高能球磨法制備超細ATH技術研究

宋小蘭++沈勁松++王毅++趙珊珊++劉雙

摘 要：采用高能行星式球磨機對氫氧化鋁進行了超細化處理，對樣品進行了粒度分析，考察了制備工藝中幾種影響因素。結果表明，磨珠直徑越大，對ATH的碎粉效率越高；磨珠進行級配后，特別是級配直徑差越大的磨珠，對ATH微粉的粉碎效率越高；空磨（不添加磨珠）對細ATH原料的粉碎效果更好。

關鍵詞：氫氧化鋁；磨珠；級配；粉碎效率；空磨

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.07.032

1 引言

三水合氧化鋁（ATH）是一種安全無毒的無機阻燃劑，它作為阻燃填充劑，兼有充填、阻燃和消煙三重功能，成為材料工業中引起特別關注的填充劑[1-3]。目前全球ATH的消耗量約為220kt以上，占阻燃劑總耗量的50%，占無機阻燃劑總耗量的75%[4]。然而，目前國產ATH阻燃劑的粒徑較大，影響制品的材料物理機械性能，其粒度的大小直接影響阻燃劑的阻燃性能。但細化的ATH的高加入量（40%以上）會降低了聚合物制品的加工性能和機械強度，斷裂伸長率等指標急劇下降。結合實際，ATH粒度在控制在2μm左右，可達到綜合性能良好的阻燃效果、加工性能和機械強度等。本文采用高能機械球磨法對ATH進行超細化處理，考察了幾種工藝影響因素，并對試驗結果進行了深入分析。

2 實驗方法

在行星式球磨過程中，滾筒在自轉的同時伴隨公轉。公轉可以產生數倍、甚至數十倍于重力加速度g的向心加速度a，產生的沖擊或研磨效果會顯著增加。行星效應用Z表示：

Z=a/g

式中，a—行星式球磨機滾筒中心處的向心加速度。當公轉角速度為Ω（10.47rad/s），筒心所在圓周半徑為R時，a值為：

a=Ω2R

本試驗中使用的行星式球磨機的R=0.4m，

a=0.4×（10.47）2=43.8m/s2

則Z=43.8/9.8=4.5

本文中的行星式球磨機中工作于該機中的磨球重量增至原重的4.5倍，可大大提高球磨效果，使得筒內粉料能在較短時間內研磨到微米甚至納米級。

3 結果與分析

為了增加對比性，本試驗中采用兩種原料ATH，粗原料（約200um）和細原料（5-50um）。以下考察了磨珠大小、磨珠粒度級配、助磨劑以及球磨時間對ATH的球磨效果。

3.1 磨珠直徑對ATH粉體的影響

（1）采用細原料：在球磨時間為6小時的條件下，考察了磨珠直徑分別為0.1mm、0.5mm和1mm下，原料ATH的球磨效果，如圖1所示。

在本試驗條件下，0.1mm磨珠可以將細原料ATH粉碎至粒度中值為513.4nm，0.5mm磨珠細化的ATH粒徑中值可達432.5nm，而1mm磨珠則可將ATH粉碎至224.7nm。

（2）采用粗原料：考察了磨珠直徑分別為0.5mm、1mm、3mm和5mm下，原料ATH的球磨效果。實驗中發現，隨著磨珠粒徑的增大，樣品達到細化效果的時間越短，出現粉料“掛壁”現象越明顯。因此，上述對應直徑磨珠在球磨6小時、5小時、4小時、2小時時取樣的粒度測試結果如圖2所示。

由上述可知，隨著磨珠直徑的增大，ATH微粉的粒徑中值逐漸減小，磨珠為3mm和5mm時，微粉粒徑已經達到了較好的細化效果，且球磨時間還可大大縮短。本組實驗結果說明增大磨珠直徑，有利于提高ATH微粉的粉碎效率，且粗原料的粉碎效果要比細原料的更好。

3.2 磨珠級配對ATH微粉的影響

本組試驗中將不同直徑的磨珠按照1：1比例進行混合。采用粗原料，球磨時間為4小時，可以發現，在相同的試驗條件下，（0.5mm+5mm）磨珠組對粗原料的粉碎效果最好，細化樣品的粒徑中值可達187.1nm，而（1mm+3mm）磨珠組的粉碎效果最差，細化樣品粒度中值為283.9nm。本組試驗結果表明，對磨珠進行級配可大大提高ATH的粉碎效果，且級配直徑差越大，粉碎效果越好。

3.3 助磨劑、空磨對ATH微粉的影響

采用三乙醇胺作為助磨劑，摻入量為0.5%，采用了細原料，磨珠直徑大小為0.1mm，球磨時間為6小時。可以發現，在相同試驗條件下，添加助磨劑三乙醇胺對ATH的粉碎效果并不明顯。此外，前期試驗中發現空磨（即不添加磨珠）對去除粗原料的顆粒表面棱角有效。本試驗中采用細原料進行了6小時空磨。本組試驗結果說明對于細原料而言，空磨（不添加磨珠）也會提高其粉碎效果。行星式球磨機中，細粒子之間的慣性力作用要比普通球磨機的大很多，造成了細粒子表面的棱角互相碰撞、摩擦以及擠壓大大增強，從而提高細顆粒的粉碎效果。若有磨珠存在的情況下，由于磨珠表面非常光滑細膩，且其直徑均100μm以上，使得其與細粒子表面接觸后的擠壓和摩擦力并不大，最終影響了粉碎效果。

4 結論

本文考察了在高能球磨法制備超細ATH過程中，原料粒度大小、磨珠直徑、磨珠級配、助磨劑以及空磨等因素對粉碎效果的影響，得到如下結論：

（1）增大磨珠直徑，有利于提高ATH微粉的粉碎效率。而且，粗原料的粉碎效率要比細原料的更高。

（2）磨珠級配可有效提高ATH微粉的粉碎效率。而且，級配磨珠的直徑差越大，對ATH的粉碎效果越好。

（3）助磨劑三乙醇胺對ATH微粉的粉碎效果并不顯著。對細原料的ATH而言，空磨（不添加磨珠）可提高其粉碎效果。

參考文獻：

[1]陳浩然，李曉丹.阻燃劑的研究發展現狀[J].纖維復合材料， 2012（01）：18-21.

[2]劉立華，董玉環，賈靜嫻.氫氧化鋁阻燃劑的表面改性[J].塑料科技，2008，36（04）：88-92.

[3]王建立，和鳳枝，陳啟元.阻燃劑用超細氫氧化鋁的制備、應用及展望[J].中國粉體技術，2007（01）：38-42.

[4]劉立華，賈俊芳.氫氧化鋁阻燃劑的應用現狀及前景展望[J]. 化工科技市場，2008，31（04）：6-9.