0 引言

物料经高能球磨处理得到细化, 可以归结为机械力化学的作用。近年来, 机械力化学技术获得了很大发展, 被广泛用于制备超微及纳米粉末、纳米复合材料、弥散强化合金结构材料、金属精炼、矿物和废物处理以及合成新相等。

在机械力化学技术中, 影响化学反应过程的工艺因素有球磨温度、球磨时间、球径、球料比、过程控制剂等。本实验仅研究高能球磨过程中球磨时间对粉末的粒度分布、结构以及显微形貌等性能的影响。

1 高能球磨系统装置

本实验采用的高能球磨机设备是搅拌球磨机, 作为一种新型的粉磨设备, 其基本结构是由电机、球筒、升降装置以及搅拌棒组成, 见图 1。工作时, 磨筒静止, 依靠桨叶搅动磨球, 对粉体进行强烈的撞击、研磨和搅拌, 使粉体粉碎成微米级甚至是纳米级粒子。也常用于机械活化, 将机械活化与化学反应有机结合起来, 在同一设备中完成, 形成了机械活化反应器^[1]。

2 高能球磨机理

物料经长时间的研磨和冲击, 会引起结构的紊乱, 网络的断裂或错动。矿物颗粒因在超细粉磨过程中比表面积变大, 产生晶格缺陷和晶型转变、非晶化, 以及因表面化学键断裂而产生不饱和键、自由离子和电子等原因, 导致矿物晶体内能增高, 而且物质内部迅速发展的裂纹使其顶端温度和压力增高, 最终导致物质反应的平衡常数和反应速度常数显著增大^[2]。这一方面会导致烧结温度或反应温度降低, 另一方面长时间粉磨导致形成非晶态物质。

3 机械力化学效应的分析表征

机械力化学效应的分析手段和表征技术很多, 并且在不断地发展, 对粉末发生的密度、比表面积等物理效应的测定, 可采用阿基米德原理和BET吸附法。粒度的测定可以用激光粒度仪, 用XRD(X射线衍射法)、DTA(热分析技术)和SEM(电子显微分析)等分析方法^[3]判断结晶程度和晶体结构转化等。其中XRD主要用于半定量地分析粉体的晶粒尺寸、晶格畸变程度, 也可分析结晶程度的变化; SEM用于观察粉体物质在受力前后的颗粒大小分布、团聚状况以及结构变化; DTA用于判断物质受力前后是否有变化, 特别用于对含水物质的脱水过程和脱水程度的分析^[4]。

4 球磨时间对硫化铜矿粉末性能的影响

本实验采用激光粒度分析法, X射线衍射法和电子显微分析法对硫化铜矿粉末进行了粒度、结晶程度和形貌表征。

4.1 实验方法与过程

以硫化铜矿粉末为原材料。以Ø3 mm的不锈钢球为研磨介质, 原因是小球体积小, 与原料接触的面积就大, 这样可提高研磨作用, 有利于粉碎。采用不锈钢球和硫化铜矿的质量比为20:1, 取一定比例的水, 置于不锈钢球磨罐中。于室温下在间歇式高能机械搅拌球磨机中进行湿磨, 球磨机转速为240 r/min, 球磨时间分别取0、5、10、15 h, 并对所得粉体进行粒度、XRD和SEM表征, 分析球磨时间与粉体的粒度、晶粒尺寸和形貌之间的关系。

4.2 结果与讨论

由中位径数据可得到图 2, 可见铜精矿的中位径随着粉磨时间的变化呈现规律性变化。随着粉磨时间的延长, 中位径首先迅速下降, 即粉磨过程处于破碎、颗粒细化的阶段; 随着粉磨的进行, 中位径略有上升趋势, 说明此时细小颗粒之间发生了团聚; 球磨进行到一定时间后, 中位径变化就不太明显了, 此时球磨已经达到了平衡状态。

通过不同粉磨时间的X射线衍射分析图谱知道, 硫化铜矿主要是晶体物相, 因而在常温下具有相对的稳定性。通过对图 3的比较可以看出:随着球磨时间的增加, X射线衍射峰变宽, 衍射峰强度呈现逐渐下降趋势, 说明晶体产生非晶化层, 晶体结构均遭到了一定程度的破坏, 即晶体产生微裂纹或晶格缺陷。但衍射峰并没有完全消失, 这就表明晶体没有完全非晶化即无定形化。这可能是由于施加的机械强度不够或者球磨时间不足等原因造成的。这有待于进一步探讨, 该现象同时也说明了铜精矿的矿物结构比较致密、稳定。

从图 4的扫描电镜照片可以清晰地看出颗粒的外形、大小以及表面情况。0h的铜精矿粉体颗粒外形呈无规则形状, 而且颗粒表面很不光滑, 呈现棱状, 以粗大颗粒为主。经过粉磨后, 颗粒粒度明显减小, 总体上来说颗粒的外形很不规则, 粒度分布有一定的级配。随着粉磨的进一步进行, 可以看出, 颗粒粒度的变化已不大明显, 那就是因为球磨5h后, 机械力化学引起的晶粒长大与球磨引起的晶粒尺寸减小将处于动态平衡^[5-6]。

5 结论

(1) 硫化铜矿粉末经过机械球磨能够迅速细化, 随着球磨时间的延长, 粉磨达到极限, 最终颗粒粒度变化不大, 即出现了晶粒长大与晶粒尺寸减小的动态平衡。

(2) 随着球磨时间的增加, X射线衍射峰变宽, 衍射峰强度呈现逐渐下降趋势, 说明晶体产生非晶化层, 晶体结构均遭到了一定程度的破坏, 即晶体产生微裂纹或晶格缺陷。但衍射峰并没有完全消失, 这就表明晶体没有完全无定形化。

(3) 球磨前的硫化铜矿粉体颗粒外形呈无规则形状, 而且颗粒表面很不光滑, 呈现棱状, 以粗大颗粒为主。经过粉磨后, 颗粒粒度明显减小, 总体上来说颗粒的外形很不规则, 粒度分布有一定的级配。