Brucite行星球磨超细化过程粉碎效率分析

李 鑫，王少冕，刘权智，刘 慧，于洪浩

(沈阳理工大学 材料科学与工程学院，沈阳 110159)

水镁石(Brucite)是一种以Mg(OH)2为主要化学成分的低温热液蚀变矿物。由于矿物中Mg(OH)2含量高，可以作为生产镁基耐火材料和提炼金属镁的优良原料。同时，Brucite还具有良好的抑烟性、较佳的耐热性和抗酸性，可作为无机阻燃剂使用[1-4]。

以往用作阻燃剂的Mg(OH)2多通过苦卤化学法制备，成本较高[5]。辽宁省有丰富的天然Brucite矿物资源[6]，Brucite生产无机阻燃剂过程简单，与化学法合成的Mg(OH)2相比成本优势明显。阻燃级Mg(OH)2要求颗粒粒径D90<2～3μm，因此天然Brucite的超细粉碎工艺成为获得理想粒度的Brucite阻燃剂的关键技术[7-10]。作为超细粉体加工方式之一，行星球磨法具有研磨效率高、不受临界自转转速限制等优点，在矿物加工领域得到了广泛的应用[11-14]。虽然许多研究人员做过关于Brucite的行星球磨超细粉碎过程研究，并以平均粒径作为粉碎效率的特征表征参数，建立了过程动力学模型，但这种模型不连续，难以应用于粉碎过程模拟、优化[15]。

与过程动力学模型相比，Selection and Breakage Model(简称BS)解析模型是连续形式的动力学模型，是根据粉碎物料质量平衡规律，选择函数(Selection function)和破裂函数(Breakage function)经过一系列的数学变化建立起来的模型。

本文以Brucite为原料，用行星球磨工艺进行超细化研磨处理，研究Brucite行星球磨过程中研磨介质直径、粉料填充率、球磨机自转转速对粉碎效率的影响，并在最佳球磨工艺条件下，实现粉体球磨-改性一体化处理，满足Brucite作为无机阻燃填料的使用要求。

1 实验

1.1 原料及试剂

本实验所用原料为天然Brucite矿粉，产地为辽宁大石桥地区，主要化学组成见表1，初始粒径D50为0.94μm，D90为20.59μm；硬脂酸锌(化学纯)，天津市博迪化工有限公司提供。

表1 Brucite矿的成分及含量 wt%

1.2 Brucite样品的表征仪器

激光粒度仪LS900，欧美克仪器有限公司；热重/差热同步热分析仪TGA/SDTA851，梅特勒-托利多；接触角测量仪JY-82，北京哈科试验仪器厂；X射线衍射仪Rigaku D/MA X-2400，日本理学。

1.3 实验过程

1.3.1 Brucite超细粉碎

将一定量的Brucite及研磨介质按一定比例加入到球磨罐中，开动球磨机，控制球磨转速，在球磨一定时间后对粉体进行粒度分析。

1.3.2 超细改性Brucite

为改变Brucite的表面性质，将Brucite粉与硬脂酸锌同时放入球磨罐内，加入适量水，使之浸润完全，硬脂酸锌加入量为Brucite质量的2%；在一定的球磨条件下进行改性实验；将球磨后样品固液分离，低温烘干，然后进行表征分析。

1.4 实验模型

实验所用模型为Nakajima等[16]依据粉碎动力学的基本积分形式推导出的超细粉碎工艺的BS解析模型。

(1)

根据方程(1)的Rosin-Rammler曲线，可以对方程(1)做近似变换，得到方程(2)为

R(x，t)≈R(x，0)exp[-(μKxnt)v]

(2)

式中：R(x，0)表示未处理粉体中D50大于x的粉体质量占全部粉体质量的百分比；R(x，t)表示在球磨时间为t时，D50大于x的粉体质量占全部粉体质量的百分比；K表示粉体的粉碎效率常数，K值的大小表示粉体材料的粉碎效率；x表示粒度；n表示幂次；t表示球磨时间；μ和v是由球磨设备和粉体决定的常数。

2 结果与讨论

2.1 Brucite超细粉碎的影响因素分析

2.1.1 介质直径对粉碎效率K的影响

氧化锆球作为研磨介质，其直径对粉碎效率K和粉体粒度有一定影响，如表 2 所示。

表2 锆球直径对粉碎效率和粉体粒度的影响

在固定介质填充率的条件下，研磨介质的直径与数量成反比。球磨过程中，若采用直径较大的球磨介质，由于质量较大，冲击能量大，有利于前期的迅速破碎；在球磨后期，粉体粒度较小时，由于大球之间碰撞点少，捕捉小颗粒粉体的几率小，球磨效率低。若采用直径较小的球磨介质，在同样的填充率条件下，球的数量和比表面积增大，小球之间的碰撞点增多，捕捉小颗粒粉体的几率变大，球磨效率高。

由表2数据可以看出，随着球磨介质直径d的降低，行星球磨的K值反而增加。d=20mm时，K=0.0019；d=6mm时，K=0.03，K增加了15.79倍。同时，随着d值的降低，Brucite样品D50的值随之降低，表明在Brucite球磨过程中可以通过降低锆球直径实现粉碎效率提高的同时得到较小粒径的Brucite粉体。

2.1.2 介质填充率对粉碎效率K的影响

介质填充率与K及粉体中位粒径D50的关系如表3所示。

表3 介质填充率对粉碎效率和粉体粒度的影响

从表3中可以看出，介质填充率从30%增大到50%，K值从0.0065增大到0.0332，增大了5倍；在介质填充率为50%时K值最大，介质填充率增大到60%，K值下降到0.0318。这是因为对于球磨工艺而言，50%的填充率已经达到最佳状态；当填充率超过50%后，过多的研磨介质会造成研磨能耗增加，研磨介质磨损加大，研磨噪声提高，并可能超过球磨机的有效负荷进而产生危险。由表3可以看出，当填充率为50%时，粉体的中位粒径最小，达到0.42μm。

2.1.3 球磨转速对粉碎效果的影响

球磨转速与K及粉体中位粒径D50的关系如表4所示。

表4 球磨转速对粉碎效率和粉体粒度的影响

由表4可以看出，本实验中随球磨机自转速度从360 r/min 增加至520 r/min，所制备粉体的D50由4.57μm下降至0.56μm，相应的K值由0.0021增加至0.04，K值增加了19倍。虽然球磨转速为580 r/min时K值达到0.06，但提高效率有限，同时转速为520 r/min和转速为580 r/min所得到粉体的中位粒径同样为0.56μm，所以最佳自转速度确定为520 r/min。

通过对K和球磨工艺因素之间关系分析结果可以得出，影响超细过程粉碎效率的因素顺序为球磨机转速>研磨介质直径>介质填充率。

2.2 Brucite样品超细粉碎改性一体化效果表征

在最佳超细粉碎条件下，添加硬脂酸锌作为表面改性剂(按1.2.2节的加入量)，对Brucite样品进行超细粉碎-改性一体化实验。图1为改性处理前后Brucite粉体的粒度分布图。

图1 改性处理前后Brucite粉的粒度分布图

从图1可以看出，Brucite粉体经球磨处理后中位粒径D50由13.8μm降低到0.56μm，同时，分布范围也相应变窄。

图2为改性处理前后Brucite粉的XRD图谱。

由图2可看出，Brucite原粉和改性处理后Brucite粉体均在(001)、(100)、(101)、(102)、(110)、(103)晶面出现特征峰，表明表面改性并没有改变晶体的结构；但表面改性后BruciteXRD的衍射峰强度降低，证明表面改性剂均匀吸附在Brucite晶体表面，进而降低了衍射峰强度。

图2 改性处理前后Brucite粉的XRD图

图3为Brucite粉改性处理前后的热重图，由图3可知，经改性的Brucite粉与原粉相比热分解温度范围显著变宽，表明粒度降低可引起脱水吸热过程的宽化，但最终的重量没有明显变化。而且低于300℃没有明显失重，表明改性剂与Brucite粉之间有着强烈的作用，不是简单的物理吸附作用。

图3 改性处理前后Brucite粉的热重图

由于Brucite与水的润湿性较好，因此测试Brucite原粉接触角时发现，样品会将滴上的水珠全部吸收，测试仪采集不到数据。图4为改性后Brucite粉体的接触角测量结果图。

图4 改性后Brucite粉体的接触角图

经过表面改性处理的Brucite粉体润湿性明显改变，经过三点定线处理后获得粉体的接触角达到147.7°，改性效果较好，可以满足无机阻燃剂的使用要求。

3 结论

随着研磨介质直径d的降低和行星球磨机转速的提高，Brucite的K值随之增加；当介质填充率由30%增加到50%时，K值增至最大，介质填充率继续增加K值反而下降。影响超细过程K值的因素顺序为球磨机转速>锆球直径>介质的填充率。Brucite超细球磨工艺的优化工艺参数为：球磨机转速为520 r/min，研磨介质直径为6mm，介质填充率为50%。球磨改性处理所得的Brucite粉粒径细(D500.56μm、D901.26μm)，粒径分布比较均匀，接触角为147.7°，粉体的改性效果好。热重分析结果表明，300℃之前无明显失重，表明表面改性剂与Brucite粉表面结合程度高，作用明显。XRD分析表明，经过表面改性后的Brucite粉体表面均匀吸附了表面改性剂，没有破坏Brucite原粉的晶体结构。