矿物超细粉体性能检测与评价指标体系探讨_董发勤

第 22 卷增刊 非金属矿 Vo l122 Special Issue 1999 年 6 月 Non-Metallic M ines June, 1999 矿物超细粉体性能检测与评价指标体系探讨 董发勤 万 朴 彭同江 宋功保 (西南工学院矿物 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 及应用研究所,绵阳 621002) 摘 要 主要讨论了矿物超细粉体中一般粉体、异形粉体和功能粉体的性能指标体系及常用的检测 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ,指出了目前矿物粉体性能评 价和功能粉体开发方面的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 和方向。 关键词 矿物 超细粉体 性能指标 粉体的生成方式多种多样,但从结晶特性而言, 可分为结晶质粉体和非晶质粉体;从化合物特性来 分,可分为有机粉体和无机粉体,矿物超细粉体是一 种从粒度上划分的无机粉体。显然,各种粉体的性 能检测与评价指标体系是有差别的,结晶特性、组成 特性、粒度将是区分上述粉体的根本标志。对矿物 粉体而言, 粒度是评价其粉体性能的首要指标。习 惯上,人们特别重视制成粉体的性能指标,而对加工 过程和粉体使用过程中的性能指标重视不够。 1 一般超细粉体的性能评价指标 这里讨论的一般超细粉体,是指粉体在形态上 大致是球形的, 而且是广泛、大宗被生产和利用的矿 物粉体,如方解石和白云石系列粉体、长石和霞石系 列粉体、重晶石粉体、沸石粉体等。 由于粉体应用领域的差异,粉体的性能评价指 标会有所不同。高性能粉体功能材料的检测内容非 常详细,而且常依据产品用途的不同会有所区别。 目前的最新发展方向是, 通过粉体性能来预测所设 计制品的性能并逐步定量化, 即粉体制品数模设计; 同时产品的设计性能, 对粉体加工又会提出新的要 求。不同材料的粉体(如合成粉体与矿物粉体) , 性 能评价标准是不一样的。天然粉体的与其它粉体竞 争的结果,是用户对粉体粒度、形状、纯度、化学和相 组成等要求的不断提高, 从而也增加了粉体性能评 价的难度, 并不断促使粉体检测手段和技术取得进 步。 粒度、纯度、 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面性能, 是评价粉体的三大重要 方面。 111 粒度 粉体粒度和形态,是其最主要的性能评 价指标,表 1给出了主要测定手段的使用范围。对 矿物粉体而言, 电镜和图象显微镜、激光衍射、重力 沉降是最常用的,而且对特殊形态的微粒以及需要 准确测定表面几何特征的异形粉体(见后) , 电镜是 非常有效的手段。 表 1 粉体粒度测量及其使用的尺寸范围 测量方法 尺寸范围/Lm 10000 1000 100 10 1 011 0101 01001 筛分法 光学显微镜 电子显微镜 重力沉降 离心力沉降 激光衍射 几何影象角散射 准弹性光散射 流动法 利用上述几种粒度分析的方法, 要注意分散强 度和分散介质的影响。对密度很大或很轻、水敏性 物质,要考虑分散介质的选用。复粒是影响粒度准 确测定的关键因素, 可运用分散强度来降低复粒假 粒径的负面影响。 112 纯度 粉体的纯度, 应包括粒度纯度、相纯度 和对表面成份有特定要求的表面成份纯度。粒度纯 度,是相对于一般的粉体在未分级时粒度组成呈正 态分布而言, 高性能粉体对粒度的组成要求往往是 单一的,如 2Lm 占 98% , 实际上是一种粒度纯度的 表征。 从功能的角度看, 组成相同的粉体应是同一系 列的不同粉体, 如石英和非晶二氧化硅。由于矿物 本身的共生、伴生以及加工过程中,有意和无意的外 来物质的混入,如多型改变、助剂等, 会造成粉体物 相的不单一。因此, 相纯度是表征粉体微粒物相组 成的指标,非单一相组成的粉体应看成是混合粉体。 113 表面特性 11比表面积: 粉体的比表面积与其粒径有关, 并决定粉体改性剂的用量。对球形颗粒, 可依据其 )51) 粒径计算其比表面积;一般粉体, 常采用动、静态吸 附法,也有精度稍低的透过法;对异形粉体, 用粒径 计算法误差较大;而对那些内有多孔的粉体, 如硅藻 土、沸石、海泡石、坡缕石,要注意区分内外比表面积 的比例。 21表面能(机械活化能) : 经加工后的粉体, 有 相当一部分机械能转化为固体表面张力、晶格缺陷、 位错、非晶层、微裂纹等,应统称为机械活化能。当 前研究得较多的是固体表面张力,它常用表面物化 法来测定。 31表面结构、成份与官能团: 超细粉体的部分 功能,主要靠表面特性来完成,这种特性又是由表面 结构、成份和官能团所支配。粉体的表面特征差异 很大,主要是采用现代的表面/界面理论和谱学与微 束手段,来研究表面原子位型、结合强度、化学键性、 官能团种类等。常用的研究手段, 有电子显微技术、 电子衍射、光电子能谱、离子中和谱、红外(反射)光 谱、拉曼谱、俄歇电子能谱等。 对颗粒表面原子成份及粉体在细磨过程中表面 污染的特性分析,可采用电子扫描化学分析( ESCA) 等。 由于上述指标研究设备要求高、难度大, 运用它 们来指导生产和应用,显得研究积累比较薄弱。 41表面亲合性: 它主要与表面官能团有关, 如 表面官能团外端带有 OH - 、H2O、M-O 等, 多表现为 亲水性;表面官能团外端带有 C 等基团, 则表现出 一定的亲油性。多数矿物粉体表现为亲水性, 亲合 能力的差异,主要是由于表面官能团类型不同以及 作用对象的功能基团种类所致。表面亲合性可用润 湿角或铺展系数来表示。由于测定方法的局限, 也 可用渗透速度或分散性来快速测定。 51 表面电性与表面吸附: 表面电性是表面官能 团荷电及在介质中荷电不均衡的表现, 是粉体发生 吸附、凝聚、分散的主要原因。粉体表面电性, 可用 Zeta电位仪测定。表面吸附所表现的结果是多样 的,如表面污染、团聚、分散、吸气-吸水率等。 粉体性能指标中,还有一些比较重要的介质参 数,如分散性(特别是在非水体系中, 如在油墨、涂 料、釉料、油漆等尤为重要)、孔隙率、稳定性、吸油 率、电导率、pH 值等。 2 异形粉体性能评价指标 在超细过程中,体积和表面在三维空间变化极 不均匀的粉体(相对于粒状矿物而言) , 如纤维状、片 厚比大的片状矿物和多孔矿物, 应属于异形矿物。 因为矿物超细效应产生的本质, 是矿物颗粒子对外 来能量和应力作用所产生的一系列表面能量、表面 结构和表面力学行为的总响应。异形矿物的超细效 应,在颗粒表面上表现得最为强烈,其表征除沿用粒 状矿物的粒度和比表面积外,还有一些特定性能评 价指标。 211 微粒力学行为(粉体/气体系) 这里所指的微 粒力学行为, 是在粉体/气体系中, 载荷时间是几分 之一秒或更短些, 在这种环境中粉体所表现出的形 状改变及其断裂的性质。根据异形矿物的超细效果 和矿物对机械力加工方式的适应性, 以碰撞、冲击过 程中的弹、脆(断裂行为)、塑性为标准, 把矿物分为 弹性纤维矿物如温石棉, 脆性纤维矿物如纤维水镁 石。同理,高岭石等属于脆性片状矿物,白云母等为 弹性片状矿物。含有大量缺陷的超细粉体,如中空 或多孔超细粉体, 都有一定的塑性或延展性。 可用弹性常数表示矿物粉体的弹性特征,并常 用超声波脉冲法测定。矿物弹性常数常具有各向异 性。随着粒度的变细(达到微米级) , 矿物粉体有时 会呈现出一定的滞弹性, 它深刻地影响粉体的再粉 碎。 212 流变行为(粉体/水体系) 片状粘土矿物在湿 法加工工艺过程中,或在使用过程中,会形成一种粉 体/水体系, 而且会随着水介质的多少而表现出不同 的流变性质,如超细粉体的悬浮性会变好,尤其是原 来具有粘土性质的纤维矿物;超细赋予非粘土矿物 的超细粉体, 也具有一定的悬浮性和流变性。表征 粉体/水体系中流变行为的指标有:流变方程、粘度、 可塑性、悬浮性、触变性和膨胀性等。 213 形态系数 形态系数是与矿物结构、成份、结 晶习性、加工方式有关的重要表征参数。Heyw ood 曾提出较简便的描述粉体颗粒形态特征的两个参 数,即长度比(颗粒最长轴和与之垂直短轴之比)和 扁平比 (颗粒平等平面上的长度与平面间厚度之 比)。纤维材料形态系数常用长径比、片状材料常用 片厚比来描述。 一向延长的矿物很多,如描述为针状、纤维状、 放射状、棒状等,能否成为纤维粉体材料依赖于加工 后的长径比。由于纤维的横断面形态十分多样, 如 三角形、圆形、六边形、平行四边形、不规则形等;而 纤维的定义没有明确以长度、长度与直径或横截面 积之比为依据,使纤维的界定上没有统一的标准,如 动物试验用纤维规定其长径比须大于 5B1, 纺织纤 维长径比一般大于 100B1, 矿物纤维一般大于 15B1 等。 片状矿物粉体的形态系数片厚比(也叫纵横比 或片度)也有类似的情况,即没有明确界定片厚比是 以平面直径或平面面积与垂直平面厚度之比。对不 )52) 规则片状矿物粉体, 其片厚比的代表性不强; 片状矿 物粉体的片厚比变化,在不同矿物之间可以很大, 如 云母可高达 100~ 10000,高岭土仅为 4~ 10。 片厚比和松散体积之间有如下关系:片厚比= 40 @松散体积- 100。它是否适用于长径比还有待 验证。 表面几何形态、擦痕、台阶、边缘粗糙度等异形 粉体的精细特征,会随着应用要求的变化成为超细 粉体的特定指标。 目前较有效的测定以上性能指标的手段, 是高 性能显微镜和电镜。 214 松解度 异形矿物中纤维、片状和多孔矿物, 是形态、性能和用途十分独特的一类矿物材料。从 理论上讲, 矿物单体的厚度或直径均在单元纳米级 左右,如云母单元层厚为 1nm ,温石棉的直径为几十 nm。实际上,片状矿物剥片性也有较大差异, 云母 很难剥至厚度小于 1Lm 以下,而高岭石等片厚度可 剥至几百 nm 以下。同样, 纤维矿物的疏解性也如 此,疏解性好的温石棉其长径比也很高。 这里,我们可以定义异形矿物的松解度, 是实际 粉体片厚或直径接近理论值或目标值的程度, 可用 理论单体的厚度或直径与实际粉体的片厚或直径之 比来表示。实用上可用等重粉体加工前后的松散堆 积体积之比来测定。 抗张强度是异形粉体材料力学性能的重要指 标。 3 特种粉体的性能评价指标 特种粉体, 是由于它有别于一般粉体的性能和 有特殊的用途而言。这里仅列出这些粉体需要附加 测定的主要性能指标。 311 改性粉体 矿物粉体一般都需要改性。改性 后的粉体除上述性能指标外, 还有一些反映改性效 果的指标如包覆率、活化指数等。 包覆率是定量表示粉体被改性分子包覆厚度和 覆盖程度的改性指标,是选择最佳用量、控制最佳包 覆条件的重要依据。常用热分析法、反射红外光谱 法、XPS法等进行测定。这些手段可提供粉体与改 性剂成键状况的信息。 312 热功能粉体 阻燃剂粉体:需测定氧指数, 热相变温度, 热相 变产物,热容, 表面燃烧性, 耐火时间, 发烟(气)系 数,热穿透率,火焰传播速度等性能指标。 绝热粉体: 需要测定导热系数,热胀系数,热容, 容重等性能指标。 特别需要强调的是,要充分重视传统材料的性 能指标与现代功能材料独特性能之间的关系,如材 料的热传导系数与低超声衰减正相关, 热传导系数 越大,微波频率损失就越大。因此,黄玉、绿柱石、电 气石等适合作表面波介质。 313 电功能粉体 电功能粉体: 需要测定电导率,介电常数, 介电 导电,介电损失,介电强度, 铁电性等;压电、热电、声 电等,也是特殊电学材料的性能指标。 磁功能粉体: 以人造的尖晶石型为主,目前还没 有针对加工磁性粉体的超细设备。 314 光学功能粉体 光学功能粉体: 主要测定折射率,颜色指数, 光 泽,白度,着色力等;声光、电光、磁光等,也是特殊光 学材料的性能指标。 另外,抗辐射功能粉体,应引起足够的重视。从 人体居住的自然环境来看, 抗辐射是广义上的, 应当 包括从电工频率到 X射线、C射线等以波的形式发 射的整个电磁波波谱。目前,对矿物为粉体材料的 物理性质研究甚少, 限制了这一有广泛应用前景的 新兴领域的开发。 4 结论 11粒度、纯度、表面性能、微粒力学性能, 是评 价粉体的四大重要方面。随着粉体性能的不断提 高,测定粉体性能的方法和手段也将不断更新。目 前,还需要从国标上统一表征粉体性能指标体系和 测定方法。 21异形矿物粉体在各种介质环境中的力学行 为和松解程度,是其与一般粉体区分的根本标志,有 待于寻求更完善的方法来描述这类粉体的本质性 状,以利于其更好地发挥独特功能的作用。 31矿物粉体的发展方向,是功能材料粉体。这 类粉体的开拓,依附于矿物潜在性能的深入研究和 研究这类性能技术手段的先进性。 参考文献 1 董发勤等 1 矿物超细效应及其效果的检测评估 1 中国矿业, 1997, ( 1) 2 中国材料研究学会 1 北京c98中国材料研讨会论文摘要集( 上、 下)1 内部资料, 1998 3 董发勤 1 矿物纤维的超细粉体加工特性 1 中国矿业, 1995, ( 6) 4 潘兆橹等 1 应用矿物学 1 武汉:武汉工业大学出版社, 1992 5 郑水林 1 粉体表面改性 1 北京:中国建材工业出版社, 1995 )53)