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硅灰石的深加工开发与应用现状
来源:中国粉体技术网    更新时间:2015-05-13 09:13:32    浏览次数:
 
      (中国粉体技术网/班建伟)硅灰石是一种钙的偏硅酸盐矿物,理论组成为:CaO 48.3%,SiO2 51.7%。它具有较好的化学稳定性,耐酸、耐碱、耐腐蚀,但在浓盐酸中易发生分解,形成絮状物。在焙烧条件下,可与高岭石、叶蜡石、伊利石、滑石等矿物发生固相反应。硅灰石中的钙易被铁、锰、镁、钛、锶等杂质取代而形成类质同象变体,所以纯净的硅灰石很少见。
       硅灰石有许多与其物理和化学性质有关的工艺特性,自从它被开发利用以来,其工业领域的应用范围一直在迅速扩大。它的重要特性之一是具有针状和纤维状的晶体形态,在陶瓷工业、涂料工业和绝缘材料工业中有着极重要的用途。另一重要特性是其助熔性能,能在较低的温度下,即与氧化硅、氧化铝等相熔,起到降低混合物熔融温度的作用,可作为一种良好的助熔剂。除此之外,它还具有良好的纯度和白度,在高级陶瓷产品和优质白色油漆与发亮涂料的生产中发挥重要作用。
1.硅灰石的开发
       根据1994年批准实施的中华人民共和国建材行业硅灰石标准(JC/T535-94),可将硅灰石产品按粒径分为五类(表1):

1 硅灰石粒径分类
类别 块粒/mm 普通粉/μm 细粉/μm 超细粉/μm 针状粉/μm
粒径 1-250 38-1000 10-38 0-10 长径比10:1
硅灰石的加工技术一般包括提纯、超细粉碎和表面改性。
1.1 硅灰石的提纯
       硅灰石提纯的主要目的是去除有害铁矿物,降低方解石、石榴石、石英等限量矿物的含量。提纯的主要方法有手选、电磁选、浮选和联合选。手选是防止混入的废石在破碎过程中产生更多的细小颗粒而增加后续提纯的难度。硅灰石纤维松解,可实现与脉石矿物选择性破碎。选择性破碎后分段筛选即可实现硅灰石与脉石矿物的快速分离。由于硅灰石无磁性,而铁矿物透灰石、石榴石等脉石矿物为磁性或弱磁性矿物,强磁选即可达到硅灰石与脉石矿物的分离或部分分离。
1.2 硅灰石的超细粉碎
       硅灰石粉的粉碎加工,是要将其加工到一定粒度,同时还要尽量保持晶体的长径比。硅灰石的长径比一般为7-8:1,有的可达15-20:1,最高为30:1。由于粉碎方法的差异,所得硅灰石的长径比有所不同。
       目前来讲,国内所用到的硅灰石粉碎设备可分为以下几类(表2),工作原理和粉碎效果均有所不同。

表2 硅灰石针状超细粉碎常用设备
设备 工作原理 粉碎效果
冲击式 高速转子将物料分散到粉碎腔周边,受到冲击 细度10-13μm
粉碎机 作用,在定子和转子受到惯性力和摩擦力的挤压、剪切、破碎被气流带出得到产品。 较大长径比10~12
气流磨 气流的高速运动使物料颗粒之间、颗粒与气壁之间产生冲击碰撞和摩擦剪切使物料破碎。 长径比可达12~15
搅拌磨 通过搅拌器搅动研磨介质产生冲击、摩擦和剪切作用使物料粉碎。 平均细度可4.5μm平均长径比为6~8
振动磨 筒体的高频振动使筒体内的研磨介质对物料进行剧烈碰撞、研磨导致物料破碎分离。 90%小于20μm长径比8:1-10:1
雷蒙磨 磨棍绕轴旋转时由于离心力作用紧压在磨环上物料在磨棍与磨环之间受到挤压和研磨作用而被粉碎。 50%小于11μm 100%小于34μm 平均长径比8.4
球磨机 磨球间相互碰撞、冲击及剪切,磨球与罐壁之间相互碰撞、研磨,使物料粉碎。 细度13-16μm长径比约为3-4
 
       影响硅灰石针状粉性能指标的主要因素有分散介质、机械粉碎作用力特性等,适量的助磨剂也有利于提高产品的长径比。
1.3 硅灰石的表面改性
       硅灰石的表面改性可分为有机改性和无机改性;根据表面改性剂和颗粒间有无反应,硅灰石有机化改性又可分为表面化学改性和表面吸附包覆改性;表面无机化改性主要是指沉淀包覆。
       硅灰石改性最常用的表面改性剂有钛酸盐、铝酸盐、硬脂酸盐和硅烷等。其改性方法是将硅灰石和表面改性剂在容器内高速搅拌,使硅灰石和表面改性剂充分接触,在一定的条件下使其发生反应。也可在硅灰石的粉碎过程中加入改性剂,通过机械力化学的作用进行改性。目前已有的改性设备中,国内常采用高速加热搅拌机,国外则多用流态化和冲击式改性装置。
2. 硅灰石的工业应用
       目前,随着硅灰石深加工工艺的发展,硅灰石的应用领域正在不断扩大和深入,主要表现在陶瓷工业、涂料、橡塑工业、冶金工业及环保建材。
2.1 陶瓷工业
       陶瓷工业中,硅灰石可降低陶瓷的烧成温度和缩短点火时间,减少热膨胀,同时高长径比的硅灰石可使坯体具有较高的强度和较好的压型质量,有助于形成快速排除气体的通道和提高坯体表面的声学效应,大大减少在焙烧过程中产生的分层和开裂现象,这不仅大幅度降低能耗和增加产量,而且能大大改善陶瓷制品的机械性能,提高产品质量。因此,在陶瓷工业中被广泛地用于生产建筑陶瓷、日用陶瓷、美术工艺陶瓷、多孔过滤陶瓷、低介电陶瓷、精密铸造陶瓷模具、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、吸湿性低、绝缘性高和耐高温等特性,非常适用于涂料。它能使白色涂料具有明亮的色调,并能长时间保持。其针状的晶体使它成为涂料的良好平光剂,改善涂层的流平性。硅灰石粉的粒子形状,是涂料良好的悬浮剂,沉淀物柔软易分散。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 橡塑工业
       橡塑工业中,主要是利用硅灰石针状结晶所产生的类似纤维的增强作用,以代替价格较贵的玻璃纤维、碳纤维以及危害人体健康的石棉等增强材料。而且高长径比的硅灰石经表面改性后作为填料充填在塑料、橡胶和聚合物中,可增强其机械强度和表面光滑,减少收缩,增强阻污力,允许填充较多的填充剂,减少颜料的用量等,从而可降低制品的生产成本,提高制品的力学性能,并赋予塑料、橡胶和聚合物自身所没有的特殊功能。
2.4 冶金工业
       硅灰石具有低温助熔特性,广泛用于冶金工业。尤其在连铸方面,硅灰石的优越性能更加明显。硅灰石用作冶金保护渣基料,具有减少配料种类、热稳定性好、化学成分稳定、铸件表面光洁、低碳等优点。用硅灰石作电焊条配料,可减少焊接的火花,使焊缝成型整洁美观,增加机械强度。
2.5 环保建材
       高长径比的针状硅灰石粉以其无毒、无味、无放射性等优点,逐渐取代了石棉和玻璃纤维,成为优质的环保建材新原料。由于硅灰石在被粉碎到很细的情况下仍能保持其独特的针状结构,使得添加了硅灰石针状粉的硅钙板、防火板等材料的抗冲击性、抗弯折强度、耐磨强度均大大提高。在建筑材料领域,硅灰石的应用前景不可限量。
3. 结语
       从以上分析,可以看出硅灰石的加工技术在不断提高,应用领域不断拓宽。就今后发展而言,首先要重视硅灰石的深加工,尤其是改性后的硅灰石产品的开发,以提高产品附加值。其次,要加强硅灰石在应用方面的研究,充分并合理的拓展其应用领域。


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