振動磨超細粉碎碳酸鈣的試驗研究

吳小樂 張銘命 杜妍辰

（上海理工大學醫(yī)療器械與食品學院，上海 200093）

0 引言

超細碳酸鈣具有特殊的量子尺寸效應、小尺寸效應和表面效應，使其與常規(guī)粉體材料相比，在補強性、透明性、分散性、觸變性和流平性等方面都顯示出明顯的優(yōu)勢。日本在超細碳酸鈣的生產技術和新品種開發(fā)方面處于領先地位，現(xiàn)有50多種各種晶形的碳酸鈣產品及改性品種，美國著重于超細碳酸鈣在造紙和涂料方面的應用，英國則主要從事涂料專用超細碳酸鈣的研制，其在汽車專用塑料添加劑應用中占主導地位。

我國從20世紀80年代才開始重視對超細碳酸鈣的研究，雖然已經研制、生產出幾種不同型號的超細碳酸鈣產品，但總的來說，我國超細碳酸鈣產品品種少、產量低、生產工藝及設備落后，高檔產品還是主要依靠進口。為此，如何充分利用我國豐富的石灰石礦資源，研究和開發(fā)供應國內造紙、塑料、橡膠等工業(yè)使用的超細碳酸鈣具有重要意義。

超細粉碎是近年來隨著材料工業(yè)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一門新技術，通過超細粉碎可使普通物質超細化，不改變其化學組成，而使物質的表面性能和界面性能發(fā)生變化，達到普通粉末所無法達到的超常使用效果。振動磨是一種用于物料的細粉及超細粉生產的機械粉磨設備，因其結構簡單、體積小、質量輕、能耗低、生產效率高、襯板介質磨損小、無粉塵溢散等突出優(yōu)點，在超細磨領域占據明顯的優(yōu)勢，廣泛適用于非金屬磨礦、選礦、冶金、化工、醫(yī)藥、建材及食品等領域。

1 試驗裝置

本文采用實驗用振動磨機對分析純（AR）碳酸鈣粉末進行了超細粉碎的試驗研究，通過不同大小的研磨介質、不同填充率下的粉碎試驗比較，以期得到超細粉碎碳酸鈣的較好的工藝條件。

振動磨的原理是通過磨筒內壁與相臨磨質的相互碰撞將振動沖擊能量傳遞給磨介，再通過磨介之間的相互碰撞將振動沖擊能量逐層向磨筒內的磨介傳遞。在磨筒—磨介、磨介—磨介的相互碰撞過程中，位于期間的物料受到高頻沖擊而迅速粉碎至較小的尺寸。本實驗中選用實驗用振動磨機（圖1），對碳酸鈣顆粒進行超細粉碎，達到了較好的效果。

圖1 實驗用振動磨機結構圖

該振動磨的工作原理是將物料和磨介質裝于由彈簧支撐的粉碎筒體內，電機通過撓性聯(lián)軸器驅動偏心激振器產生擾動力，驅動粉碎筒體高頻振動，使筒體內的物料和磨介質產生拋射、沖擊、剪切、摩擦和旋轉運動而使物料被粉碎。粉碎筒體內裝的磨介質可以為不同尺寸的棒狀或球狀。偏心激振器安裝于主軸上，振動磨的工作振幅通過激振器進行調節(jié)。

2 振動粉碎系統(tǒng)的動力學方程

為方便分析，將振動磨系統(tǒng)簡化為一個兩自由度的變質量振動系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 兩自由度簡化模型

主系統(tǒng)m1由彈簧剛度為k1、阻尼系數(shù)為c1的阻尼器連接，在豎直方向上受簡諧激振力F0sin（wt）作用產生運動，研磨介質m2在m1內部并與之發(fā)生碰撞，設m1與m2之間產生的碰撞阻尼為c2，m2受簡諧激振力F0sin（wt+φ）作用。系統(tǒng)動力學方程為：

3 試驗方法

采用國藥集團化學試劑有限公司生產的分析純（AR）碳酸鈣粉末，其碳酸鈣含量大于99.0%，分子量為100.09，水含量為4.17%。選用上海新茂精密陶瓷技術有限公司生產的氧化鋯陶瓷球作為磨介，直徑分別為10mm和20mm。實驗設備：實驗用振動磨機，額定功率為0.4 kW，額定頻率為50Hz，實驗時設定頻率為35 Hz；采用濟南微納儀器有限公司的Winner2005激光粒度分析儀進行粒度分析。

實驗中將分析純碳酸鈣粉末加入高頻振動磨中，通過復合力場的作用將顆粒進行超細粉碎。將超細粉碎后的少許碳酸鈣粉末加入去離子水中，超聲分散5 min，形成懸濁液。吸取懸濁液少許加入激光粒度分析儀進樣器中。

4 不同工藝條件對粉碎的影響

粉碎時間、介質大小、介質填充率和物料填充系數(shù)都是影響粉碎的重要條件。本實驗選取直徑分別為10mm和20mm的陶瓷研磨球進行比較；介質填充率是松散介質群占磨機筒體的容積系數(shù)，物料填充系數(shù)是粉體的容積與粉磨介質之間空隙的體積之比。根據文獻，填充率一般為65%～85%之間，物料填充系數(shù)最佳范圍在90%～103%之間。因此，本實驗選取物料填充系數(shù)為100%，對65%和80%兩種填充率作實驗并對比結果，對應的粉體質量分別為500g和600g。

4.1 直徑為10mm的研磨球

4.1.1 65%填充率、粉體質量500g

填充率為65%、粉體質量為500g時，顆粒尺寸隨粉碎時間的變化規(guī)律如圖3、圖4所示。

浙江力普在精制棉制備纖維素粉碎加工技術領域更是一枝獨秀———“醫(yī)藥輔料纖維素醚專用高效剪切粉碎機的研究和產業(yè)化項目”“GWM-730纖維素高效剪切磨開發(fā)”相繼被列入省市科技項目；高效纖維素剪切粉碎機、短纖維粉碎機均已獲得國家專利。為我國纖維素粉體行業(yè)提供了一種技術國際領先的超細纖維粉碎設備。

從圖3和圖4可以看到：隨著粉碎時間的增加，碳酸鈣的細度越來越高。特別是在初期粉碎過程中，即在粉碎60min內，粉體粒度尺寸快速減小，不論是表示顆粒平均尺寸分布的中位徑d50，還是表示系統(tǒng)中較大顆粒分布的d90均降低速度較快。而當粉體粒度減小到1.5 μm左右時，繼續(xù)粉碎時顆粒尺寸變化不大。這是因為磨介質被物料包裹，磨介質間物料層較厚，磨介質和物料的運動在粉碎筒內會受到妨礙，沖擊、研磨作用減弱，粉碎效果下降。

圖5為65%填充率不同時段研磨后的粒徑分布，從圖中可知：隨著粉碎時間增加，粒徑差別越來越大。峰值向左側移動，再次說明了隨著粉碎時間的增加，碳酸鈣的細度越來越高。粒徑分布范圍越來越窄，說明隨著粉碎時間的增加，粉碎精度顯著提高。

圖6為65%填充率時粒徑小于1 μm和小于5μm的顆粒比例與粉碎時間的關系，由圖可知：前60min小粒徑顆粒所占比例迅速上升，粒徑在60min后全部小于5 μm，7 h后大約有22%的顆粒粒徑小于1 μm，且變化趨于平穩(wěn)。

4.1.2 80%填充率、粉體質量600g

填充率為80%、粉體質量為600g時，顆粒尺寸隨粉碎時間的變化規(guī)律如圖7、圖8所示。

由圖7和圖8可以看到：同65%填充率的情況一樣，隨著粉碎時間的增加，碳酸鈣的細度越來越高。同樣的，在粉碎60min內，d50和d90以較快速度下降。而當粉體粒度減小到1.5 μm左右時，繼續(xù)粉碎時顆粒尺寸變化不大。

另外，與65%填充率比較發(fā)現(xiàn)，在研磨初期，即在30min內65%填充率的研磨效果略好，在30min后，80%填充率的研磨效果略好。

圖9為80%填充率不同時段研磨后的粒徑分布，從圖中可知：隨著粉碎時間增加，粒徑差別越來越大。峰值向左側移動，說明了隨著粉碎時間的增加，碳酸鈣的細度越來越高。粒徑分布范圍越來越窄，表明超細粉碎顯著提高了粉體的精度。

圖10為80%填充率時粒徑小于1 μm和小于5 μm的顆粒比例與粉碎時間的關系，由圖可知：前60min小粒徑顆粒所占比例迅速上升，粒徑在60min后全部都小于5 μm，9.5 h后大約有25%的顆粒粒徑小于1 μm，且變化趨于平穩(wěn)。

與65%填充率進行比較發(fā)現(xiàn)，在前30min內其小顆粒所占比例上升較慢，在30min后，其小顆粒所占比例上升較快。

4.2 直徑為20mm的研磨球

4.2.1 65%填充率、粉體質量500g

填充率為65%、粉體質量為500g時，顆粒尺寸隨粉碎時間的變化規(guī)律如圖11、圖12所示。

由圖11和圖12可以看到，在初期粉碎過程中，即在從開始到30min內，物料的粒徑幾乎成直線下降，不論是表示顆粒平均分布尺寸的中位徑d50，還是表示系統(tǒng)中較大顆粒分布的d90均降低速度較快。粉碎時間在30～60min左右時，粒徑減小速度趨緩。當粉碎時間超過60min以后，d50和d90均出現(xiàn)了反向趨勢，即隨著研磨時間的增加，物料的粒徑反而有所增加，出現(xiàn)逆研磨。這是因為當物料顆粒粒徑達到一定值以后，繼續(xù)粉碎引起物料顆粒的后凝聚。即物料在磨介質的作用下很快達到后凝聚臨界粒徑，繼續(xù)粉碎時因分子間的吸引力大于破碎力而產生凝聚。

圖13為65%填充率不同時段研磨后的粒徑分布，圖中可以看到明顯的拐點。隨著粉碎時間增加，以60min左右處為拐點,粒徑差別先變大后變小，峰值先向左側移動然后向右移動。

圖14為65%填充率時粒徑小于1 μm和小于5 μm的顆粒比例與粉碎時間的關系，由圖可以看到明顯的拐點。隨著粉碎時間增加，以60min左右處為拐點。粒徑差別先變大后變小，峰值先向左側移動然后向右移動。前60min小粒徑顆粒所占比例迅速上升，粒徑在60min左右全部小于5 μm，而60min之后出現(xiàn)相反趨勢，隨著時間繼續(xù)延長，小顆粒所占比例不規(guī)則下降。

4.2.2 80%填充率、粉體質量600g

填充率為80%、粉體質量為600g時，顆粒尺寸隨粉碎時間的變化規(guī)律如圖15、圖16所示。

由圖15和圖16可以看到：同65%的填充率一樣，在粉碎30min內，d50和d90以較快速度下降。粉碎時間在30～50min左右時，粒徑減小緩慢。粉碎時間超過50min以后，d50和d90均出現(xiàn)了逆研磨。

與65%填充率進行比較發(fā)現(xiàn)，其拐點出現(xiàn)較早且拐點粒徑略高。但最后逆研磨狀態(tài)下粒徑反彈程度小。在研磨初期，即在50min內80%填充率的研磨效果略好，在大約50min后，65%填充率的研磨效果略好。

圖17為80%填充率不同時段研磨后的粒徑分布，從圖中可知：隨著粉碎時間增加，以50min左右處為拐點。粒徑差別先變大后變小，峰值先向左側移動然后向右移動。

圖18為80%填充率時粒徑小于1 μm和小于5 μm的顆粒比例與粉碎時間的關系，由圖可知：前50min小粒徑顆粒所占比例迅速上升，最高達到97%左右。50min之后出現(xiàn)相反趨勢，隨著時間繼續(xù)延長，小顆粒所占比例不規(guī)則下降。

與65%填充率進行比較，可以看出，其小顆粒所占比例上升較快，而拐點之后則下降較慢。

4.3 2種直徑研磨球的結果比較

（1）20mm直徑的研磨球作為介質時，2組填充率均出現(xiàn)不同程度的逆研磨。而10mm直徑的研磨球則沒出現(xiàn)這種情況；

（2）不管是能達到的最小粒徑還是粒徑下降速度均顯示，10mm直徑的研磨球作為介質時，研磨效果較好；

（3）從所能達到的最小粒徑角度出發(fā)，不管是10mm直徑還是20mm直徑的研磨介質，均是65%填充率的研磨效果好。

5 結論

本文通過對碳酸鈣的超細粉碎試驗研究，得到以下結論：

（1）運用振動磨在室溫下對碳酸鈣進行超細粉碎，在前60min內，物料的粒徑快速下降至2 μm左右，在60min至7 h之間，物料的粒徑變化趨緩甚至逆向；

（2）20mm直徑的研磨球作為介質時，會出現(xiàn)不同程度的逆研磨，所以在利用振動磨進行超細粉碎時，當粒徑達到臨界值就應停止粉碎，這樣在得到較小粒徑的同時也能節(jié)約能耗；

（3）粉碎時間、介質大小、介質填充率和物料填充率對粉碎效果有著影響。較佳的工藝條件是選擇10mm直徑的研磨球、65%的填充率、500g的粉體質量的參數(shù)組合。（興業(yè)杯參賽論文）

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