成一定损害，从而影响其理化性质，因此，改进高岭土、尤其是硬质煤系高岭土的剥片工艺，对生产高品质高岭土具有重要意义［1-5］。从目前的研究成果看，搅拌磨湿法剥片工艺是生产高档高岭土产品的有效工艺，该工艺不仅可有效降低高岭土的粒度、提高比表面积，而且可释放出高岭土片层间的着色杂质，为后续煅烧提高高岭土熟料的白度创造条件［6-7］。

本试验将着重研究分散剂种类与用量以及添加方式、矿浆浓度、搅拌磨转速对剥片效果的影响。

1 试验原料、设备及药剂

1.1 试验原料

试样取自湖北宜昌某高岭土矿，为深灰色粉末。试样中主要成分为高岭石，含量达95%左右，此外还含有极少量的石英、蒙脱石、长石、勃姆石、绿泥石、黄铁矿、锐钛矿以及有机质等。试样主要化学成分分析结果见表1。

表1 试样主要化学成分分析结果Table 1 Chemical component analysis of the ore%

由表1可知，试样中主要成分为SiO2和Al2O3，含量分别为44.26%、38.45%，烧失为14.66%，这与高岭石理论SiO2和Al2O3含量为46.54%和39.50%、烧失为13.96%均非常接近，且杂质TiO2、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、SO3等含量均较低，可见该试样中高岭土含量较高。

扫描电镜分析结果表明，试样粒度较细，－2 μm粒级含量接近30%，但约有10%的高岭土未剥离，呈叠片状。因此，要获得高品质高岭土就必须对原料进行剥片，以降低其粒度，释放出其中的着色杂质。

1.2 试验设备及药剂

试验设备见表2。

表2 试验设备Table 2 Testing equipment

试验药剂聚丙烯酸钠和六偏磷酸钠均为分析纯。

2 试验结果

2.1 分散剂种类及剥片时间对剥片效果的影响

试验用分散剂分别为聚丙烯酸钠和六偏磷酸钠。试验固定分散剂的添加方式为磨矿前加1%(分散剂与试样的质量比)，此后每隔60 min填加1%，刚玉质中球(=1.2 mm)、小球(=0.8mm)体积比为0.8∶1.5，介质填充率为70%，磨矿浓度为60%，搅拌磨转速为800 r/min，剥片试验结果见图1。

图1 分散剂种类和剥片时间对剥片产品－2 μm粒级产率的影响Fig.1 Influence of types of dispersants and stripping time on the yield of stripping product in －2 μm size

由图1可知，六偏磷酸钠在用量较低时对剥片的积极影响更突出，聚丙烯酸钠在用量较高时对剥片的积极影响更突出。呈现这种规律的原因与分散剂的分散机制有关［8-10］:料浆黏度随六偏磷酸钠用量增加先显著下降后降速趋缓，但会随着聚丙烯酸钠用量增加而持续下降。综合考虑六偏磷酸钠价格较低的因素，后续试验选用六偏磷酸钠作为分散剂。随着剥片时间的延长，产品中－2 μm粒级产率逐渐提高，但提升速率随着时间的延长逐渐降低，剥片时间为180 min时，能够得到相对理想的剥片结果，因此固定剥片时间为180 min。

2.2 介质充填率对剥片效果的影响

试验固定六偏磷酸钠的添加方式为磨矿前加1%，此后每隔60 min填加1%，刚玉质中球与小球体积比为0.8∶1.5，磨矿浓度为60%，搅拌磨转速为800 r/min，剥片时间为180 min，剥片试验结果见图2。

图2 介质充填率对剥片产品－2 μm粒级产率的影响Fig.2 Influence of corundum balls fill ratio on the yield of stripping product in －2 μm size

由图2可知，随着介质充填率的提高，剥片产品中－2 μm粒级产率先显著上升后升幅明显趋缓。综合考虑，确定磨矿介质充填率为70%。

2.3 搅拌磨转速对剥片效果的影响

试验固定六偏磷酸钠的添加方式为磨矿前加1%，此后每隔60 min填加1%，刚玉质中球与小球体积比为0.8∶1.5，介质充填率为70%，磨矿浓度为60%，剥片时间为180 min，剥片试验结果见图3。

图3 搅拌磨转速对剥片产品－2 μm粒级产率的影响Fig.3 Influence of rotating speed on the yield of stripping product in －2 μm size

由图3可知，随着搅拌磨转速的提高，剥片产品中－2 μm粒级产率先显著上升后升幅趋缓。综合考虑，确定搅拌磨转速为800 r/min。

2.4 磨矿浓度对剥片效果的影响

试验固定六偏磷酸钠的添加方式为磨矿前加1%，此后每隔60 min填加1%，刚玉质中球与小球体积比为0.8∶1.5，介质充填率为70%，搅拌磨转速为800 r/min，剥片时间为180 min，剥片试验结果见图4。

图4 磨矿浓度对剥片产品－2μm粒级产率的影响Fig.4 Influence of grinding concentration on the yield of stripping product in －2 μm size

由图4可知，随着磨矿浓度的提高，剥片产品中－2 μm粒级产率先显著上升后大幅度下降。这是因为料浆浓度低时，料浆中高岭土颗粒密度低，与介质间的有效磨剥碰撞几率小，因此磨剥效率较低;料浆浓度过高时，料浆流动性差，固体颗粒间形成了立体网状结构，造成料浆流动停滞，从而导致剥片效率也不高［11］。因此，确定磨矿浓度为70%。

2.5 加药方式对剥片效果的影响

试验固定刚玉质中球与小球体积比为0.8∶1.5，介质充填率为70%，磨矿浓度为70%，搅拌磨转速为800 r/min，剥片时间为180 min，六偏磷酸钠磨矿前一次性添加3%和磨矿前加1%，此后每隔60 min填加1%，剥片试验结果见图5。

图5 加药方式对剥片产品－2 μm粒级产率的影响Fig.5 Influence of dosing method on the yield of stripping product in －2 μm size

由图5可知，一次性添加3%的六偏磷酸钠比分段添加可以取得更高的剥片产品细度。六偏磷酸钠添加不足时会破坏料浆的双电层结构，形成大量的絮凝体，增加矿浆的黏度;一次性加入3%的六偏磷酸钠，浆料中六偏磷酸钠的浓度长时间维持在较高水平，浆料黏度则长时间维持在较低水平，有利于剥片［11］。因此，确定分散剂六偏磷酸钠的添加方式为一次性添加。

2.6 六偏磷酸钠用量对剥片效果的影响

试验固定六偏磷酸钠的添加方式为磨矿前一次性添加，刚玉质中球与小球体积比为0.8∶1.5，介质充填率为70%，矿浆浓度70%，搅拌磨转速为800 r/min，剥片时间为180 min，剥片试验结果见图6。

图6 六偏磷酸钠用量对剥片产品－2 μm粒级产率的影响Fig.6 Influence of dosage of sodium hexametaphosphate on the yield of stripping product in －2 μm size

由图6可知，随着分散剂六偏磷酸钠用量的增加，剥片产品中－2 μm粒级产率先明显上升后有所下降。这是由于过高的六偏磷酸钠会吸附在－2 μm高岭土颗粒表面，使颗粒间形成聚团，导致料浆的流动性下降，从而影响磨剥效率［11］。因此，确定六偏磷酸钠用量为3%，对应的剥片产品中－2 μm粒级产率为96.62%。

3 剥片高岭土的特征分析

3.1 剥片前后高岭土形貌分析

图7、图8分别为试样剥片前后的扫描电镜照片。

图7 试样剥片前的扫描电镜照片(放大10 000倍)Fig.7 The SEM photos of kaolin before stripping(×10 000)

图8 试样剥片后的扫描电镜照片(放大10 000倍)Fig.8 The SEM photos of kaolin after stripping(×10 000)

由图7、图8可知，剥片前的高岭土呈叠片状，不仅表面不平整，薄片平面尺寸和厚度均较大;剥片后的高岭土为单片状，但晶体结构并未受到明显破坏，表面平整，薄片平面尺寸和厚度均较小，颗粒粒度普遍小于2 μm。

3.2 剥片前后高岭土煅烧产品白度分析

取试样和确定条件下的剥片产品各10 g，在室温(25℃)下放入箱式电阻炉中进行弱氧化气氛煅烧，升温速度为5℃/min，煅烧温度为1 000℃，保温时间为2 h，烧成后在空气中自然冷却，最后测定各煅烧产品的白度，结果见表3。

表3 试样及剥片高岭土煅烧产品的白度Table 3 The whiteness of samples and stripping product after calcining %

由表3可知，剥片前后煅烧产品的白度分别为76.84%和82.08%，表明剥片可以明显提高高岭土熟料的白度。这是因为高岭土内层的着色有机杂质直接煅烧不易脱除，剥片可将着色有机杂质释放出来，这些杂质的脱炭和脱羟基更彻底，因而白度可以明显提高。

4 结论

(1)宜昌某高岭土样品为深灰色粉末，杂质含量较低，仅占5%左右;试样粒度较细，－2 μm粒级产率接近30%，但约有10%的高岭土未剥离，呈叠片状。要获得粒度细、白度高的高品质高岭土熟料，必须对试样进行剥片，较低产品粒度，且将高岭土内层的着色有机杂质释放出来，为煅烧脱色创造条件。

(2)试验确定的剥片条件为:磨矿前一次性加入与试样质量比为3%的分散剂六偏磷酸钠，刚玉质中球(=1.2 mm)与小球(=0.8 mm)的体积比为0.8∶1.5，介质充填率为70%，磨矿浓度为70%，剥片转速为800 r/min，剥片时间为180 min，剥片产品－2 μm粒级产率为96.62%，剥片产品呈单片状、表面平滑、颗粒均匀。

(3)剥片前后高岭土熟料的白度分别为76.84%和82.08%，剥片后熟料的白度较剥片前提高了5.24个百分点，这是因为高岭土内层的着色有机杂质直接煅烧不易脱除，剥片可将着色有机杂质释放出来，使这些杂质的脱炭和脱羟基更彻底，因而白度得以明显提高。

(4)剥片后高岭土的粒度和熟料的白度均达到高档填料的质量要求，属优质高岭土熟料。

［1］ 王 萌.煤系高岭土的插层及剥片研究［D］.郑州:郑州大学，2010.Wang Meng.Investigation on the Intercalation and Delamination of Kaolin from Coal Measures［D］.Zhengzhou:Zhengzhou University，2010.

［2］ 乔 炜，邹伟曦，陈 强.剥片高岭土的开发与应用［J］.非金属矿，2007，30(9):19-20.Qiao Wei，Zou Weixi，Chen Qiang.The development and application of stripping kaolin［J］.Non-metallic Mines，2007，30(9):19-20.

［3］ 管俊芳，俞燕强，魏婷婷，等.广西合浦高岭土的剥片研究［J］.金属矿山，2011(3):99-101.Guan Junfang，Yu Yanqiang，Wei Tingting，et al.Research on the stripping of Guangxi Hepu Kaolin［J］.Metal Mine，2011(3):99-101.

［4］ 王清华，李建平，刘学信.搅拌磨的研究现状及发展趋势［J］.洁净煤技术，2005，11(3):101-104.Wang Qinghua，Li Jianping，Liu Xuexin.Research status and development tendency of stirring wear［J］.Clean Coal Technology，2005，11(3):101-104.

［5］ 张印民，刘钦甫，赫军凯，等.高岭土插层—剥片研究进展［J］.中国非金属矿工业导刊，2010(2):11-14.Zhang Yinmin，Liu Qinfu，He Junkai，et al.Advances in researching intercalation and splitting of kaolin［J］.China Non-metallic Mining Industry Herald，2010(2):11-14.

［6］ 陈宏飞，刘钦甫.我国超微细高岭土的研究现状［J］.中国非金属矿工业导刊，2007(5):6-8.Chen Hongfei，Liu Qinfu.The present research situation of ultra-fine kaolin in China［J］.China Non-metallic Mining Industry Herald，2007(5):6-8.

［7］ 吴建民.GJ5×2双槽剥片机及其在高岭土剥片中的应用［J］.中国粉体技术，2003，9(2):41-43.Wu Jianmin.Double trough peeler and its application to kaolin［J］.China Powder Science and Technology，2003，9(2):41-43.

［8］ 张国富，朱燕娟，熊惠芳，等.高岭土黏度的影响因素及测试方法改进探讨［J］.非金属矿，2006，29(3):1-3.Zhang Guofu，Zhu Yanjuan，Xiong Huifang，et al.Discussion on the influence factors to viscosity of kaolin and improvement of testing method［J］.Non-metallic Mines，2006，29(3):1-3.

［9］ 刘 攀，何北海，赵丽红.分散剂对高岭土分散特性的影响［G］∥中国造纸学会新闻纸专业委员会.2007年学术年会论文及报告汇编.石家庄:中国造纸学会新闻纸专业委员会，2007:74-79.Liu Pan，He Beihai，Zhao Lihong.Experimental study on viscosity properties of unexfoliated kaolin［G］∥The assembly of Conference papers and reports by Newsprint grades commission of China Technical Association of Paper Industry in 2007.Shijiazhuang:Newsprint grades Commission of China Technical Association of Paper Industry，2007:74-79.

［10］ 张烈清，黄道培，彭 朴.不同类型高固含量高岭土浆液的制备［J］.无机盐工业，2002，34(1):101-104.Zhang Lieqing，Huang Daopei，Peng Pu.Preparation of different kaolin slurry with high solid content［J］.Inorganic Chemicals Industry，2002，34(1):101-104.

［11］ 林 海，于连吉，赵言勤.矿浆流态对煤系锻烧高岭土超细粉碎的影响和控制［J］.中国非金属矿工业导刊，1999(6):20-21.Lin Hai，Yu Lianji，Zhao Yanqin.The influence and control of the flow pattern of pulp on the preparation of ultra-fine calcinated coal kaolin［J］.China Non-metallic Mining Industry Herald，1999(6):20-21.