摘 要

以新疆尉犁蛭石为原料，使用高温法与化学法制得膨胀倍数相同的高温膨胀蛭石与化学膨胀蛭石，将两种蛭石分别进行分散球磨，改变球磨时间、转速、浓度以及分散剂种类、用量、溶剂，通过沉降实验、XRD和显微镜观察的方式探究不同条件对膨胀蛭石分散情况的影响，从而得到不同膨胀蛭石最佳的分散球磨条件:

（1）高温膨胀蛭石最佳分散的球磨条件为磨矿浓度24%，行星磨转速为200r/min，磨矿时间6h，分散剂使用一水合柠檬酸，分散剂含量为1%，最佳分散体系为混合溶剂（乙醇：甲苯=1：1）。

（2）化学膨胀蛭石最佳分散的球磨条件为磨矿浓度29%，行星磨转速为200r/min，磨矿时间6h，分散剂使用一水合柠檬酸，分散剂含量为1%，最佳分散体系为甲苯。

关键词：膨胀蛭石，剥分，球磨工艺，分散

Abstract

Taking Xinjiang Yuli vermiculite as raw material, using high-temperature method and chemical method to produce high-temperature expanded vermiculite and chemically expanded vermiculite with the same expansion ratio, the two kinds of vermiculite were dispersed and ball milled separately, and the ball milling time, rotation speed, concentration and dispersant type, the amount, the solvent were changed, through the sedimentation experiment, XRD and microscopic observation to explore the effect of different conditions on the dispersion of expanded vermiculite, so as to obtain the best dispersion ball milling conditions of different expansion meteorites:

(1) The best dispersed ball milling condition of high temperature expanded vermiculite is grinding concentration of 24%, planetary grinding speed of 200r/min, grinding time of 6h, dispersing agent using citric acid monohydrate, dispersing agent content of 1%, best The dispersion system was a mixed solvent (ethanol: toluene = 1:1).

(2) The optimal dispersion of chemically expanded vermiculite is a grinding concentration of 29%, a planetary grinding speed of 200 r/min, a grinding time of 6 h, a dispersant using citric acid monohydrate, and a dispersant content of 1%. The dispersion system is toluene.

Key words: expanded vermiculite, stripping, ball milling process, dispersion

目 录

第一章 绪论 6

1.1蛭石概况 6

1.1.1蛭石的资源分布情况 6

1.1.2 蛭石的性能 6

1.1.3 蛭石的应用 7

1.2国内外研究现状 8

1.2.1蛭石的剥分 8

1.2.2 蛭石的分散 9

1.2.3目前研究阶段仍存在的问题 10

1.3研究目的及意义 11

第二章 实验原料及研究方法 12

2.1实验原料 12

2.1.1 实验原料来源 12

2.1.1.1 原料XRF分析 12

2.1.1.2 原料XRD分析 12

2.1.2实验所用膨胀蛭石的制备 13

2.1.2.1 高温膨胀蛭石的制备 13

2.1.2.2 化学膨胀蛭石的制备 13

2.2实验设备及药剂 14

2.2.1实验设备 14

2.2.2实验药剂 14

2.3实验方法 14

2.3.1实验技术路线 14

2.3.2实验研究方法 15

2.3.2.1分散球磨实验 15

2.3.2.2沉降实验 16

2.3.2.3测试分析方法 16

第三章 球磨工艺对膨胀蛭石的影响 17

3.1球磨工艺对高温膨胀蛭石剥分的影响 17

3.1.1磨矿浓度对高温膨胀蛭石剥分的影响 17

3.1.2行星磨转速对高温膨胀蛭石剥分的影响 18

3.1.3磨矿时间对高温膨胀蛭石剥分的影响 19

3.2球磨工艺对化学膨胀蛭石剥分的影响 20

3.2.1磨矿浓度对化学膨胀蛭石剥分的影响 20

3.2.2行星磨转速对化学膨胀蛭石剥分的影响 21

3.2.3磨矿时间对化学膨胀蛭石剥分的影响 22

3.3本章小结 23

第四章 分散体系对剥分膨胀蛭石分散性能的影响 24

4.1分散体系对高温膨胀剥分蛭石分散性能的影响 24

4.1.1分散剂种类对高温膨胀剥分蛭石分散性能的影响 24

4.1.2分散剂用量对高温膨胀剥分蛭石分散性能的影响 25

4.1.3溶剂对高温膨胀剥分蛭石分散性能的影响 26

4.2分散体系对化学膨胀剥分蛭石分散性能的影响 27

4.2.1分散剂种类对化学膨胀剥分蛭石分散性能的影响 27

4.2.2分散剂用量对化学膨胀剥分蛭石分散性能的影响 28

4.2.3溶剂对化学膨胀剥分蛭石分散性能的影响 29

4.3本章小结 30

第五章 膨胀蛭石分散球磨的表征 32

5.1 XRD分析 32

5.2光学显微镜分析 33

第六章 结论 34

参考文献 35

致谢 37

第一章 绪论

1.1蛭石概况

蛭石是一种主要由黑云母或者金云母经过蚀变作用或是风化作用而形成的次生变质矿物，含有镁、铁质铝硅酸盐。十九世纪二十年代，蛭石在美国马萨诸塞州附近被发现。蛭石作为一种新矿物，因其受热时会失去水份，进而膨胀呈现挠曲状，形态与水生生物水蛭相似，最终在1861年被正式命名为蛭石。

1.1.1蛭石的资源分布情况^[1]

（1）蛭石在世界范围内的分布情况

我国的新疆、美国、澳大利亚、津巴布韦、俄罗斯的科拉半岛以及南非均有蛭石出产。全世界目前探明约有6亿吨蛭石储量，中国和俄罗斯的蛭石储量之和占全世界蛭石储量的大部分，南非和美国包含全世界蛭石近三分之一。蒙大拿州利比地区是蛭石在美国的主要产地，近全美国蛭石矿的三分之二，约8000万吨，都位于该地；南非蛭石主要产地在帕拉博拉地区，储量占全南非蛭石总储量的绝大多数，该地区是全世界最大的蛭石产地；俄罗斯共有20余个蛭石矿床，预计总储量2亿吨。

（2）蛭石在我国境内的分布情况

蛭石是我国非金属矿产之一，储量十分丰富。我国蛭石的分布范围较广，我国的黄河以北地区是蛭石的主要产区，包括内蒙，新疆，辽宁，山西，河北等地区；另外，我国的河南，湖北，江苏，四川等地区也有蛭石矿的存在。我国新疆且干布拉克蛭石矿的产量和储量全国最大，品质最高。其总储量仅次于帕拉博拉地区，蛭石储量估计一亿吨，居全世界第二位，占据我国蛭石总储量的90%，是世界范围内名列前茅的超大型矿床；我国蛭石灵寿县是金黄色蛭石主产地；另外，东海县石开境内也具有丰富且高质量的蛭石资源。

1.1.2 蛭石的性能

蛭石是一种层状硅酸盐矿物，具有典型的2：1结构，由一个八面体层被两个硅氧四面体层夹在中间构成，比表面积相对较大( 约 100 m²/ g) ^[2]。蛭石通过物理或化学等方法可以进行膨胀，蛭石在垂直于蛭石片层的方向发生膨胀，会形成一种高度多孔的材料，膨胀蛭石较之原矿物密度减小，体积增大，导热率降低，具有诸多优良性质，如保温、耐火、防震、隔音等，因此它在热绝缘体，农业，园艺，吸附剂，建筑产品，声学等方面被人们广泛应用^[3-4]。

蛭石晶层层间为水合阳离子，该阳离子具有可交换性^[5]。阳离子交换性作为层状粘土矿物一种很重要的性质，密切相关于蛭石的许多深加工技术，例如剥片技术。剥片是通过某种方法将蛭石颗粒剥离成具有较大径厚比的薄片。由这种蛭石薄片组成的水分散体系具有特殊的性质，可以加工制造为功能性填、涂料。而由这种蛭石薄片进一步制成的蛭石薄膜，有着更为优良的绝热性、强度、隔音能力，在工业上的用途十分广泛^[3]。

1.1.3 蛭石的应用

基于膨胀之后具有的密度小，隔热隔音等诸多优良性能，世界范围内对于蛭石的应用基本集中在膨胀蛭石上，但是对于蛭石原矿，也仍有一些较为基础的应用。例如，为了增强某些板材的防火性能，可以在制作过程中混入一些蛭石细粒，生产出来的复合板材防火性能明显改善。

由于膨胀蛭石具有多种优良的物理性质以及稳定的化学性质，所以建筑业、农业、冶金、化工生产以及其他行业中对其应用十分广泛^[2-3,6-9]。

（1）在保鲜和包装技术中的应用

夏季产出的部分水果、蔬菜如葡萄，桃子，草莓等在当季极易腐烂变质。利用无害的包装材料对其进行包装，将大大提高其保鲜期，同时果实原有的颜色、硬度、品质和风味将会被有效保存，贮藏和存放的时间更长。剥分后的蛭石片具有优良的隔热性能，对人体没有毒性，作为包装材料可以直接接触果实表面，食用后不会对人体造成任何的危害。

（2）在环境保护中的应用

日常污水中含有大量的重金属离子，如Cd、Cu、Pb、Ni、Hg等，重金属离子对人体危害极大，需要及时处理。剥分后的蛭石具有密度小、比表面积大、吸附容量大等优点。利用膨胀剥分蛭石的这些优点可以制成特殊的絮凝剂，用以吸附脱除污水中存在的重金属离子，十分有效。在煤里混入一些蛭石，在燃烧过程中，蛭石会受热膨胀，结构变得疏松多孔，会起到明显的固硫效果，减少空气的污染。此外，据研究发现，膨胀蛭石可以吸附和固定某些放射性元素，可用于处理核废料堆，避免核污染。

（3）在养殖业方面的应用

蛭石添加在动物饲料中，可以作为动物的生长加速剂、饲料稀释剂、助消化剂、毒物吸附剂，提高牲畜的产率和产量，提高肉脂比，使肉、蛋、奶的品质更高，节约饲料，提高经济效益。

（4）在隔热，隔音方面的应用

剥分蛭石的密度小，热绝缘和声绝缘性能与大部分常用建材相比要优异许多。由剥分蛭石制备成的蛭石保温、隔热板对人类健康无毒无害，它能对房屋进行有效的隔热、隔音，且在温度较高时不会发生分解，也不会放出任何气体，同样不会变形或老化。这种板材可以应用在以下诸多方面:如需耐高温的用房装饰；公共和生产设施的消防用防护板；与其它材料混合制成复合材料，如耐火隔板、防火天花板；用作钢塔、钢结构保护套等^[3]。

（5）在农业上的应用

膨胀蛭石高度的片状结构和良好的保持水分的能力，使得它可以用于农业生产。在种子发芽过程中，向土壤中混入适量的片状膨胀蛭石，可以增大土壤比表面积，增加土壤中的孔隙，提供更多的空间储存水分，使土壤具有更好的通气条件，保证种子发芽所需的吸氧量和水份，提高种子的成活率和发芽率^[9]；另外膨胀蛭石也常用于保存种子，疏松土壤，改善土壤结构。

1.2国内外研究现状

1.2.1蛭石的剥分

目前国内外采用物理法和化学法对蛭石进行剥分膨胀，物理法制备膨胀蛭石常用的方法对流和直接传导加热以及微波加热，这种方法获得的蛭石称作热膨胀蛭石（TEV）；化学法制备剥分膨胀蛭石是通过某些化学药剂的作用，撑开蛭石单层片间距，这样获得的蛭石被称作化学剥分蛭石（CEV）^[3]。为了获得较大径厚比的蛭石，通常还需要通过机械球磨等方法对膨胀蛭石进行剥分，为此，国内外学者对蛭石膨胀和剥分做了大量研究与探索。

刘福生^[10]等对膨胀蛭石进行加热，研究加热过程中蛭石结构的改变，比较分析了不同结构和成分的蛭石，实验得出结论：300℃时蛭石完全失去层间的自由水，900℃时蛭石开始失去结晶水，结构遭到严重或完全破坏。

AbdullahObut^[11]等人研究了微波剥分蛭石和金云母，发现层间水的含量极大影响金云母和蛭石片的膨胀程度，蛭石膨胀倍数随蛭石-金云母混层矿物的含量增大而增大。

Marcos^[12-13]等通过XRD图谱表明微波法膨胀蛭石会改变蛭石结构，但只有如结晶度和无序度等少数结构会发生变化。蛭石受微波处理时并不会完全脱水，较于高温加热到1000℃时的水分逸出量，微波加热时水分从颗粒内部的逸出量明显较少。

胡光锁^[14]等对新疆尉犁且干布拉克蛙石矿研究发现，影响蛭石膨胀的是层间水。蛭石结构水的含量会影响蛭石晶体结构的完整性，蛭石含结构水越少，则晶体结构越完整，晶体性就越好，膨胀也会越好。

杜彦召^[15]等人用微波加热法加热新疆尉犁蛭石，成功制备了高膨胀率、不发脆的微波膨胀蛭石。微波膨胀蛭石的SEM、XRD、FTIR、DSC分析表明，该膨胀蛭石多孔结构，有较大的比表面积，微波加热对蛭石结构破坏较小，仍然含有部分结构水，分析认为微波加热没有脱去全部结构水，这是微波膨胀蛭石层间距变化较小，不发脆的重要原因。

刘德春^[16]等通过热双氧水法对蛭石进行膨胀，然后对膨胀后的蛭石进行有机插层，获得高膨胀率和层间距大的蛭石。

Martynkova^[17]等研究了改性剂用量对蛭石层间域内有机阳离子排列情况的影响，测试研究分析发现，蛭石的层间距在被有机改性后均增大。当改性剂用量较小时，有机阳离子在层间区域呈倾斜排布，而当改性剂用量较大时，有机阳离子排列方式发生改变，变为竖直排列。

1.2.2 蛭石的分散

细粒级粉体材料表面活性一般都很大，极容易发生颗粒间的团聚，其团聚的原因，主要有以下五种：分子间的范德华引力、颗粒间的静电引力、吸附水分的毛细管力、颗粒间的磁引力、颗粒表面不平滑产生的机械纠缠力。团聚会影响粉体的应用，因此必须寻找有效的方法使其分散，避免团聚^[18]。

粉体分散是使颗粒在液体介质中分离并均匀分布的过程。粉体在液体中的分散过程大体上有三个阶段：润湿过程，液体润湿团聚颗粒团体的外表面，并透入其内部，取代本身吸附在粉体表面的空气或其它杂质，润湿所有颗粒的表面；解团聚，通过某些方法，使聚集体分散，以较小的颗粒存在；分散状态的保持，即防止颗粒再聚集，使分散体系稳定化。

目前研究的粉体分散机理主要有3种^[19]：静电稳定机制，空间位阻稳定机制，半位稳定作用。目前应用广泛的两种主要分散粉体方法为物理分散和化学分散。物理分散法在粉体分散的过程中会促进粉体的分散，而化学分散法主要作用在分散颗粒的稳定化，防止再聚团这一过程。

目前物理分散主要分为超声波分散和机械分散：

（1）超声波波长短、近似直线传播、能量容易集中。超声波分散是在超声场中用超声波对悬浮液进行处理使颗粒分散，强度较高。超声波可以有效弱化颗粒间的相互作用，防止颗粒团聚，但超声的时间和间隔需要控制，过长的超声时间会增加颗粒碰撞的概率，导致颗粒进一步团聚，破坏颗粒在分散介质中的稳定状态。

（2）机械分散是通过使用外界机械力分散介质中的颗粒。机械分散法主要有机械搅拌、球磨、高速搅拌等。球磨因其应用范围广，操作简单安全等优点，广泛应用于粉体分散。在粉体的球磨过程中混合加入分散剂，可以使其分散剂吸附在颗粒表面，改变颗粒表面性质。加入分散剂球磨得到的粉体粒径更小，比表面积更大，而且浆料在较长时间内可以保持稳定。但是球磨也存在一些缺点：1.加入分散剂混合球磨，颗粒同时受到物理与化学作用，分散剂与溶剂的作用也会对颗粒产生影响，这样就使得颗粒实际受到的作用难以分析；2.有些球磨后浆料比较浓稠，粘度较大，在取出产物时大量浆料会残留在磨机内，得到的浆料只是很少一部分，产品产出率低，且最终取出的浆料无法确定其成分配比关系是否同预期保持一致。

化学分散是在悬浮体中加入分散剂，使其在颗粒表面吸附，从而改变颗粒表面性质，借此对粉体进行分散。化学分散通过改变颗粒表面的性质，进而改变颗粒与溶剂、颗粒与颗粒间的相互作用力，抑制浆料中颗粒的团聚沉降。由于化学分散改变了颗粒的表面性质，因此持续分散的时间会比较久。化学分散剂实现分散有三种方式：增大颗粒Zeta电位、强化空间位阻效应、改善颗粒表面亲水性。

判断微细颗粒在溶剂中的分散性能，主要有沉降法、粒度观测法等。

（1）沉降法

将分散后的悬浮液倒入量筒中静置，观察量筒底部沉积物的体积和上清液的体积。

分散好的悬浮液颗粒发生团聚现象少，因此沉降速度慢，悬浮液整体浊度分布均匀，底部无明显固体沉积。沉降法操作简便，现象反应真实可靠，但缺点是试验周期长，对于悬浮颗粒粒度比较小或是分散效果好的悬浮液，沉降效果足够明显所需要的时间可能会长达数月。

（2）粒度观测法

粒度观测法是通过对样品进行粒度测试，通过分析测试结果来判断分散性能。分散效果越好的样品所测得粒度大小越小，比表面积越大。但由于粒度测试是样品需要经过稀释，并且需要加入分散剂，且测试过程中存在超声、搅拌的作用，因此测量结果不完全可靠，无法准确判断浆料的分散性能。

1.2.3目前研究阶段仍存在的问题

目前，国内外对于蛭石剥分的研究日渐深入，但对于蛭石分散的研究尚且停留在试验阶段。对于蛭石浆料分散性能的研究具有良好的前景，可以有效改善浆料成型后的性能，提高企业与工厂的经济效益和社会效益。

在研究过程中，重点探索不同种类的分散剂以及用量对于分散性能的改变以及球磨工艺对蛭石浆料分散的影响，同时溶剂的选择也是影响浆料分散性能的重要因素。在实验过程中，需要加强总结不同因素对蛭石浆料分散性能的影响规律，同时探究出现这些规律的原理。

1.3研究目的及意义

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