超细电气石制备过程中影响粒度因素的研究
宋羽，韩炜，陈敬中
（中国地质大学纳米科技中心，武汉，430074；2.华东理工大学材料科学与工程学院，上海，200237；3.中国地质大学料科学和化学工程学院，武汉，430074）

　　 摘要：阐述了超细电气石在应用中的重要性及其电性机理，在不同的研磨时间、固液比、溶剂、助磨剂用量条件下，用湿法研磨对电气石（2000目）超细处理，并进行了粒度分析测试，分析讨论了以上因素对超细电气石粒度的影响，总结出了最佳的超细条件，并预测了如果在此基础上进行更深入的研究和分析，此法有可能成为纳米级电气石的制备方法之一。
关键词：电气石；超细研磨；助磨剂；；粒度
Influence of its Granularity in Preparetion ofUltra-fine Tourmaline
SONG Yu,HAN Wei, CHEN Jing-zhong

(Nanomeler technology Center, China University of Geoschienees,Wuhan Hubei430074,China)
Abstract: The electrical property mechanism,the application importance of superfine tourmaline
Were discussed. The raw tourmaline powder (2000meshes) was dealt with by sand milling in difficrent conditions, such as different milling time,proportions of solid and liqulid,solvents and amounts of grinding aid . Througn the analysis of the granularities,the optimum condition of superfine foumaline was ascertained.? And at the same time,mano-toumaline would be obtained th rough further study of this grinding method.

Key words: tourmaline,ultafine grinding; grinding aid; gmmularities

　　电气石具有压电效应和热电效应，以前多用于工业领域中，1989年，Kubo 首次发现了电气石存在自发电极、电气石微粒周围存在静电场的现象，就此国内外对电气石微粉的电场效应展开了一系列的研究。

1 电气石原样及其化学成分分析

　　试验用电气石样品为新疆阿勒泰矿区的黑色电气石，各种化学成分含量：SiO2 58.75% ,Al2O3 12.01% ,Fe2O3 6.12%,MgO 6.35%,K2O 1.66%结晶水12.26%,杂质2.85%，样品以电气石为主，同时含有微量长石、石英、云母、伊利石等矿物。

2 电气石超细过程及其影响因素

　　使用湿法研磨进行超细，原样为2000目电气石粉体，经美国Brook heaven公司的zetaplus粒度检测，其粒度为826.1 nm,取300g原样与不同的溶剂均匀混合成浆体，用粒径1-3mm氧化锆球400作为研磨介质，室温下在德国耐驰公司制造的minizeta031卧式循环砂磨机中研磨，研磨过程中研磨分别分批加入分散剂W，研磨后得到液体样品。
2．1研磨时间
　　研磨过程中，研磨时间的不同会直接影响到电气石粒径的变化。为了找出研磨时间与粒径关系的规律在以去离子水作液相介质，并分别在1、2、3、6h取样，用Zetaplus粒径检测仪检测，其粒径结果和变化曲线如图1所示，前3个小时内电气石的粒径随时间的增长呈下降趋势，随时间的变化较明显。3h以后到6h，粒径随时间的增长呈上升趋势，但随时间的变化不明显。

　　可见电气石的超细有一个最佳的研磨时间范围，经分析应该在3h左右，低于3h后几乎没有研磨效果，甚至粒径有变大的倾向，初步判断是因为产生了“逆磨”（或“过磨”）行为所致，即微粒径已经达到了磨机的极限，欲进一步延长粉碎时间来达到磨细物料的目的是徒劳的，因为此时的机械力已不足以抗衡物料的更高的断裂强度，只能用于维持粉磨平衡，并促使小微粒的凝并、团聚，形成二次粒子，反而会导致粒径变大，对于控制和推迟“逆磨”现象来讲，研磨时间和助磨剂的研究是解决问题行之有效的途径，试验可见研磨时间的控制是电气石超细纳米化效果，时间过长不仅浪费能源更会对粒径的细化起到反作用。

2．2 固液比

　　研磨时浆料的固液比不同也会影响到超细的效果，导致电气石粒径的变化。在去离子水作液相介质，W助磨剂用量为2%的条件下，分别以1:3,1:2、1:1、2:1的固液比研磨3h，研磨过程中发现，2h后固液比为2:1的样品发生“增稠”现象，浆料粘度变大，流动性差，几乎导致磨机无法顺利研磨下去，而1：1、1：2、1：3比例的样品在整个研磨过程中几乎没有明显的“增稠”现象发生。图2是固液比与样品的粒径值的关系曲线，由图2可见，研磨浆体的固液比不能过高也不宜过低，而是应该选择在一个最佳范围内，才能获得较好的超细效果，所以，固液比的选择对电气石的超细纳米化尤为重要。

2．3溶剂
　　在湿法超细纳米化中，液相介质对电气石微粒的粒径也有一定的影响。由于电气石微粒属于极性颗粒，为了使电气石微粒能均匀分散在液相介质中，提高研磨效率，根据极性相容原则，选取极性液体去离子水，正丁醇和乙醇作为液相介质进行研究。同时，W助磨剂溶于此三种液相介质。在W助磨剂用量为2%，固液比为1：1的条件下，分别以去离子水、正丁醇和乙醇为液相介质与电气石粉体均匀混合成浆料，研磨3h。研磨过程发现以正丁醇和乙醇为液相介质的样品粘度相对较大流动性较差。研磨后，其粒径如图3所示。显而易见，不同液体相介质电气石样品的超细效果相差不大，其中正丁醇的效果最好，这与正丁醇为液相介质的样品流动性好，循环次数多，研磨较为均匀有关，醇类分子中既含有极性的羟基又含有非极性的烷基，它们对电气石微粒表面的极性基团和W助磨剂中的非极性团都具有较好的相溶性，因此电气石微粒在醇类中的分散性要优于在水中分散性，醇类作为液相介质对研磨效率的提高也提高了一定的作用。

2．4助磨剂

　　作为液体助磨剂的表面活性剂或分散剂通常按化学结构来分类，主要分为离子型和非离子型两大类，离子型中又可分为阳离子型、阴离子型和两性表面活性剂量测定。
由于与离子型表面活性剂不同，非离子表面活性剂的亲水性是通过醚基氧原子及羟基与水的氢原子形成氢键的作用产生的。因此，其在溶液中不是离子状态，稳定性高，不受强电解质无机盐类存在的影响，也不易受到ph值的影响，并且与其它类型的表面活性剂相容性好，经初步分析与试验，选择了表面活性剂黄色透明油状的非离子型高分子表面活性剂W作为试验用助磨剂。

在配制分散稳定的无机粉体水浆料时，分散剂量并非越多越好，它有最佳的用量范围。为了研究W助磨剂的最佳用量，就在以水为液相介质，固液比为1：1、PH-7的条件下，分别加入1%，2%，3%，4%的W助磨剂研磨3H，通过分析不同用量下的微粒粒径，来确定最佳用量范围，W助磨剂用量与对应粒径如图4所示。根据图4可见，对于W助磨剂来讲用量在3%左右时超细效果最好，继续增加用量反而会导致粒径增大。
当表面活性剂的乃是不够时，就无法使分散体系中的微粒吸附不完全，一部分没有吸附到或吸附少量表面活性剂达到一定浓度时，界面吸附已达到饱和，疏水基聚集在中央，形成球状体均匀分布在溶液中，这种球状聚集体称为胶束或胶团，表面活性剂能形成胶束时的最小浓度称为临界浓度。在研磨中，当W的浓度达到或超过临界浓度后，W分子就会聚集起来而形成胶束，失去了表面活性，起不到分散的作用，致使研磨效率和效果下降，这也是试验中当W的用量超过3%左右时电气石微粒粒径增大的原因。

2．5 最佳条件研磨试验

　　综上所述可知，对此电气石样品，在以去离子水为溶剂、固液比为1：1、分散剂为3%的条件下，研磨3h可以达到最佳效果，图5是电气石原样的透射电子显微镜（TEM）照片，图6是最佳条件下粒度为208.3nm的超细样品的透射电子显微镜（TEM）照片，可以看出原样粒度较大，且多为团簇，超细后的样品微粒呈纤维状，长径值在200-300nm之间，短径值在30-100nm之间，并且微粒分散均匀。

3结论

经过上述试验与分析，可以得到如下结论：

• 超细过程中时间、固液比、分散剂用量都有一个最佳范围，低于或高于这个范围，都达不到最佳超细效果；
• 对比水，正丁醇，乙醇这三种不同的溶剂，正丁醇为溶剂的超细效果较好，乙醇其次，这与它们本身起到一定的分散效果从而使电气石研磨得更均匀有关，需要更进一步研究讨论；
• 在此研究的基础上，对影响电气石超细粒度的各个因素再进行更为细化的研究，优化各种条件，甚至引入一些其它有利条件，应该能产生更好的超细效果；
• 从透射电子显微镜图片来看，此法超细电气石微粒从二维方向达到纳米级，从某种意义上讲，此法有可能成为制备纳米电气石的方法之一。