助磨劑和分散劑的作用原理

　　在磨礦時，磨礦區(qū)內(nèi)的礦粒通常受到不同種類應(yīng)力的作用，導(dǎo)致形成裂紋并擴(kuò)展，然后被粉碎。因此，物料的力學(xué)性質(zhì)，如在拉應(yīng)力、壓應(yīng)力或剪切應(yīng)力作用下的強(qiáng)度性質(zhì)將決定對物料施加的力的效果。顯然，物料的強(qiáng)度越低、硬度越小，粉碎所需的能量也就越少。根據(jù)格里菲斯定律，脆性斷裂所需的最小應(yīng)力為 

　　式中σ——抗拉強(qiáng)度；
　　E——楊氏彈性模量；
　　γ——新生表面的表面能；
　　L——裂紋的長度。

　　上式說明，脆性斷裂所需的最小應(yīng)力與物料的比表面能成正比。顯然，降低顆粒的表面能，可以減小使其斷裂所需的應(yīng)力。從顆粒斷裂的過程來看，根據(jù)裂紋擴(kuò)展的條件，助磨劑分子在新生表面的吸附可以減小裂紋擴(kuò)展所需的外應(yīng)力，防止新生裂紋的重新閉合，促進(jìn)裂紋的擴(kuò)展。助磨劑分子在裂紋表面的吸附如圖3·35所示。 

　　實(shí)際顆粒的強(qiáng)度與物料本身的缺陷有關(guān)，使缺陷(如位錯等)擴(kuò)大無疑將降低顆粒的強(qiáng)度，促進(jìn)顆粒的粉碎。

　　列賓捷爾(Rehbinder)首先研究了在有無化學(xué)添加劑兩種情況下液體對固體物料斷裂的影響。他認(rèn)為，液體，尤其是水將在很大程度上影響碎裂。添加表面活性劑可以擴(kuò)大這一影響。原因是固體表面吸附表面活性劑分子后表面能降低了，從而導(dǎo)致鍵合力的減弱。 

　　列賓捷爾等人提出的上述機(jī)理得到了一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證。例如，在振動球磨中研磨64h后，石英粉的表面自由能從未加助磨劑(5%硬脂酸)的51．44mJ/m2降低到36．87mJ／m2(20℃)。

　　表3．4所列為水對巖石抗壓強(qiáng)度影響的測定結(jié)果。結(jié)果顯示，巖礦濕抗壓強(qiáng)度較干抗壓強(qiáng)度低。磨礦實(shí)踐也表明，濕式磨礦較干式磨礦容易。

　　助磨劑還可降低固體物料的硬度。實(shí)驗(yàn)研究表明，添加0．5(L草酸鈉后，赤鐵礦的莫氏硬度降低了42．5%，顯微硬度降低了38%。

　　除了前述顆粒的強(qiáng)度和硬度以及比表面能外，從粉碎工藝來考察，影響粉碎機(jī)產(chǎn)量、粉碎產(chǎn)品細(xì)度和單位產(chǎn)品能耗的主要因素還有礦漿的黏度，礦粒之間的黏結(jié)、聚結(jié)或團(tuán)聚作用，礦粒在研磨介質(zhì)及磨機(jī)襯板上的黏附，等等。這些因素都將影響磨機(jī)內(nèi)礦漿的流動性。因此，在一定程度上改善磨機(jī)內(nèi)物料的流動性可以提高磨礦效率。對此，克蘭帕爾(Klimpel)等人進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)試驗(yàn)。結(jié)果表明，助磨劑改善了干粉或礦漿的可流動性，明顯提高了物料連續(xù)通過磨機(jī)的速度；物料流動性的提高改善了研磨介質(zhì)的磨礦作用；助磨劑通過保持顆粒的分散阻止顆粒之間的聚結(jié)或團(tuán)聚。因此，從這個意義上說，助磨劑是能夠降低礦漿黏度并提高礦漿流動性的物質(zhì)。為了解釋這一作用原理，他們進(jìn)行了兩類試驗(yàn)。

　　第一類是用實(shí)驗(yàn)室的批量磨礦機(jī)、用物料小于某一粒度，例如小于75μm(200目)的產(chǎn)量作為標(biāo)準(zhǔn)批量磨礦試驗(yàn)的磨機(jī)產(chǎn)量指標(biāo)。所謂標(biāo)準(zhǔn)批量磨礦是指物料種類、給料粒度、磨機(jī)型號、磨礦條件如磨礦時間等恒定。這種試驗(yàn)得到的磨礦結(jié)果(小于指定粒級的產(chǎn)率)與礦漿黏度的關(guān)系，如圖3．36所示。他們將這一關(guān)系分為3個區(qū)域。其中A、β屬于一階粉碎區(qū)域。在該區(qū)域內(nèi)，細(xì)粒級產(chǎn)率隨礦漿黏度(或礦漿濃度)的增大而提高；C區(qū)屬于非一階粉碎區(qū)域，當(dāng)?shù)V漿黏度(或濃度)增大到一定值后，指定細(xì)粒級產(chǎn)率開始下降。在一階粉碎區(qū)域，添加助磨劑幾乎沒有什么效果。但是在非一階粉碎區(qū)(即c區(qū))添加助磨劑后顯著提高了細(xì)粒級產(chǎn)率，而且將一階粉碎區(qū)域從A和B擴(kuò)寬到A和B`，即添加助磨劑后可相應(yīng)地增大磨礦濃度。

　　第二類試驗(yàn)也是在實(shí)驗(yàn)室批量磨機(jī)上進(jìn)行，采用比粉碎速度Sj和一階粉碎分布Bij來進(jìn)行評價。當(dāng)粉碎屬于一階時，給定粒度的顆粒的粉碎速度與該粒級的重量或產(chǎn)率成正比。

　　a一細(xì)粒級產(chǎn)率與礦漿濃度的關(guān)系； b一礦漿黏度與礦漿濃度的關(guān)系——不加助磨劑；----加助磨劑

　　因此，j粒級的粉碎速度 式中S，為j粒級的比粉碎速度；W為磨機(jī)中的裝料量， Wj(t)為磨礦時間t時j粒級物料的重量分?jǐn)?shù)。若開始給料時，Wj(o)為給料中最大粒級的重量分?jǐn)?shù)，則

測定該粒級的量隨磨礦時間的減少，使用對數(shù)坐標(biāo)圖，可以直接得出三種重要參數(shù)。第一，如果繪出的圖是直線，那么j粒級是一階粉碎方式，負(fù)的斜率就是sj的值；第二，SjW直接給出磨機(jī)產(chǎn)量；第三，如果繪出的圖是非線性的，說明黏度增加或細(xì)粒級增多，那么粉碎速度將減慢。圖3·37所示為logW．(t)／W1(0)隨磨礦時間的變化。由此可見，圖3-37a及b反映的是一階粉碎區(qū)域，圖3-37c反映的則是非一階粉碎區(qū)。在非一階粉碎區(qū)sJ顯著下降。

式(3-5)是假設(shè)給料為單一粒級導(dǎo)出的，對于混合粒級，設(shè)1表示最大粒級，2表示次大粒級，依此類推，則應(yīng)寫成式中 j粒級物料粉碎后進(jìn)入i粒級及其他更細(xì)粒級分?jǐn)?shù)的累積。

　　以上分別從磨礦工藝的不同過程，即磨機(jī)內(nèi)機(jī)械力對顆粒的作用過程及物料分散和輸送過程解釋了助磨劑的作用原理。實(shí)際上，影響磨礦產(chǎn)量或產(chǎn)品細(xì)度的因素是很復(fù)雜的。除了設(shè)備類型之外，還有物料的強(qiáng)度和硬度性質(zhì)、表面性質(zhì)、給料粒度、礦漿黏度或濃度、顆粒的團(tuán)聚和分散狀態(tài)等等。因此，從整個細(xì)磨或超細(xì)磨工藝來看，上述兩種作用原理是統(tǒng)一的、同時存在的。

　　B、分散劑的作用原理

　　在超細(xì)粉體懸浮體中，粉體分散的穩(wěn)定性取決于顆粒間相互作用的總作用能Vt，即取決于顆粒間的范德華作用能、靜電排斥作用能、吸附層的空間位阻作用及溶劑化作用能的相互關(guān)系。粒間分散與聚團(tuán)的理論判據(jù)是顆粒間的總作用能，可用下式表示 式中Vw——范德華作用能。兩個半徑分別為R1和R2：的球形顆粒的范德華作用能可表示為 若R1=R2=R,則有 

式中H——顆粒間距；
　　A——顆粒在真空中的Hamaker常數(shù)；
　　VR——雙電層靜電作用能。

　　半徑為R1和    R：的球形顆粒在水溶液中的靜電作用能可用下式表示

　　式中ψ——顆粒的表面電位；
　　ε——水的介電常數(shù)；
　　K----Debye長度的倒數(shù)，m-1；
　　H---顆粒間距。

　　在濕式超細(xì)粉碎過程中，無機(jī)電解質(zhì)及聚合物分散劑因使顆粒表面產(chǎn)生相同符號的表面電荷，引起排斥力從而使顆粒分開(圖3-38)。

Kj——空間位阻作用能。顆粒表面吸附有高分子表面活性劑時，它們在相互 接近時產(chǎn)生排斥作用，可使粉體分散體更加穩(wěn)定，不發(fā)生團(tuán)聚(圖3-39)，這就是高分子表面活性劑的空間位阻作用。

　　空間位阻能可用下式表示

　　式中Ap——一個高分子在顆粒表面占據(jù)的面積；
　　δ---高分子吸附層厚度；
　　H---顆粒間距；
　　k——玻耳茲曼常數(shù)；
　　T---絕對溫度；
　　Vrj——溶劑化作用能。顆粒在液相中引起周圍液體分子結(jié)構(gòu)的變化，稱為溶劑化作用。當(dāng)顆粒表面吸附陽離子或含親水基團(tuán) 的有機(jī)物，或者由于顆粒表面極性區(qū)域?qū)ο噜彽娜軇┓肿拥臉O化作用，在顆粒表面會形成溶劑化作用。當(dāng)有溶劑化膜的顆粒相互接近時，產(chǎn)生排斥作用能，稱為溶劑化作用能。半徑為R1和R2的球形顆粒的溶劑化作用能可表示為

　　式中h0——衰減長度；
　　H----相互作用距離；
　　Vrj——溶劑化作用能能量參數(shù)，與表面潤濕性有關(guān)。

　　當(dāng)顆粒間的排斥作用能大于其相互吸引作用能時，則顆粒處于穩(wěn)定的分散狀態(tài)；反之，顆粒之間產(chǎn)生聚團(tuán)。顯然，作用于顆粒間的各種作用力(能)是隨條件而變化的。添加分散劑對超細(xì)粉體在液相中的表面電性、空間位阻、溶劑化作用以及表面潤濕性等有重要影響。