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叁星砂磨技术--为石英产业的高精尖发展提供技术支持

叁星砂磨技术--为石英产业的高精尖发展提供技术支持

   

石英(SiO2)是世界上含量最多、分布最广的一种无机非金属矿物。由于矿物形成时的温度和压力不同,SiO2可形成不同的晶型,通常所说的石英,主要指α-石英(α-Quartz)β-石英(β-Quartz)。石英矿物密度介于2.22~2.65之间,莫氏硬度为7;纯度高的石英常呈无色或乳白色半透明状态。

石英(SiO2)是世界上含量最多、分布最广的一种无机非金属矿物。由于矿物形成时的温度和压力不同,SiO2可形成不同的晶型,通常所说的石英,主要指α-石英(α-Quartz)β-石英(β-Quartz)。石英矿物密度介于2.22~2.65之间,莫氏硬度为7;纯度高的石英常呈无色或乳白色半透明状态。

 

一、石英分类及应用

根据石英矿物中SiO2和杂质含量,工业用石英可以大致分为四个种类,包括:普通石英、精制石英、高纯石英和熔融石英。

石英独特的空间网络状的晶体结构及优异的物理化学性质使石英成为重要的工业原料,广泛应用于玻璃、陶瓷、冶金、化工、塑料、橡胶、磨料等工业领域。

随着经济的发展和科技进步,市场对优质石英原料的需求量日益增多。目前,石英的加工尚属粗放型,石英经过干法破碎和分级后即制成产品销售,主要产品是微米粒级以上的石英砂或粉体,附加值非常低。亚微米粒级石英粉体(小于1μm)是一种现代工业技术的无机精细化学原料,由于它具有不寻常的颗粒特征,即极小的粒径、较大的比表面积和优良的化学性能,表现出良好的亲水性、补强性、增稠性、消光性和防粘结性。为提高石英产品的附加值,有必要对石英进行精细化加工,开发新的工艺,生产高质量的微纳米粒级石英产品,拓宽石英的用途,这是石英产业的必然发展趋势。

 

二、纳米石英的应用现状及发展前景

纳米颗粒的小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等使其具备与传统材料不同物理、化学性能,表现出独特的光、电、磁和化学等特性。在实际应用中,纳米SiO2颗粒通常经过必要的化学改性后充分、均匀地分散在基材中,用于提高传统材料的多项性能指标,制备出性能优异的新一代功能材料。目前,超细SiO2颗粒被广泛应用于电子封装材料、高分子复合材料、塑料、涂料、胶粘剂、陶瓷、药物载体化妆品及杀菌材料等领域。

 

三、 微纳米SiO2的制备方法

通常,制备微纳米颗粒有自下而上自上而下这两种方法。自下而上指在材料化学合成的过程中通过控制材料的成核和长大,从而控制产物的尺寸制备纳米颗粒。自上而下则是借助各种外力对块状颗粒粉碎,从而制备纳米颗粒。

化学合成纳米SiO2的方法主要包括:化学气相沉积法(CVD)、化学沉淀法、溶胶凝胶(Sol-Gel)和微乳液法。但是,化学法制备纳米SiO2的工艺较为复杂并不利于大规模生产,而且制备过程中往往需要大量使用多种助剂,对环境存在一定危害。

机械研磨法制备微纳米材料常需要使用各种机械设备,包括:高速冲击式磨、振动磨、气流磨、胶体磨、介质搅拌磨等及作为配套设备的精细分级设备。按研磨过程中设备物料载体的类型可分为干法破碎和湿法研磨两种制备方法。湿法研磨是利用水作为载体,利用介质搅拌磨进行研磨来制备纳米颗粒。制备的产品具有粒度细、粒度分布窄等特点。

 

深圳市叁星飞荣机械有限公司采用自主研发的无轴封无筛网介质搅拌磨对多种石英进行了大量的研磨实验,通过自行摸索的工艺参数,低能耗、高效地制备得到各种纳米级石英,而且制备的产品粒度均匀,粒径分布窄。以相对比较难加工的熔融石英为例进行简要说明:

熔融石英是用天然高纯度二氧化硅经电炉在高于1760℃以上温度熔融,随后快速冷却而制得的。此过程将晶型SiO2转变为非晶型的玻璃熔体。 熔融石英熔化温度约1713℃,导热系数低,热膨胀系数小,具有极高的热震稳定性。熔融石英具有极好的断裂韧性,因此很难用机械的方法进行纳米级研磨。

深圳市叁星飞荣机械有限公司用自主研发的,已成熟并投入市场的型号为SPT30W30L生产设备对浙江某公司提供的熔融石英进行生产试验(100kg浆料,固含量50wt%),通过对影响研磨效率最主要的几个因素(磨介尺寸、介质填充率、线速度、流量等)进行调节,采用粗料粗磨,细料细磨的两段研磨方式进行加工,最终得到令客户非常满意的产品。

 

 

1 研磨前后的产品粒度分布图

1为熔融石英的原样及研磨8h后的产品粒度分布图,公司采用激光粒度仪对样品进行检测,得到D50=230nmD90=450nm

众所周知,激光粒度仪测试的粒度都存在一定的误差及局限性,不同厂家的测试结果也不一样,但可以反映颗粒大小变化的趋势。于是我们用美国FEI公司生产的NanoSEM-430型高分辨扫描电镜和德国卡尔蔡司公司ZEISS EVO18型扫描电子显微镜进行验证,结果图2所示,可以看出研磨前样品的粒度基本和激光粒度仪测试数据吻合(D50≈13μmD90≈43μm),但研磨后的数据存在较大偏差。

通过图2可以看出,研磨8h后的产品中95%颗粒粒度小于150nm左右,其中50%的颗粒小于80nm左右,颗粒粒度分布非常均匀,极少数团聚颗粒粒级在270nm左右。

  

2 原样及研磨8h后样品的SEM

 

总而言之,深圳市叁星飞荣机械有限公司自主研发生产的无轴封无筛网立式砂磨机能够大大提高石英产品的附加值,为石英产业向高精尖方向发展指明了方向并提供技术支持,让纳米石英的产业化成为现实。

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