基于溫壓瞬變的纖維狀黏土礦物粉體的制備

周友行， 宋佳林， 徐長鋒， 沈 旺， 趙 玉

(湘潭大學(xué) a. 機(jī)械工程學(xué)院; b. 復(fù)雜軌跡加工工藝及裝備教育部工程研究中心， 湖南 湘潭 411105)

坡縷石和海泡石等纖維狀黏土礦物礦粉在建材、 工業(yè)等領(lǐng)域有普遍的應(yīng)用[1-2]，其礦粉目前主要采用機(jī)械式破碎方法制取[3-4]，但通過該方法破碎礦物，其纖維結(jié)構(gòu)常因受到擠壓、 摩擦作用而被破壞，嚴(yán)重影響礦物的使用性能[5]。

纖維狀黏土礦物晶體具有纖維狀納米級通道結(jié)構(gòu)， 吸水性優(yōu)異且易碎[6]。 結(jié)合格里菲斯強(qiáng)度理論， 這類材料在高溫、 密封環(huán)境下極易產(chǎn)生高溫爆裂傾向， 因為礦物內(nèi)部裂隙中的水從液相變?yōu)闅庀啵?但這些裂隙與外界不貫通， 導(dǎo)致高壓蒸汽封閉在裂隙內(nèi)， 若突然泄壓， 脆性材料將受到張力的作用而引發(fā)材料的剝落與爆裂[7-8]。 采用該理論有可能獲得高質(zhì)量的纖維狀黏土礦物單晶粉末， 從而找到一種全新的礦物破碎方法——溫壓瞬變破碎法。 鑒于此， 我們首先通過格里菲斯強(qiáng)度理論[9]以及仿真模擬來判斷該方法的可行性； 然后選取海泡石為試驗材料， 搭建工作臺對該方法進(jìn)行試驗驗證， 分析探究海泡石在不同壓力下的破碎表現(xiàn)； 最后通過掃描電鏡判斷該方法是否破壞了海泡石纖維結(jié)構(gòu)。

1 溫壓瞬變破碎法的理論基礎(chǔ)

1.1 格里菲斯強(qiáng)度理論的應(yīng)用

格里菲斯強(qiáng)度理論假定脆性材料存在許多隨機(jī)分布的橢圓形裂隙，在張力的作用下，裂隙會沿其最大拉應(yīng)力處張拉擴(kuò)展，最終對材料造成破壞[10-11],裂隙受力分析如圖1所示[12]。

σ1、 σ3—第1、 3主應(yīng)力； β—長軸方向與第1主應(yīng)力σ1之間的夾角； x軸為裂隙走向； y軸為垂直于裂隙走向； σx、 σy— x、 y軸方向的正應(yīng)力， τx—平行于x軸方向的剪應(yīng)力。圖1 礦物微裂隙受力分析圖Fig.1 Stress analysis of microcracks inmineral

表1 引入蒸汽壓力前、 后的礦物破裂角

由表可得：

1) 當(dāng)σ1+σ3>0,σ1+3σ3>4p時，

(1)

2)當(dāng)σ1+3σ3<0,σ1+3σ3<4p時，β=0 。

通過上面的推導(dǎo)計算，可以得出蒸汽壓力減小了纖維狀黏土礦物內(nèi)部的破裂角β，且破裂角β減小的幅度隨著蒸汽壓力的增大而增大。

1.2 干飽和蒸汽爆裂對海泡石的沖擊破碎

當(dāng)壓力容器壓力閥開啟時，壓力突然解除，水蒸汽在礦石內(nèi)部及表面瞬間爆裂[13-14]。爆裂時的蒸汽的爆破能量可由下式[15]計算得到：E=CV。

式中，E為水蒸汽的爆破能量， kJ；C為水蒸汽爆破能量系數(shù)。

根據(jù)1 Pa=1 N/m2, 1 J=1 N·m，可得1 Pa=1 J/m3，即海泡石的孔隙或裂隙中單位壓力為CkPa。各種常見壓力下的水蒸汽爆破能量系數(shù)如表2所示。

表2 常用壓力下的水蒸汽爆破能量系數(shù)

水蒸汽爆裂時， 還帶動空氣分子以一定的速度撞擊海泡石縫隙內(nèi)壁面以及海泡石表面， 大量空氣分子的撞擊將產(chǎn)生巨大的比沖量[16]， 使海泡石在張力及撞擊力的作用下破碎。 壓力容器的設(shè)定壓力(內(nèi)壓)是影響水蒸汽爆裂的主要因素，通過有限元軟件對水蒸汽在不同內(nèi)壓下的爆裂情況進(jìn)行仿真，得到水蒸汽爆裂時空氣分子的速度仿真結(jié)果如圖2所示。

a)0.1MPab)0.2MPac)0.3MPad)0.4MPae)0.5MPaf)0.6MPa圖2 不同內(nèi)壓下圖水蒸汽爆裂時空氣分子速度分布云圖Fig.2 Cloudchartofairmolecularvelocitydistributionduringsteamburstunderdifferentinternalpressures

由式(3)以及水蒸汽爆裂時空氣分子的速度仿真結(jié)果可以看出：隨著壓力的增大，水蒸汽的爆破能量不斷增加，水蒸汽爆裂時空氣分子的速度也不斷增加，破碎后小粒徑海泡石占比明顯增加；同時，水蒸汽不但在礦石的內(nèi)部破裂，還在礦石的表面破裂。雙重沖擊效果下，海泡石的破碎更加高效。

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗平臺搭建

為了探究溫壓瞬變破碎法的實際應(yīng)用，搭建試驗平臺對其進(jìn)行驗證。試驗平臺包括加熱器、壓力容器、壓力表、卸壓閥門，試驗平臺整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2 試驗材料

隨機(jī)選取海泡石作為試驗樣品，每個壓力值取3份樣品，每份樣品質(zhì)量為(20±0.5)g,選取的海泡石礦石樣品如圖4所示。

圖3 試驗平臺Fig.3 Experimentalplatform圖4 海泡石試驗樣品Fig.4 Sepiolitetestsample

2.3 試驗方法

試驗時， 首先將一定量的海泡石放入壓力容器中， 然后關(guān)閉閥門， 通過加熱器加熱壓力容器， 當(dāng)壓力容器內(nèi)部的壓力值達(dá)到設(shè)定值時， 瞬間打開閥門。 設(shè)定的壓力值分別為0.1、 0.2、 0.3、 0.4、 0.5、 0.6 MPa(假定大氣壓為0 MPa)

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 不同壓力破碎結(jié)果

試驗考察壓力值分別為0.1、 0.2、 0.3、 0.4、 0.5、 0.6 MPa時海泡石破碎情況。在每一個壓力值下，將破碎完成的3份樣品混合在一起，并按照粒徑分為4類，即>2、 >0.9～2、 0.6～0.9、 <0.6 mm，不同壓力下,海泡石礦石的破碎結(jié)果如圖5所示。對不同壓力下破碎完成的海泡石顆粒，按粒徑范圍分別進(jìn)行稱重，結(jié)果如表3所示。

通過LAP-W800H激光粒度儀，對不同壓力下，粒徑小于0.6 mm的海泡石顆粒進(jìn)行粒度分析，分析結(jié)果如圖6所示。

a)0.1MPab)0.2MPac)0.3MPad)0.4MPae)0.5MPaf)0.6MPa圖注:圖中Ⅰ—Ⅳ分別表示>2、>0.9～2、0.6～0.9、<0.6mm的海泡石顆粒。圖5 不同壓力下海泡石礦石破碎結(jié)果Fig.5 Crushingresultsofsepioliteoreunderdifferentpressures

3.2 不同壓力下顆粒纖維結(jié)構(gòu)

為了探究溫壓瞬變破碎法對海泡石的纖維結(jié)構(gòu)是否造成的損害，采用SU5000場式發(fā)射掃描電鏡，對不同壓力下破碎完成的海泡石顆粒進(jìn)行顯微觀察，并將其與正常的海泡石顆粒以及機(jī)械破碎后的海泡石顆粒進(jìn)行比較，結(jié)果如圖7所示。

表3 各個壓力值下不同粒徑范圍的顆粒質(zhì)量

圖6 不同粒徑顆粒數(shù)量占比分析Fig.6 Analysis of the proportion of particles with different sizes

a)0.1MPab)0.2MPac)0.3MPad)0.4MPae)0.5MPaf)0.6MPag)正常海泡石顆粒h)機(jī)械粉碎圖7 不同壓力值下海泡石顆粒纖維結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structureofsepioliteparticleswithdifferentpressurevalues

通過搭建工作臺并完成海泡石在壓力值分別為0.1、 0.2、 0.3、 0.4、 0.5、 0.6 MPa時(設(shè)大氣壓為0 MPa)的破碎，并對破碎后的礦石顆粒進(jìn)行顆粒粒徑分析，并對不同壓力下破碎完成的海泡石顆粒進(jìn)行電鏡分析。根據(jù)分析數(shù)據(jù)結(jié)果可得出:

1)隨著壓力的不斷增大，破碎完成后粒徑大于2 mm的海泡石顆粒呈明顯減少趨勢，由0.1 MPa的55.123 1 g降到0.6 MPa的14.472 5 g; 破碎完成后粒徑小于0.6 mm的海泡石顆粒呈明顯增加趨勢，由0.1 MPa的1.472 3 g增加到0.6 MPa的24.385 1 g。破碎完成后小粒徑海泡石顆粒質(zhì)量隨著壓力的增加明顯提升。

2)通過掃描電鏡的觀察發(fā)現(xiàn)，機(jī)械破碎由于擠壓作用破壞了海泡石的纖維結(jié)構(gòu)，而通過溫壓瞬變破碎法破碎的海泡石纖維結(jié)構(gòu)未造成損害，保存了海泡石礦石原來的纖維結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

為了減少纖維狀黏土礦物的纖維結(jié)構(gòu)損傷，我們課題組提出了一種全新的礦物破碎方法——溫壓瞬變破碎法。

通過高溫高壓下的格里菲斯強(qiáng)度理論以及蒸汽爆裂完善了該方法的理論基礎(chǔ)。蒸汽壓力影響了海泡石內(nèi)部的破裂角β，β隨著蒸汽壓力的增大而減小，使礦石內(nèi)部所受到的張力效果更加明顯；隨著壓力容器設(shè)定壓力的增加，泄壓時蒸汽的爆破能量以及爆裂時空氣分子的速度也不斷增大。水蒸汽不但在礦石的內(nèi)部破裂，還在礦石的表面破裂，雙重沖擊效果下，海泡石的破碎更加高效，破碎后的小粒徑海泡石顆粒占比也隨壓力增大而明顯提高。

通過試驗驗證了該方法的實用性。溫壓瞬變破碎法對海泡石的纖維結(jié)構(gòu)起到了良好的保護(hù)作用，海泡石的破碎效果以及破碎后的海泡石顆粒精度隨著壓力值增加而顯著提升。受限于目前的試驗條件，無法進(jìn)行更高壓力的試驗，特別是超高壓力的破碎試驗，礦石難以達(dá)到完全破碎，這需要完成更高壓力值工作臺的設(shè)計，來完善溫壓瞬變破碎法的理論研究以及試驗分析。