高能球磨法制备超细ATH技术研究

宋小兰++沈劲松++王毅++赵珊珊++刘双

摘 要：采用高能行星式球磨机对氢氧化铝进行了超细化处理，对样品进行了粒度分析，考察了制备工艺中几种影响因素。结果表明，磨珠直径越大，对ATH的碎粉效率越高；磨珠进行级配后，特别是级配直径差越大的磨珠，对ATH微粉的粉碎效率越高；空磨（不添加磨珠）对细ATH原料的粉碎效果更好。

关键词：氢氧化铝；磨珠；级配；粉碎效率；空磨

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

1 引言

三水合氧化铝（ATH）是一种安全无毒的无机阻燃剂，它作为阻燃填充剂，兼有充填、阻燃和消烟三重功能，成为材料工业中引起特别关注的填充剂[1-3]。目前全球ATH的消耗量约为220kt以上，占阻燃剂总耗量的50%，占无机阻燃剂总耗量的75%[4]。然而，目前国产ATH阻燃剂的粒径较大，影响制品的材料物理机械性能，其粒度的大小直接影响阻燃剂的阻燃性能。但细化的ATH的高加入量（40%以上）會降低了聚合物制品的加工性能和机械强度，断裂伸长率等指标急剧下降。结合实际，ATH粒度在控制在2μm左右，可达到综合性能良好的阻燃效果、加工性能和机械强度等。本文采用高能机械球磨法对ATH进行超细化处理，考察了几种工艺影响因素，并对试验结果进行了深入分析。

2 实验方法

在行星式球磨过程中，滚筒在自转的同时伴随公转。公转可以产生数倍、甚至数十倍于重力加速度g的向心加速度a，产生的冲击或研磨效果会显著增加。行星效应用Z表示：

Z=a/g

式中，a—行星式球磨机滚筒中心处的向心加速度。当公转角速度为Ω（10.47rad/s），筒心所在圆周半径为R时，a值为：

a=Ω2R

本试验中使用的行星式球磨机的R=0.4m，

a=0.4×（10.47）2=43.8m/s2

则Z=43.8/9.8=4.5

本文中的行星式球磨机中工作于该机中的磨球重量增至原重的4.5倍，可大大提高球磨效果，使得筒内粉料能在较短时间内研磨到微米甚至纳米级。

3 结果与分析

为了增加对比性，本试验中采用两种原料ATH，粗原料（约200um）和细原料（5-50um）。以下考察了磨珠大小、磨珠粒度级配、助磨剂以及球磨时间对ATH的球磨效果。

3.1 磨珠直径对ATH粉体的影响

（1）采用细原料：在球磨时间为6小时的条件下，考察了磨珠直径分别为0.1mm、0.5mm和1mm下，原料ATH的球磨效果，如图1所示。

在本试验条件下，0.1mm磨珠可以将细原料ATH粉碎至粒度中值为513.4nm，0.5mm磨珠细化的ATH粒径中值可达432.5nm，而1mm磨珠则可将ATH粉碎至224.7nm。

（2）采用粗原料：考察了磨珠直径分别为0.5mm、1mm、3mm和5mm下，原料ATH的球磨效果。实验中发现，随着磨珠粒径的增大，样品达到细化效果的时间越短，出现粉料“挂壁”现象越明显。因此，上述对应直径磨珠在球磨6小时、5小时、4小时、2小时时取样的粒度测试结果如图2所示。

由上述可知，随着磨珠直径的增大，ATH微粉的粒径中值逐渐减小，磨珠为3mm和5mm时，微粉粒径已经达到了较好的细化效果，且球磨时间还可大大缩短。本组实验结果说明增大磨珠直径，有利于提高ATH微粉的粉碎效率，且粗原料的粉碎效果要比细原料的更好。

3.2 磨珠级配对ATH微粉的影响

本组试验中将不同直径的磨珠按照1：1比例进行混合。采用粗原料，球磨时间为4小时，可以发现，在相同的试验条件下，（0.5mm+5mm）磨珠组对粗原料的粉碎效果最好，细化样品的粒径中值可达187.1nm，而（1mm+3mm）磨珠组的粉碎效果最差，细化样品粒度中值为283.9nm。本组试验结果表明，对磨珠进行级配可大大提高ATH的粉碎效果，且级配直径差越大，粉碎效果越好。

3.3 助磨剂、空磨对ATH微粉的影响

采用三乙醇胺作为助磨剂，掺入量为0.5%，采用了细原料，磨珠直径大小为0.1mm，球磨时间为6小时。可以发现，在相同试验条件下，添加助磨剂三乙醇胺对ATH的粉碎效果并不明显。此外，前期试验中发现空磨（即不添加磨珠）对去除粗原料的颗粒表面棱角有效。本试验中采用细原料进行了6小时空磨。本组试验结果说明对于细原料而言，空磨（不添加磨珠）也会提高其粉碎效果。行星式球磨机中，细粒子之间的惯性力作用要比普通球磨机的大很多，造成了细粒子表面的棱角互相碰撞、摩擦以及挤压大大增强，从而提高细颗粒的粉碎效果。若有磨珠存在的情况下，由于磨珠表面非常光滑细腻，且其直径均100μm以上，使得其与细粒子表面接触后的挤压和摩擦力并不大，最终影响了粉碎效果。

4 结论

本文考察了在高能球磨法制备超细ATH过程中，原料粒度大小、磨珠直径、磨珠级配、助磨剂以及空磨等因素对粉碎效果的影响，得到如下结论：

（1）增大磨珠直径，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细原料的更高。

（2）磨珠级配可有效提高ATH微粉的粉碎效率。而且，级配磨珠的直径差越大，对ATH的粉碎效果越好。

（3）助磨剂三乙醇胺对ATH微粉的粉碎效果并不显著。对细原料的ATH而言，空磨（不添加磨珠）可提高其粉碎效果。

参考文献：

[1]陈浩然，李晓丹.阻燃剂的研究发展现状[J].纤维复合材料， 2012（01）：18-21.

[2]刘立华，董玉环，贾静娴.氢氧化铝阻燃剂的表面改性[J].塑料科技，2008，36（04）：88-92.

[3]王建立，和凤枝，陈启元.阻燃剂用超细氢氧化铝的制备、应用及展望[J].中国粉体技术，2007（01）：38-42.

[4]刘立华，贾俊芳.氢氧化铝阻燃剂的应用现状及前景展望[J]. 化工科技市场，2008，31（04）：6-9.