CN103641126A - 一种利用非金属矿物坡缕石制备高性能pal材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明具体公开了一种利用非金属矿物坡缕石制备高性能PAL材料的方法，其特征在于：该方法采用柔性粉碎原理与技术，和无药剂高速液流解聚分散、分提纯、富集工艺，及粉碎—超微化—提纯—干燥—分级流程。PAL材料的高性能的更深层次意义在于物质科学研究层面上，将在跨越生命物质和生命物质界限；为生命科学、材料科学和能源科学带来新的革命，提供支持。

Description

一种利用非金属矿物坡缕石制备高性能PAL材料的方法

技术领域

本发明涉及一种利用非金属矿物坡缕石制备高性能PAL材料的方法。

背景技术

微纳米粉体的制备通常有两条途径：一是通过对大尺寸块体物料进行粉碎，获得微细粉体称之为粉碎法，目前超细粉碎（以机械法为代表）所能达到的最小粒径基本都在3μm左右；二是控制晶体成核及生长条件，获得特定尺寸的微纳米材料，称为成核生长法，其获得超微颗粒（大于5nm，小于100nm）的主要方法，制备途径的不同意味着理论和技术原理的差异，所得微粒粉体在理化性质上也存在差别，因此，产品性能和经济因素是选择制备途径的基本要求。基于以上要求，目前，一般对于细微粉体的制备技术工艺多采用超细粉碎和精细分级两个工序。

微纳米粉体制备技术

1）超细粉碎法

（1）机械法：高速旋转式粉碎法，球磨式粉碎法，搅拌研磨粉碎法，振动磨粉碎法等；

（2）高速流动法：高速气流法、高速液流法。

（3）高压膨胀法。 2）成核生长法

（1）超临界法：超临界流体快速膨胀法，超临界抗（反）溶剂法、超临界流体干燥法、超临界流体沉积法、超临界流体微液法等；

（2）液相法：沉淀法、水热法、微乳液法、溶液—凝胶法、电解沉淀法、水解法、溶剂蒸发法；

（3）气相法：电阻加热法、激光加热法、电子束加热法、高频感应加热蒸气法、等离子体加热法等。

（4）固相法：高温固相反应、中温固相反应、低热/室温固相反应；

（5）燃烧法：固相燃烧反应、溶液相燃烧反应气相燃烧反应、多相燃烧反应等。

超细粉碎分为干式和湿式两种。干式采用气流磨、高速机械冲击磨、旋风自磨、辊（滚）磨等粉碎设备；湿式设备主要有剥片机、砂磨机、均浆机、胶体磨等；其中，球磨机类（行星式等）干、湿均可使用。

精细分级也分为干式和湿式，但不同的是所采用分级介质不同。以空气为介质的称为干法分级，以水为介质的称为湿法分级。前者采用转子（滑轮）式气流分级，后者采用水力旋流法和卧式沉降式离心方法，以上分级方法，均依托相应设备（机）实现。

但是，采用机械法，其尺寸一般只能达到3μm左右的水平，成核生长法虽可获得特定尺寸（大于5nm、小于100nm）超微颗粒，但基本建立在化学反应基础上，或对成核生长条件要求苛刻，而且，有些技术工艺尚不成熟。尤其是针对具有特殊功能、产品附加值高的特殊粒形微纳米粉体制备，和存在巨大市场的高分子材料及高聚物复合材料的回收与利用等，这些韧性物料的超细粉碎设备存在明显不足，成为技术瓶颈。

当前，现代众多高新技术都离不开微纳米粉体材料的支撑。能源、国防、环境修复、医疗保健领域，即便是材料科学和产业领域自身，微纳米材料的应用也极为广泛，需求量更大，对粉体品质的要求也越来越高。因此，追求粉碎极限低（至少1μm以下）的工业化超细粉碎设备，和分级极限粒度小的工业化精细分级设备，以及配套的生产技术为本领域创新的主要方向。

因此，以柔性粉碎原理为理论基础，实现坡缕石这一特殊粒形韧性物料超细粉碎和有效提纯、分级技术瓶颈的突破，是本发明的目标。

 

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提出一种利用非金属矿物坡缕石制备高性能PAL材料的方法。

为实现上述发明目的，本发明所采用技术方案如下：

一种利用非金属矿物坡缕石制备高性能PAL材料的方法，该方法采用柔性粉碎原理与技术，和无药剂高速液流解聚分散、分提纯、富集工艺，及粉碎—超微化—提纯—干燥—分级流程。

进一步的，该方法是以非金属矿物坡缕石为原料，以柔性粉碎原理为理论指导，集成解聚分散、分离提纯等现代技术，经粉碎—提纯—超微化—干燥—分级等工艺流程处理后，制备出具有吸附性、流变性、传质性、胶体性、催化性和强离子交换性等优异功能，以纳米级层、链、纤维状晶体结构与孔穴通道微观构造及天然一维纳米微粒物质构造特征，和含有以碘、硒、锌、铁为代表的人体必需生命营养微量元素14种中的13种的生物生理独特性质，集功能材料、结构材料和生物工程材料于一身的先进无机非金属新型材料 。

本发明利用坡缕石层、链、纤维状晶体结构和微米级孔穴通道微观构造、天然一维纳米微粒物质的特殊粒形特征， 以及自然缝隙发育、在水介质中高度分散的特性，以柔性粉碎原理为基础，采用水介质、无药剂高速流液解聚分散和分离提纯的技术工艺制取高性能、高附加值新型PAL材料。

所谓柔性粉碎原理是近年提出的新的粉碎理论。与传统以冲击、剪切和磨擦为主的施力方式不同，柔性粉碎更体现为对粉碎对象的解离作用，它不单纯追求施加力量的高强度，而更加注重因势利导，充分利用粉碎对象自身的理化特性，使能量集中于粉碎对象的自然裂隙处、不同晶体的结合处和晶体缺陷处等薄弱点，因而粉碎效果更佳，且耗能低，降低设备磨损，不易产生“过粉碎”和“二次污染”，对晶体形貌保护更加充分，属于解离粉碎。柔性粉碎原理在 小能量高频脉动冲击粉碎和升温粉碎等技术开发中都有很好的体现。

创新点充分利用了坡缕石的理化性能，最大程度地保护坡缕石层、链、纤维状晶体结构和界面与介孔微观构造特征，发挥水介质在粉碎、磨剥和解离过程中的特殊柔性动力作用，制备了高性能、高附加值粉体产品。而且同步完成对该矿物所含人体必需生命微量元素（14种中的13种）的富集，而具生物学意义。不仅制备出了微纳米级功能材料，而且制备出了微纳米尺度上的结构材料和具生物生理功能的生物工程材料。

PAL材料的高性能的更深层次意义在于物质科学研究层面上，将在跨越生命物质和生命物质界限；为生命科学、材料科学和能源科学带来新的革命，提供支持。

具体实施方式

下面将结合具体实施方法来详细说明本发明，在本发明的示意性实施及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例1：

1、方案原则

    天然一维纳米微粒物质和具纳米级层、链、纤维状微观构造的坡缕石是晶形矿物，矿物通常吸纳或镶嵌而呈集合体状态产生，混有不同数量的杂质，从而使矿物材料的功能、结构所含元素等优异效能发挥不充分，或者难以发挥。因而，必须集成现代技术工艺，采用经济合理的技术方案，制备出品质优良、介观尺寸的高性能材料。

2、方案技术措施

本发明在柔性粉碎原理指导下，利用坡缕石在水介质中高度分散的禀赋性特点，选用最具柔性特征的水介质为动力，不掺添加任何选矿药剂，通过高速（液）流能技术措施，实施解聚分散、分离提纯的技术工艺，实现本发明所涉及内容目标。

3、高速流能方法比较

就高速流能方法而言，液流粉碎具有比气流粉碎容易获得更微细物料的优势，对于气流粉碎力场难以实现微纳米级的某些物质，利用液流的很多物理化学作用功能，则有可能实现物料微纳米化，并避免静电、火花及局部的温度过高，而使粉碎过程相对安全。

4、方案实施

1）解聚分散

包括PAL材料原料坡缕石在内的天然非金属纳米矿物，虽具备介观物质—纳米微粒物质特性，但由于其表面的界面效应，通常紧密吸纳或镶嵌，呈聚合体，使矿物的纳米材料的诸多效应无法展现。因而，需要采取解聚技术，拆散解除矿物微粒之间聚合。解聚经历了这样的一个过程，PAL材料的原料坡缕石为海相（半封闭咸湖）沉积矿物，宏观结构的矿物间裂隙发育，物质化学属性上为极性物质，吸水后，极易发生水化膨胀，进入水介质中进一步水化膨胀（矿物体积增加2—5倍）形成扩散双电层，水化作用削弱与破坏了矿物颗粒间的聚结，使颗粒沿着结合薄弱部分（如开裂的层理、片理、壁理、矿物集合面以及矿物解离面等），形成新的裂隙，降低颗粒的力学强度，使颗粒破碎。这种颗粒裂隙生长，加剧至解聚的受力过程，是水介质楔入的结果，同时为液流粉碎降低了能耗。

水化动能主要是表面水化能，即表面吸附水分子所放出的能量，包括吸附水分子和补偿阳离子吸附水分子所释放的能量。文献表明，表面水化剂引起的膨胀体积为75%—100%，膨胀压力在几十至400大气压（膨胀压力指保持遇水不膨胀所需外压），巨大的表面水化能及膨胀压力表明，PAL材料原料坡缕石良好的湿润性和吸水性（极性），使流体水介质的水化作用得以充分发挥。此外，PAL材料原料坡缕石晶、层间仅有的较弱的范德华力，不足以抗衡水介质对该矿物的水化能，因而，PAL材料原料坡缕石的晶层由表层及里极易发生水化。基于以上原因，PAL材料原料坡缕石吸水易膨胀、易在流体介质作用下解聚，并高度分散。

其中，影响解聚分散效果的有以下因素：（1）补偿阳离子水化能（越大，水化膨胀性越强）；（2）扩散双电层厚度越厚，水化膨胀性越强；（3）流体介质的pH值和含盐量（pH值越高，表面电位越高，水化膨胀性增强；含盐量大，水化作用减弱）。对照这些影响因素，鉴于PAL材料原料坡缕石的亲水极性、高水化能、弱层间力及7.8—9.3的高pH值，使其在流体水介质作用下，高度解聚、分散，是其禀赋性特征。

从矿物颗粒断裂的过程来看，依照裂纹条件、液体分子吸附在新生表面，可以减少裂纹扩展所需的外引力，防止新生裂纹的重新闭合，促进裂纹扩展。由于PAL材料原料坡缕石是极性矿物，具良好的浸润性，可大大降低颗粒表面能，减少断裂所需的应力，因而，在流体介质冲击下，极易实现解聚分散。

PAL材料坡缕石解聚分散条件所需介质、选矿药剂使用，环境负荷和成本控制方面也具优势：普通民用自来水或低硬度地下水皆可选作流体介质； 不掺添选矿化学药剂，对产品和环境无二次污染（环境负荷极低），而且工艺“废水”除循环利用外，还将被资源化利用。

制备选用液流粉碎机来实现，液流粉碎机主要为靶板式和对撞板式两种类型。其中，靶板式以高速液流为介质携带物料，与设置的固定靶板相撞，物料与靶板在高速液流介质携带的物料，在碰撞、撞击中，液流的高速动能最终转换成对物料的破碎能，使物料破碎，即解聚，并分散于水介质中。对撞式液流粉碎机也以液流为介质，由两股和多股高速液流携带物料，在特定的粉碎腔内发生相互碰撞，将高速动能转变为对物料的热力学能（破碎能），当物料颗粒的内能升到大于该物料所需破碎能时，夹携在高速液流中的物料颗粒被破碎至微细颗料，即完成对物料的解聚与分散。

本发明选用靶板式液流粉碎装置。选择的理由是该装置结构相对简捷，需控制的因素少。应用靶板式液流粉碎装置，进行解聚分散的工艺参数主要为形成颗粒浆体的浓度控制，浆体浓度过高，最终粉体产品的极限粒度和粒径分布将会受影响，浆体浓度过低，存在能量损失的不合理性。

2）分离提纯

PAL材料的原料坡缕石中混生有绿泥石、伊犁石、长石和碳酸盐等杂质。要获得高品质的材料质量，即使作为一般的工业材料，粒度也不够均匀，因而，必须分离提纯，这一工艺工序是以解聚分散为前躯条件的。

由于充分的解聚分散基础，分离提纯工艺工序选用卧式螺旋推进离心机或集解聚分散、分离提纯、干燥和分级一体机来实现。

卧式螺旋推进离心机的主要部件为一圆锥形转鼓，由内向外直径增大，坡度（半锥角）为3°—5°，转鼓借锥形底盘固定在中心轴上并由电动机带动旋转。上给料嘴和下给料嘴伸入转鼓内，物料浆体由给料嘴喷出，顺切线方向附着在转鼓壁上，随着转鼓旋转的同时，沿鼓壁的斜面流动，形成在空间的螺旋形运动轨迹。此时，物料浆流为一弱紊流膜，当离心力大小适当量，可形成足够的流变层厚度和合适的速度梯度，矿物颗粒在流变层内发生有效分层，物料粒群借助切变运动产生的层间斥力松散，轻、重物料依自身的局部压强不同相对转移，重物料转入底层，进入底层的重物料即附着在鼓壁上较少移动，轻物料进入上层。轻物料则在脉动速度作用下悬浮，其浆体流通过转鼓与底盘之间的缝隙随较高的轴向流速排出，当重物料浸到一定厚度时，停止给料，由冲料嘴给入高压水，冲洗沉积的重物料，实现重、轻物料分离。高速离心提纯设备属间歇性装置，其中，给料、冲洗水注入和重、轻物料排出过程是自动运行的。

经分离提纯的PAL材料粉体，仍为高含水的厚浆状，并具蚀变性和热敏化，因而，呈高度分散状态，通过一种超细粉的干燥装置，在干燥介质（热风）的机械分散力作用下，使物料形成颗粒状流态化，瞬间完成热值交换，并防止二次团聚的倾向，使物料复原到原本的粒子尺寸（可能的团聚还可被解聚），水分快速脱除（一般至5%），并达到“迅即”细化。除此之外，在干燥介质（热风）流的高速旋转速度场中（线速度达80m/s以上），物料与物料，物料与简壁之间的作用也十分剧烈、强化了“迅即”细化。

此种超细粉体的干燥装置，实质上集解聚分散、分离提纯、干燥和分级一体化的多功能设备。其工作原理是通过高速搅拌器的机械分散能力以及分级器对物料的粒度控制和对二次团聚物料的再解聚分散作用，利用旋转干燥介质（热风气流）与物料间产生高速相对运动，从而强化传热和传质功能，来完成物料的解聚分散与二次团聚排除，达到“迅即”干燥和精细分级。

该设备采用的高速搅拌装置，转速可达数千转（工艺参数100—2000r/min），因而，解聚分散和防止二次团聚的能力较旋转闪蒸干燥等设备，强势一个数量级以上；其进风方式为由高速旋转的粉碎盘为动力的风速、不受系统干扰、生产稳定、产品质量达标；其进料装置为独特的双螺旋结构、速度控制为新型的无极变速装置，可保证在极低转速下工作的可靠性。分级装置为转速可调的旋转装置、分级能力强、产量高。

实施解聚（二次团聚解聚）、“迅即”干燥和精细分级一体化，即由底部进行高速搅拌（破碎）装置入料，并由破碎转盘控制系统旋转风速，强化粉碎与分散能力，中部通过干燥介质使浆体“迅即”干燥，实现颗粒固体流态化；顶部的可调式分级器，方便控制产品粒径。

整个工艺流程由于装置结构的合理配置，具操作的便捷、合理，检修也极为方便。

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种利用非金属矿物坡缕石制备高性能PAL材料的方法，其特征在于：该方法采用柔性粉碎原理与技术，和无药剂高速液流解聚分散、分提纯、富集工艺，及粉碎—超微化—提纯—干燥—分级流程。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于：该方法是以非金属矿物坡缕石为原料，以柔性粉碎原理为理论指导，集成解聚分散、分离提纯等现代技术，经粉碎—提纯—超微化—干燥—分级等工艺流程处理后，制备出具有吸附性、流变性、传质性、胶体性、催化性和强离子交换性等优异功能，以纳米级层、链、纤维状晶体结构与孔穴通道微观构造及天然一维纳米微粒物质构造特征，和含有以碘、硒、锌、铁为代表的人体必需生命营养微量元素14种中的13种的生物生理独特性质，集功能材料、结构材料和生物工程材料于一身的先进无机非金属新型材料 。